钢管混凝土框架穿心节点连续倒塌数值模拟

王　来,杨红燕，陈海涛

(1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室, 山东青岛266590;2.山东科技大学土木工程与建筑学院， 山东青岛266590)



钢管混凝土框架穿心节点连续倒塌数值模拟

王来1,2,杨红燕1,2，陈海涛1,2

(1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室, 山东青岛266590;2.山东科技大学土木工程与建筑学院， 山东青岛266590)

摘要：为了研究穿心节点形式对钢管混凝土柱—钢梁连续倒塌的影响及不同参数下的力学性能，利用ANSYS有限元软件，采用非线性静力方法对2层2跨的穿心节点平面钢管混凝土框架进行抗连续倒塌性能研究，主要研究在中柱失效后框架的剩余结构在内力重分布过程中的受力特性、传力机制，并着重分析不同的节点连接形式对平面框架抗连续倒塌性能的作用，探讨了钢梁截面高度等重要参数对关键柱破坏后框架抗连续倒塌性能的影响。结果表明，穿心节点平面框架的抗拉性能优于不穿心节点平面框架的，在结构体系中能更充分发挥“悬索作用”阶段结构体系的性能；增大框架钢梁截面高度能显著提高结构在过渡阶段和悬索阶段的性能。

关键词：结构工程；钢管混凝土框架；穿心节点；连续倒塌；悬索作用

当结构的某一部位发生局部破坏时，这种破坏将向外扩展，造成相邻构件的连续破坏，最终造成与初始局部破坏不相当的大面积破坏或整体性破坏，这就是结构的连续倒塌[1-5]。当结构中的竖向承重构件发生破坏，结构将通过失效柱上方的节点和梁组成新的传力路径，将本该通过失效柱向下传递的上方荷载横向传递给相邻构件，或直接由节点和梁组成的“悬索作用”来承担荷载。

在抗倒塌设计中,要想将上部荷载安全的传递给相邻构件，充分发挥悬链线效应，则应采用变形能力好、传力好的节点。为竖向承重构件发生破坏之后提供新的荷载传递路径是结构抗倒塌设计中很重要的方面。所以，在结构抗连续倒塌设计中节点的设计将起着非常重要的作用。倒塌过程中节点承受拉力作用和弯矩作用，而在倒塌前节点只承受弯矩作用，拉力会影响节点抗弯性能。以往抗连续倒塌研究大多侧重于框架的整体研究，而节点性能研究则通常采用简化的边界条件，对于在弯矩和拉力共同作用下节点的研究较少。本文主要利用有限元软件ANSYS，结合已有的理论分析和实验研究成果,进行了对钢管混凝土柱—钢梁穿心节点平面框架连续倒塌过程进行数值模拟。

1穿心节点的构造机理与计算模型

1.1穿心节点

目前钢管混凝土节点类型主要有加强环式、承重销式、穿心钢板式、肋板式、钢筋环绕式、钢筋混凝土环梁式[6]。钢管混凝土柱—钢梁穿心节点即钢梁的腹板穿过钢管壁及钢管内混凝土，翼缘与钢管壁连接(焊接)。其构造图见图1。

图1穿心节点构造图

Fig.1Peg node configuration diagram

图2　平面框架简图Fig.2　Plane frame sketch

1.2计算模型

设计一榀2跨2层的穿心钢管混凝土平面框架，其层高为3 m，梁跨6 m。钢管柱为方钢管，内填混凝土，梁为工字型钢梁。2层2跨的穿心节点平面钢管混凝土框架如图2所示，其截面尺寸见表1，材性指标见表2。

表1　截面尺寸

表2　材性指标

1.3抗连续性倒塌分析方法的选择

采用非线性动力分析能够很好模拟倒塌过程中剩余结构的受力变化，但在分析过程中动力因素对结构的干扰异常敏感，因此，结构的传力机制并不是很明确，这使得分析中浪费较多的人力物力资源，在实际应用中具有很大的局限性。本文利用ANSYS单元生死功能，杀死框架中柱，达到初始破坏的目的，根据规范采用非线性静力分析,查看剩余结构抗连续性倒塌的情况。

1.4抗连续性倒塌分析理论基础

在正常使用状态下，柱的上方节点承受负弯矩作用，柱在倒塌过程中，梁中拉结力产生，倒塌柱的节点处有拉力作用和弯矩作用，如图3所示。拉力将会对节点的承载力及变形能力等产生很大的影响作用。所以，结构抗连续倒塌设计中节点的设计是一个非常重要的因素。

在中柱倒塌后，梁端塑性铰提供框架梁的极限承载力，发生在小变形阶段，称为“梁机制”，如图4(a)所示；随着变形的逐步扩大，梁端塑性铰无承载力，梁内腹板轴向极限拉力的竖向分力提供框架梁的极限承载力，称为“悬索机制”如图4(b)所示。

图3　悬索阶段

2节点力学性能有限元分析过程

2.1有限元模型的建立

利用有限元软件ANSYS，采用实体建模的方法，建立1榀2层2跨的穿心节点平面钢管混凝土框架及不穿心节点平面钢管混凝土框架有限元模型，整体模型如图5(a)所示，节点大样图如图5(b)所示。

图5有限元模型

Fig.5Finite element model

2.2前处理

2.2.1钢管混凝土的本构关系

利用ANSYS有限元所建立的模型能否与实际相符，主要依赖于所采用的本构关系是否合理。由于混凝土与钢管共同作用，对于核心混凝土受压行为，采用韩林海教授[7]所建议的，其本构模型如图6所示。

约束系数§为:

(1)

式中，As为钢材和混凝土的截面面积；Ac为核心混凝的截面面积；fy为钢材屈服极限强度；fck为混凝土抗压强度标准值。

核心混凝土应力—应变关系式如式(2)，式(3)所示，即:

y=2x-x2,x≤1,

(2)

(3)

其中：

(4)

εcc=1300+12.5fc，

(5)

(6)

η=1.6+1.5/x，

(7)

(8)

核心混凝土泊松比的计算公式为:

(9)

钢材采用了弹塑性阶段与强化阶段都简化为直线的双线性随动强化模型，钢材弹性模量Es是强化阶段的强化量Ec的100倍，如图7所示，屈服时满足Von-Mises屈服准则。

图6混凝土本构关系

Fig.6Concrete constitutive relationship

图7钢材本构关系

Fig.7Constitutive relation of steel

2.2.2单元选取

2.2.3边界加载

相应的边界约束条件:柱顶(加载处)钢管约束X，Z方向平动，混凝土不作约束；柱底X，Y，Z方向平动均作约束，在柱顶施加轴压荷载[9],采用单元生死功能杀死底层中柱，如图8所示。

2.2.4求解

方程求解时采用直接求解法。在非线性求解过程中采用以下几个措施来增强求解的收敛性:使用牛顿—拉普森平衡迭代法则[10]控制非线性迭代误差在某个容许的范围内，确定以力为基础的收敛准则[10]，控制最大的平衡迭代次数为25，容许误差在2%以内，选中自动时间步长及线性搜索选项。

2.3后处理

完成以上步骤后，先设定ANSYS中的求解控制，打开大变形开关选项，对单元进行加载求解[5]。求解结束后在POST1可以显示出中柱节点倒塌前后的变形，如图9所示，也可用矢量、“云图”或者列表显示任何一个时间步的位移、应力、应变等。

图8加载图

Fig.8Load figure

图9平面框架变形图

Fig.9Plane frame deformation maps

3单调加载的非线性有限元分析

3.1节点连接形式对结构抗连续倒塌性能的对比分析

图10所示为采用不穿心节点连接的框架(KJ-B)与采用穿心节点连接的框架(KJ-A)的荷载—位移曲线有限元对比结果。可以看出，两个框架在中柱失效后均经历了5个受力阶段，采用穿心节点连接的框架的承载力和初始刚度与不穿心节点连接框架的基本相同，采用穿心节点连接的框架在相应的弹塑性阶段也展现出更明显的非线性，但KJ-A的变形能力要好于KJ-B，其峰值承载力和塑性承载力对应的位移都要大于试件KJ-B，同时试件KJ-A的过渡阶段较短，结构将较快进入悬索阶段，对于内力重分布和承担更大的荷载十分有利，两个试件在悬索阶段的荷载—位移均呈现线性关系。

一开始，在线性阶段，穿心节点曲线和无穿心节点曲线基本重合，且基本上同时出现了“拐点”，也就是屈服点；结构进入塑性承载力后，KJ-A的刚度开始逐渐缓慢降低，结构逐步进入塑性阶段，而KJ-B的刚度降低较快，结构迅速进入塑性阶段；在塑性阶段，随着位移的增加，结构的承载力逐渐加大，在穿心节点结构位移达到 250 mm 左右时，荷载则出现明显增长，结构进入悬索阶段；而不穿心节点在位移300 mm左右时，荷载才出现明显的增长。在悬索阶段，竖向荷载和位移基本呈线性关系。本文建立的有限元模型可以模拟钢管混凝土柱—钢梁穿心节点的框架在中柱失效后抗连续倒塌性能，尤其对于在结构抗连续倒塌过程中起到重要作用的“悬索作用”可以进行有效的模拟[11]。弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段、过渡阶段及悬索阶段是中柱在倒塌过程中5个明显的受力阶段，如图11所示。结构在5个阶段中主要通过梁机制和悬索机制进行承载，如图11所示。

图10连接形式对框架性能的影响

Fig.10Effect of Connections on the frame properties

图11中柱失效后结构连续倒塌过程

Fig.11After the collapse of the continuous

process of structural failure column

在节点处塑性铰形成前(OA阶段和AB阶段)，结构通过受弯机制承载，节点基本只承载弯矩的作用，如图12(a)所示；当结构进入塑性阶段BC后，节点达到其塑性抗弯承载力，并在一定范围内不再发生变化，塑性铰在梁端形成，如图12(b)所示；此阶段结束后，结构将进入过渡阶段，承载机制由塑性铰机制逐渐转换到悬索机制，梁中拉力开始产生，拉力对节点的受力性能产生影响，当结构转化为悬索机制，如图12(c)所示，结构进入悬索阶段，竖向荷载通过梁中拉力的竖向分力来承担，此时节点已经受拉屈服，理论上节点的塑性抗拉承载力不再变化，但由于材料强度存在强化，之后随着竖向位移的增加，节点的抗拉承载力会继续增长。 通常，对于节点的设计更注重其在正常使用荷载下的刚度、延性和抗弯塑性承载力。通过以上分析可知，在抗倒塌设计中，应同时对节点的抗拉塑性承载力进行设计，对节点在弯矩和拉力共同作用下的性能进行研究分析，以保证其在塑性铰机制向抗拉机制转化过程中的稳定性和可靠性，抗倒塌设计对节点的转动能力和延性有更高的要求。

(c) 悬索承载机制

3.2参数分析

当中柱失效后，节点首先通过抗弯机制进行承载，因此，与穿心节点抗弯性能有关的参数在这个阶段起到重要作用，柱上方的节点主要通过塑性铰机制和悬索机制来承担荷载。为此,选取影响节点力学性能的钢梁截面高度、混凝土强度、柱截面高度等进行分析，以研究不同参数下穿心节点在抗连续倒塌体系中的力学性能。

3.2.1钢梁截面高度对穿心节点抗连续倒塌的影响

选取截面高度为200 mm、250 mm、300 mm的钢梁进行分析，以研究钢梁高度对于穿心梁平面钢框架抗连续倒塌性能的影响。图13为不同钢梁截面高度下框架中节点处的竖向荷载—位移曲线。可以看到，钢梁高度对于结构性能的影响十分明显，随着钢梁高度的增加，结构的初始刚度和各阶段的承载力均有明显的提高，可见钢梁高度的提高对于结构的抗倒塌性能十分有利。单纯通过增加钢梁高度来改善结构的抗倒塌性能虽然在结构设计上可行且效果明显，但增加钢梁高度既影响建筑的使用空间，并会明显增加建筑造价，因此，应适当结合其他方法进行结构抗倒塌设计。

3.2.2混凝土强度对穿心节点抗连续倒塌的影响

混凝土作为钢管混凝土的重要的组成部分，其对钢管混凝土节点的抗弯承载力和刚度均有较大的影响(相对于纯钢节点)。图14为不同混凝土强度下框架中节点处的竖向荷载—位移曲线。由图14可知，在塑性铰机制承载阶段，混凝土强度增大，节点的初始刚度及塑性承载力增加；当塑性铰机制完全形成后，结构开始向悬索机制过渡，此时采用不同强度的混凝土的节点性能开始趋于相同，3条曲线有相互靠近的趋势；混凝土对于结构性能的影响不是很明显，可见混凝土强度的提高对于结构的抗倒塌性能作用不明显。

3.2.3柱截面高度对穿心节点抗连续倒塌的影响

当节点在荷载下产生较大变形时，节点主要通过与失效柱相连梁的悬索作用来承担荷载，节点两侧的水平拉结刚度则会对悬索作用的形成和发展产生重要影响。在实际结构中，影响水平拉结刚度的因素很多，如结构的基础形式、支撑形式、节点形式和梁柱刚度比等。在本次模拟中选取了柱截面高度这个因素，柱截面高度越大，其强轴方向惯性矩也越大，进而可以提供更强的水平拉结刚度。选取柱截面高度为300 mm、350 mm和400 mm的钢管混凝土柱进行分析，其余尺寸不变，以研究柱截面高度对于穿心节点梁平面钢框架抗连续倒塌性能的影响。

图13梁高度对穿心节点抗连续倒塌的影响

Fig.13Beam height of the mandrel node effects

of anti-progressive collapse

图14混凝土强度对穿心节点抗连续倒塌的影响

Fig.14Concrete strength to resist progressive

collapse mandrel node impact

图15　柱横截面高度对穿心节点抗连续倒塌的影响Fig.15　Column cross-section height of the mandrelnode effects of anti-progressive collapse

图15为不同柱截面高度下框架中节点处的竖向荷载—位移曲线，设柱高为350 mm时，水平拉结刚度为K，则300 mm和400 mm的截面高度可提供的水平约束刚度约为0.5 K、和2 K。可以看到，柱不同截面高度提供的水平拉结刚度在竖向位移达到160 mm，即塑性铰阶段结束前对结构影响不明显，当结构进入过渡阶段，梁中开始产生悬索作用时，柱截面高度的影响才开始显现。随着柱截面高度的增加，结构的承载力明显增加，也意味着在相同荷载作用下结构的变形将会明显减小，这对于结构的抗倒塌性能是十分有利的。

4结语

①平面钢框架中柱倒塌过程中，破坏过程经历了弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段、过渡阶段和悬索阶段。结构的悬索受力机制能显著提高结构的抗倒塌能力。

②面钢管混凝土框架具有良好的抗倒塌性能，可以有效地对柱失效带来的附加荷载进行重新分配。同时，节点的连接方式影响结构体系的抗连续倒塌性能，穿心节点和不穿心节点均具有良好的转动能力，满足抗倒塌结构体系中“悬索作用”阶段对节点转动能力的需求。相对来说，穿心节点的抗拉性能优于不穿心节点，在结构体系中能更充分发挥“悬索作用”阶段结构体系的性能。

③增大框架钢梁截面高度能显著提高结构在过渡阶段和悬索阶段的性能；柱的截面高度的增大可明显改善结构的抗倒塌性能；混凝土强度的提高对抗倒塌的影响不是很明显。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Numerical simulation of progressive collapse of concrete-filled steel tube frame with continuous web plate joint

WANG Lai1,2, YANG Hong-yan1,2,CHEN Hai-tao1,2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and

Mitigation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China;

2.Shandong University of Science and Technology,College of Civil Engineering and

Architecture,Qingdao 266590, China)

Abstract:In order to study the influence of continuous web plate joints on the progressive collapse of concrete-filled steel tube (CFST) column and its mechanical properties under different parameters, a nonlinear static analysis with ANSYS finite element software was carried out on a 2-span-2-layer continuous web plate joint plane across a CFST frame. The research focused on the mechanical characteristics and the transfer mechanism of the remaining structure of the frame in the redistribution of internal forces and analyzed the effects of different forms of connection nodes on the progressive collapse of plane frame. The influence of girder section height and other important parameters on frame performance after the destruction of a key pillar in the progressive collapse was explored. The results show that plane frame with continuous web plate joint has better tensile properties, and that increasing steel beam height can significantly improve the structure performance during the transition phase and suspension stage.

Key words:structure engineering; concrete-filled steel tube (CFST); continuous web plate joint; progressive collapse; cable role

中图分类号：TU398.9

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0044-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0044

通讯作者：王来(1963—)，男，山西大同人，山东科技大学教授，博士生导师，工学博士；E-mail:wlkdtjxy@sina.com。

基金项目：国家自然科学基金面上项目(51178259)

收稿日期：2015-06-10；

修订日期：2015-12-02

引文格式：王来，杨红燕，陈海涛.钢管混凝土框架穿心节点连续倒塌数值模拟[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：44-52.