摘要：以某钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，分析节点在复杂受力状态下的承载能力，通过分析有限元计算结果，节点满足设计要求。
关键词：有限元分析，节点承载力，ABAQUS，塑性损伤模型
引言
作为构件连接与传力的重要部分，钢结构节点受力分析是结构安全的重要保障。本文以一主展馆钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，分析节点的承载能力，并与试验结果比较，验证节点安全性。
1.有限元模型
1.1.材料本构模型
钢管桁架弦杆与钢管混凝土柱外壁为Q345钢材，采用四折线理想弹塑性本构模型，如图1[1]。
图1 钢管本构模型
钢管混凝土柱核心混凝土标号为C40，采用塑性损伤本构模型。此本构模型假定：在不大于4或5倍的极限单轴压应力的低围压条件下，混凝土为脆性材料，主要破坏机理表现为拉裂与压碎。在模拟混凝土在单向、循环及动荷载作用下的不可逆损伤破坏行为等方面，塑性损伤本构模型具有较好收敛性能[1]。混凝土単轴应力应变关系见式（1）、（2）[2]：
受压时：
（1）
受拉时：
（2）
其中，
、
或
为混凝土峰值单轴压、拉应力，
为对应峰值应变， 
为单轴全应力应变关系曲线的参数值，取值见文献[2]。参考文献：[1]、[3]，可得压缩损伤值、拉伸损伤值与非弹性应变、开裂应变的关系，其曲线如图2。
（a）压应力-非弹性应变关系 （b）损伤值-非弹性应变关系
（c）拉应力-开裂应变关系 （d）损伤值-开裂应变关系
图2 混凝土C40
1.2.模型建立
本文研究的节点为桁架的各杆件通过节点板与钢管混凝土柱连接，其杆件布置图如图3，GGKZ为钢管混凝土柱，有限元模型如图4。
图3 桁架杆件布置图
（a）整体模型及杆件编号 （b）节点板模型
图4 有限元模型
假定钢管柱范围内节点板完全嵌固在核心混凝土中，不考虑它们之间的滑移，其接触采用embedded region命令。假定核心混凝土与钢管相互作用分解为法向与切向两个方向作用：法线方向为硬接触（hard contact），切向作用采用库伦摩擦模型（coulomb friction）模拟：接触面可传递法向压力，并在切向产生摩擦力，其摩擦系数取0.6[4]，当切向力大于临界摩擦力时，接触面即发生相对滑移，结合工程实际，假定滑移为小滑移（small sliding）；当接触面法向压力为零或者负值时，两接触面分离，相应节点接触被解除。
钢管混凝土柱钢管采用壳单元，其他均采用实体单元。为了模拟试验，荷载步设为static general，采用等比例加载，最大加载荷载为设计荷载1.6倍，荷载加载分级如表1。
荷载加载分级 表1
注：1.杆件加载荷载一栏中负值表示压力，正值表示拉力。
2.总荷载的0.625为设计荷载。
2.有限元结果分析
（a）所有钢材/ MPa （b）节点板/MPa
图9 设计荷载作用下钢材Mises应力分布云图
图9、10、11、12分别为设计荷载与最大荷载作用下，钢管混凝土柱外壁、桁架钢管及节点板等钢材Mises应力分布云图。分析可知，在设计荷载作用下，节点区各杆件及连接板应力基本在295MPa以内，仅6#杆
钢管在与节点板连接处局部极小区域因应力集中Mises应力为324.9MPa（图10）；在最大荷载作用下，同样因应力集中，6#杆钢管在与节点板连接处局部极小区域Mises应力为388.5MPa（图12），节点区其它杆件及连接板Mises应力均不大于屈服应力385MPa（节点试验钢材的实测屈服强度值），仍处于弹性阶段。
3.结语
本文利用有限元软件ABAQUS对钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点在复杂受力状态下的工作性能进行分析。结果表明：在设计荷载作用下，节点各构件均处于弹性阶段，在最大荷载（1.6倍的设计荷载）作用下，节点局部极小区域Mises应力略大于屈服应力，节点整体基本处于弹性阶段；在整个受力过程中，核心混凝土只有局部有微裂纹开展现象。因此，节点设计具有较高的可靠性与安全性。
参考文献：
[1]ABAQUS Inc.ABAQUS Theory Manual[M].2006.
[2]中华人民共和国建设部.GB50010－2002混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[3]陈亚亮.钢纤维预应力混凝土扁梁框架抗震性能研究[D].福州：福州大学，2005.
[4]尧国皇，黄用军，谭伟.型钢-方钢管混凝土轴压荷载-变形关系曲线的计算[J].钢结构，2007，22（10）：20-22.
论文作者:黄磊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第12期
论文发表时间:2018/6/25
标签：节点论文; 荷载论文; 混凝土论文; 钢管论文; 应力论文; 模型论文; 桁架论文; 《基层建设》2018年第12期论文;