段玉鑫 程 铭 胡英炜 张宇霞

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

近年来，科学的发展带动了时代的进步，对建筑结构也有了更严格更多元的要求，钢管混凝土结构的研究渐渐成为建筑工程领域的重点研究方向。传统的钢筋混凝土结构使用在大跨度的结构及高层建筑的过程中时，受制于该结构较弱的抗弯与抗拉能力，混凝土表面常常会出现裂缝，在运输和装吊等操作中也带来了一些困难。钢管的抗弯性好，但稳定性较差，而混凝土的承载力较好，但抗拉抗弯能力较弱，且易产生裂缝。在钢管柱中灌注混凝土，形成钢管混凝土结构，可以使两者优点得到充分结合，同时弥补了钢管和钢筋混凝土结构的缺陷，有效提高了结构的承载能力、塑性、韧性等力学性质，并具备良好的防火性能及抗震性能[1-3]。

钢管混凝土柱的截面主要分为两种，方钢管混凝土和圆钢管混凝土，如图1所示。就其抗弯能力而言，同面积情况下方钢管的惯性矩要大于圆钢管的惯性矩，因此方钢管的抗弯能力较强。对于实际应用而言，方钢管混凝土柱—工字梁连接较为简单，在装饰装修方面也更加美观便捷，因此方钢管混凝土结构在各类建筑中应用更加广泛[4-6]。

其中在推广与使用方钢管混凝土的结构的过程中，限制其广泛应用到实际工程中的一个重要原因就是节点的设计，在实际工程中需要多元化的节点连接来满足人们在设计上的要求。为了快速应用与推广方钢管混凝土结构，设计师们需要努力研究处理在节点上出现的问题，因此对节点进行试验研究具有重大的现实意义[7,8]。

1 方钢管混凝土柱—工字梁的节点形式

此节点为将节点处端板与工字梁焊接，并采用穿芯螺栓将端板与钢管混凝土柱连接形成的梁柱试件。具体连接形式如图2所示。

节点的具体尺寸如表1所示。

表1 构件尺寸

2 有限元模型的建立

节点由方钢管、混凝土、工字梁、端板和螺栓等共同组合而成。模型分析单元一般分为线性单元和二次单元，在对其进行有限元的建模时，考虑到得出结果的精度方面，运用线性单元和二次单元的差别不大，但是在模型运算过程中，线性单元在计算上的效率要高于二次单元，所以本次建模选用线性单元进行模拟分析[9]。

为了研究节点的力学性能，因此在整个模型中，混凝土的划分相对较粗略，柱壁、钢梁与螺栓的划分相对混凝土较细，具体网格划分形式见图3。

模型通过选择构件的接触面或单元来实现创建构件之间的接触。在创建接触时，一般两个平面接触的情况下会选择表面与表面接触，并分为主从面，通常情况下选择定义刚度较大的部件为主接触面，刚度较小的部件为从接触面[10]。

本文模型施加三种载荷，分别为：试件自重、螺栓预紧力和柱顶加载力。

3 节点力学性能分析

3.1 节点的破坏形态

应用ABAQUS建立好有限元模拟的模型后，模仿位移加载的形式，固定左右梁的端部，对试件柱顶施加竖直向下的位移荷载，模拟得到试件的破坏形态为节点端板下排穿芯螺栓断裂，最终的破坏形态如图4所示。

3.2 节点的力学性能

方钢管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓连接节点试件在模拟的竖向静力荷载下经历了弹性阶段，塑性阶段和极限破坏三个受力阶段。

此方钢管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓连接节点试件模拟的极限荷载值达到了68 kN，承载力位移曲线整个过程比较平滑，说明试件在加载中的弹塑性阶段表现稳定，试件具有较好的力学性能(见图5)。

4 结语

使用ABAQUS有限元模拟软件对方钢管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓连接节点进行了模拟静力加载试验的有限元模拟分析，得出以下结论：

1)首先介绍了钢管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓连接节点有限元模型的主要建立过程，规定材料的本构关系，设置材料塑性损伤后，对钢管，工字梁，混凝土，端板，螺栓进行了网格划分，随后设置了边界条件和接触。

2)确定了在模型运算过程中，选取线性单元进行模拟分析。对模型按照静力加载试验中的约束条件与加载制度设置了约束及荷载，使数值模拟结果具备充分的合理性。

3)方钢管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓连接节点试件在模拟的竖向静力荷载下经历了弹性阶段，塑性阶段和极限破坏的三个受力阶段。模拟得到试件的破坏形态为节点端板下排穿芯螺栓断裂，使试件失去继续承担竖向荷载的能力。

4)ABAQUS模拟结果表明，试件承受竖向荷载极值为68 kN，试件在加载过程中的弹塑性阶段表现稳定，具有较好的力学性能。