梁腹板開孔鋼框架組合節點應力應變分析

摘 要：我國經濟的發展帶來了鋼結構建筑的廣泛應用?，F代高層建筑鋼結構通常組合節點方式。在外力作用下，鋼框架結構與混凝土樓板的共同工作使得整個結構的力學性能變得很復雜。節點是建筑結構中的重要連接部位，但是剛性節點在地震中很容易出現脆性破壞，對結構安全很不利。為體現“強節點弱構件”的抗震思想，在腹板上開孔的設計思路由此孕育而生。同時，腹板開孔具有便于管線及設備的通過、降低層高、節約空間及降低成本等優勢，因此，對腹板開孔鋼框架組合節點的研究就具有很大的實際意義。

本文主要研究腹板開孔組合節點在對稱豎向荷載作用下的靜力工作性能，利用ANSYS有限元軟件建模，分析了腹板開孔組合節點在不同位移荷載作用下的應力、應變分布規律，揭示了腹板開孔組合節點塑性鉸外移的微觀原因。

關鍵詞：組合節點；靜力性能；應力應變；塑性鉸

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

引言

我國所有高層、超高層建筑中，鋼-混凝土混合結構占的比重較大，普通鋼結構建筑的受力性能分析和設計方法已比較成熟，我國已基本掌握了高層鋼結構建筑建設的成套技術，較好的解決了高層建筑鋼結構的產業化問題，為鋼結構在建筑領域更大發展創造了條件 。但是，對鋼-混凝土組合結構，比如梁柱組合節點開孔方面的研究與國外相比還很不足，處于進一步開發和完善階段，還有很多領域方向有待研究。本文重點分析了腹板開方孔型組合節點方孔周圍截面上的應力及應變是如何進行重分布，研究了其應力應變分布規律，由此揭示了考慮組合效應的腹板開孔組合節點在豎向靜力位移荷載下的塑性鉸外移的微觀原因。

一、組合節點的有限元建模

本文通過ANSYS計算軟件建立了腹板開孔組合節點的三維實體有限元模型，組合節點的鋼梁和鋼柱采用全焊連接，鋼筋混凝土樓板與鋼梁采用栓釘連接，表面采用接觸單元；鋼梁、鋼柱、銷釘等鋼構件采用SOLID45單元，鋼材的本構關系采用雙線性隨動強化（BKIN）模型，彈性模量E=206000，泊松比取0.3，鋼材達到屈服強度fy后，考慮了材料0.005E的應力強化；混凝土樓板采用SOLID65單元，其本構關系采用的是多線性等向強化（MISO）模型，并設定了混凝土受拉開裂后退出工作。除腹板開孔處附近鋼板采用自由網絡劃分外，其它部分均采用人為控制網格劃分（見圖2-1），鋼柱底部施加x，y，z三向約束，柱頂為x，z向約束，在對稱平面（X-Y，Y-Z平面）給各組件施加的是對稱約束（見圖2-2）。為便于收斂，本文在梁端施加的是位移荷載。

圖2-2 腹板開孔組合節點模型約束

Fig.2-2 Restraints of composite joints with web?openings

“標準試件”各構件幾何尺寸及材料特征如表2-1所示。

表2-1 “標準組合節點”特性參數

Table 2-1Parameters?of the"Standard?Composite Joints"

樓板 厚度 120mm 鋼柱 型號 HW250X250

配筋率 0.0086 翼緣厚度 14mm

鋼筋屈服強度 235N/mm2 翼緣寬度 250mm

混凝土型號 C25 腹板厚度 9mm

混凝土抗拉強度 1.78N/mm2 截面高度 250mm

混凝土抗壓強度 16.7N/mm2 鋼材屈服強度 345N/mm2

鋼梁 型號 HM300x150 鋼材彈性模量 206000N/mm2

翼緣厚度 9mm 加勁肋 有

翼緣寬度 150mm

腹板厚度 6.5mm

截面高度 300mm

鋼材屈服強度 345N/mm2

注：混凝土樓板寬度為1m,鋼梁及樓板懸挑長度為1.95m.

為了研究剛性節點在塑性階段的力學性能，應該使剛性節點完全進入塑性階段，即節點的梁端應該產生足夠的豎向位移。結合本文的節點尺寸計算，應該在組合節點的梁端施加58.5mm的豎向位移，計算時，本文在節點梁端施加的豎向位移為60mm。從后面有限元分析結果可看出，當位移達到60mm時，組合節點均已進入塑性狀態，能較好反映組合節點的力學性能。鋼梁腹板上開孔一方面要保證構件承載力下降不能過大，另一方面使塑性鉸出現的位置遠離節點區。塑性鉸是以塑性等效應變（即Mises應變）最大的截面來定義的。

二 腹板開孔組合節點的應力分析

給組合節點梁端施加豎向位移荷載時，在梁腹板上開孔可以使組合節點梁柱交接處的應力降低，但卻會令開孔處的應力增加，尤其是矩形孔的四個角部更容易產生應力集中。在一定開孔率情況下，腹板開孔組合節點的塑性應變往往在方孔角部率先形成，然后向下翼緣及孔口邊緣角部附近發展，最后，隨著塑性區的不斷發展在孔附近的下翼緣區域形成塑性鉸。

為更深入了解腹板開孔在位移作用下對組合節點產生的塑性變形情況，本節從微觀角度對組合節點進行應力分析，組合節點模型中腹板開孔形式選取50%開孔率、寬高比為1、孔中心距離鋼柱翼緣距離300mm的矩形孔。圖4-10為該節點的P-△曲線圖。

圖4-10腹板開方孔組合節點的荷載-位移曲線

Fig.4-10 P-△ curve of the composite joints with web square opening

從圖中可看出，梁端位移△大概在15mm內時鋼梁處于彈性工作狀態，而超過15mm后節點開始進入塑性狀態。本節分析鋼梁截面應力分布時，彈性階段選取△為10mm，塑性階段分別取20mm（剛進入塑性狀態不久）和60mm（充分進入塑性）。

通過計算分析，得出結果如下：

（一）翼緣部分應力應變分析

在梁端位移為10mm、20mm、60mm時，非開孔處鋼梁上下翼緣剪應力整個鋼梁上翼緣剪應力都很小，中部的剪應力最大，剪應力總體呈現梁邊較小二中部增大的趨勢，沿梁寬中部對稱分布；處于鋼梁腹板開孔處正上方的上翼緣，隨著梁端位移的逐漸加大，梁翼緣兩側邊剪應力很小，但在翼緣中部（即靠近腹板位置），翼緣的剪應力大大增加；梁腹板開孔處下翼緣，當梁端位移值在10mm和20mm時，翼緣兩側剪應力很小，翼緣中部剪應力達到近20Mpa，當梁端位移達到60mm時，翼緣邊部剪應力絕對值近40Mpa，翼緣中部剪應力很小，甚至小于位移在10mm 和20mm的狀態，原因是隨著鋼梁下翼緣逐漸進入塑性狀態，下翼緣中部所受的應力最大，率先進入塑性狀態，因而其承載力下降也最快。當梁端位移達到60mm時，其基本已失去承載力，但翼緣兩端還沒完全進入，因而下翼緣兩邊也就承擔更大的剪應力了。

隨著梁端位移的增大，翼緣的Mises應力也相應的增大；在相同位移下，應力變化最大的就是靠近翼緣中間。但是梁上翼緣出現了當梁端位移在60mm時的應力值小于位移在20mm的現象，根據分析，當梁端位移在20mm時鋼梁還沒產生塑性鉸，但當梁端位移達到60mm時，塑性鉸已產生，因此降低了梁柱交接處的應力，在距柱邊約200mm處應力值非常大，在200mm至380mm，應力大幅下降，在380至450mm，應力又大幅增加，其中位移值越大，其增減幅度就越大，整體趨勢是距離鋼柱邊越遠，應力就越小。通過對比發現，在位移值△較小情況下，各路徑應力值都較小，但是當位移值逐漸增大，個路徑應力值都在加大，下翼緣的應力大于上翼緣。

隨著梁端位移的增加，塑性應變也在相應增加，鋼梁上翼緣在梁端位移為10mm和20mm時應變都非常小，接近于0，而當梁端位移達到60mm時，塑性應變大大增加，塑性應變總體呈現梁邊部小而梁中部較大的趨勢。但在開孔中部正上方的翼緣卻出現了兩端應變較大，而中部應變很小的情況；鋼梁下翼緣當梁端位移加到20mm時，應變已開始出現，隨著位移的增加，塑性應變也越來越大，其應變增加比上翼緣要明顯的多；在梁端位移增大到60mm時，沿梁長方向各截面的應變顯著加大，尤其在矩形開孔左下角翼緣位置應變最大；梁上翼緣距柱邊大概180mm時應變最大，梁下翼緣距柱邊大概250mm時應變最大，此處即為塑性鉸產生的位置，組合節點的塑性鉸位置吻合。

（二）腹板部分應力應變分析

上下翼緣處剪應力都較小，越接近腹板中間剪應力就越大，靠近開孔左上角附近剪應力較大；靠近孔洞處腹板剪應力較小，靠近翼緣附近剪應力較大，且開孔上部分腹板的剪應力比下端大；越靠近開孔的角部，其腹板剪應力值就越大。各路徑都有一個共性，梁端位移越大，剪應力的絕對值就越大。隨著梁端位移逐漸增大，開孔處上、下腹板剪應力及開孔左側上、下角的剪應力都大大增加，腹板的整體破壞很容易在這些部位率先形成，從而引起塑性鉸的產生。

在梁端位移為20mm和60mm時，腹板中部的應變很小，腹板上下沿的應變較大，其中下沿的應變最大。在梁端位移較小情況下，應變不是很明顯，但當位移增大到60mm時，應變增幅較大，可以得出應變隨著梁端位移的增加而加大。在梁端位移較小情況下，開孔處腹板應變較小，未開孔處的應變更大。隨著梁端位移進一步加大，組合節點梁慢慢進入塑性變形，此時開孔處的應變增速較快，當位移達到60mm時，開孔處的下腹板應變最大。

（三）混凝土樓板部分應力分析

混凝土樓板在梁端位移為10mm、20mm時的應力及應變分布規律不是很明顯，但在60mm時應力向柱方向集中?？傮w而言，樓板中間部分的應力大于板梁邊的應力，靠近節點處的應力要大于遠離節點處的應力。

三 結語

通過細致分析組合節點在梁端豎向位移荷載作用下的塑性發展情況，研究其應力、應變分布規律，揭示了腹板開孔組合節點塑性鉸外移的微觀原因，結論如下：在梁端豎向位移荷載下，翼緣剪應力最大的部位出現在方孔處，正應力和應變最大部位出現在開孔左下角處，其次是與鋼柱交接的鋼梁下翼緣。下翼緣的應力和應變要大于上翼緣，翼緣中間應力值大于翼緣兩邊。這也是組合節點鋼梁處塑性鉸出現的原因，其出現位置與應力應變相對應。鋼梁腹板承受的剪應力比翼緣大很多，開孔處及開孔角部附近的腹板的剪應力較大?；炷涟宓膽﹄S著梁端位移的增加也相應增大，但應力分布不是很均勻，總體上應力分布呈現板中間部分的應力大于板兩邊的應力，靠近節點處的應力要大于遠離節點處的應力。

參考文獻

1曹海金. 梁腹板開孔鋼框架組合節點靜力性能研究[D]. 哈爾濱工業大學碩士學位論文, 2011.

2楊娜, 郭婷. 梁腹板開圓孔節點的組合效應影響研究[J]. 華中科技大學學報（城市科學版）, 2008, 25(3）: 69-73.

3奧曉磊. 中高強度鋼框架梁柱組合節點抗震性能研究[D]. 清華大學碩士論文學位論文, 2008.

4劉洪波, 邵永松, 謝禮立等. 鋼框架結構樓板有效寬度及對節點性能影響[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2008, 40(10): 1532-1536.

5諶偉. 考慮組合效應的腹板開圓孔型節點的抗震性能研究[D]. 北京交通大學碩士論文學位論文, 2009.

6石永久, 王萌, 王元清等. 鋼框架梁柱組合節點滯回性能有限元分析[J]. 土 木建筑與環境工程, 2010, 32(3）: 1-7.