智海祥 王 琨 史高林 周 俊

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127； 2.江苏德惠集团，江苏 盐城 224000)



预应力对新型核心钢管混凝土节点的影响分析★

智海祥1，2王 琨1*史高林1周 俊1

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127； 2.江苏德惠集团，江苏 盐城 224000)

基于有限元软件ABAQUS，对核心钢管混凝土柱—预应力型钢混凝土梁组合框架节点进行了模拟分析，探讨了预应力对该类型节点在破坏模式与极限抗剪承载力等方面的影响，得出了一些有意义的结论。

型钢混凝土节点，预应力，核心钢管，有限元分析

节点在建筑结构中作为梁柱交汇构件，在抗震设计时要求做到强节点、弱构件，而对于钢管混凝土柱—型钢混凝土梁的节点，为了保证钢管柱的上下贯通，在节点处需将型钢梁断开，这就导致了节点处抗剪承载力的削弱。对于此问题，国内外学者分别对节点处钢管通过环板、栓钉、隔板等不同的方式进行加强，结果表明通过恰当的构造措施可以解决抗剪承载力的削弱问题，但预应力对该类型的节点的影响在国内外还鲜有研究。

1 研究概况

本文以核心钢管混凝土柱—预应力型钢混凝土梁组合框架的中间节点为研究对象，如图1所示，该类型的节点通过内置核心钢管使预应力筋从钢管两侧穿过，有效的解决了预应力筋穿过外包钢管时需在钢管开洞造成节点抗剪承载力削弱的问题。同时为了消除钢梁在节点处断开对节点抗剪承载力的影响，在钢梁断开处的钢管内焊接了内接加强环。本文通过有限元软件ABAQUS对该类型的节点在不同预应力度的条件下进行模拟分析。

1.1 试件设计

本文共设计3个试件，其中1个非预应力试件，2个预应力试件。节点柱的轴压比均取0.4。为了得到节点的抗剪承载力，预应力试件按弱节点设计。节点的编号分别为JD-1～JD-3。试件

的配筋及尺寸如图2所示，所有节点除预应力筋外配筋相同，JD-1无预应力筋，JD-2预应力筋为2-φs12.7，JD-3为2-φs15.2。

1.2 边界条件及加载方式

节点试件取梁柱反弯点之间的单元，如图3所示，模拟节点在框架中的受力，在柱端施加160 kN的轴力，并在柱端施加水平位移，最终得出试件的荷载位移曲线。

2 有限元分析

2.1 材料的本构关系

梁柱截面混凝土的划分如图4所示，保护层无约束区混凝土采用Mander模型[1]，箍筋约束区混凝土采用清华大学过镇海提出的双参数模型[2]，钢管约束区的混凝土采用清华大学韩林海[3]提出的约束模型。试件中的工字钢、钢筋、钢管均采用理想的弹塑性模型[4]，预应力筋采用三折线模型[5]。混凝土的粘性系数μ=0.000 5，膨胀角ψ=36°，流动势偏量ζ取值为0.1，初始双轴抗压的屈服强度与单轴抗压的屈服强度之比σb0/σc0取值为1.16，拉伸和压缩子午面上的第二应力不变量的比值KC取值0.666 7。

2.2 单元类型的选择

ABAQUS中的单元库对于不同类型的问题提供了不同的单元，对于本文中的混凝土采用二次缩减积分单元当中的实体单元C3D20R来进行模拟，钢筋、预应力筋用杆单元T3D3进行模拟，型

钢及钢管采用壳单元S4R来进行模拟。

2.3 有限元模型的建立

三个试件按设计尺寸建模，图5为节点各部件的几何模型。工字钢与钢管组成一个整体并与钢筋笼一起通过嵌入约束于混凝土中，梁端和柱底按图3所示的边界条件添加刚性垫块后进行铰接。预应力度通过降温法施加，不同的预应力度下降不同的温度。

2.4 分析结果

在有限元计算软件ABAQUS中等效塑性应变(PEEQ)定义为正加载过程中的塑性应变的累积。由于是单调加载，加载过程中未出现卸载，因此其可以看作是加载时任意时刻的塑性应变，当其数值大于0时既可以看作该材料已经屈服。极限荷载时的等效塑性应变云图如图6所示，从图6中我们可以看出以下几点：1)增加预应力度会扩大核心区混凝土、核心区钢管及核心区箍筋的屈服区域。2)若以钢筋及型钢的屈服作为构件的屈服标志，则非预应力试件JD-1发生了梁端破坏为主的破坏模式，而预应力试件JD-2，JD-3均发生了梁端屈服、核心区剪切破坏的模式。

各试件的荷载位移曲线见图7，从图7中看出，随着预应力度增大，构件的承载力也增大，即预应力可以提高此类节点的抗剪承载力。

3 结语

本文通过采用有限元分析软件ABAQUS对预应力型钢混凝土梁—钢管混凝土核心柱组合框架节点进行模拟分析，根据所得结果，可以得出以下结论：1)通过预应力和非预应力试件的模拟结果对比，可以发现由于预应力提高了梁的承载力，进而可以改变节点核心区的破坏模式。2)在不同的预应力度条件下，节点的极限承载力随着预应力度的增大而增大。基于以上模拟分析的结果，本课题组将在结构实验室进行进一步的实验验证。

[1] J.B.Mander,M.J.N.Priestley,R.Park.Theoretical stress-strain model for confined concrete[J].J.Struct.Eng.ASCE,1988(114):1804-1826.

[2] GB 50010—2002，混凝土结构设计规范[S].

[3] 韩林海.钢管混凝土结构——理论与实践[M].北京:科学出版社，2004.

[4] J.Bauschinger. Variations in the Elastic Limit of Iron and Steel[J]. Journal of Iron and Steel Inst，1887(1):442-444.

[5] 张昊宇,郑文忠.1860级低松弛钢绞线高温下力学性能[J].哈尔滨工业大学学报，2007,39(6):861-865.

Analysis of the influence of prestress on core steel tube concrete joints★

Zhi Haixiang1,2Wang Kun1*Shi Gaolin1Zhou Jun1

(1.CollegeofArchitecturalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China;2.JiangsuDehuiGroup,Yancheng224000,China)

Based on the finite element software ABAQUS, the paper undertakes the simulation analysis of the central steel tube concrete column-prestressed steel concrete beam combination joints, explores the influence of the prestress on the joints in the aspects of the damage model and ultimate shear-resistant capacity, and achieves meaningful conclusions.

steel concrete joint, prestress, central steel tube, finite element analysis

2016-11-15 ★：江苏省自然科学基金青年项目(BK20140489)；住房和城乡建设部科学技术计划项目(2014-K2-035)；国家自然科学基金项目(51508495)

智海祥(1990- )，男，在读硕士； 史高林(1990- )，男，在读硕士； 周 俊(1989- )，男，在读硕士

王 琨(1982- )，男，博士，硕士生导师，副教授

1009-6825(2017)04-0039-02

TU311

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