基于新型方钢管混凝土柱－钢梁节点的静力性能研究

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分类号：TU398密级：公开UDC：单位代码：10424学位论文新型方钢管混凝土柱－钢梁节点的静力性能研究高峰申请学位级别：硕士学位专业名称：岩土工程指导教师姓名：王来职称：教授山东科技大学二零零六年五月 论文题目：新型方钢管混凝土柱－钢梁节点的静力性能研究作者姓名：高峰入学时间：2003年9月专业名称：岩土工程研究方向：结构理论及应用指导教师：王来职称：教授论文提交日期：2006年5月论文答辩日期：2006年6月授予学位日期： STATICPERFORMANCESTUDYONANEWCONNECTIONBETWEENCONCRETEFILLEDRECTANGULARSTEELTUBECOLUMNANDSTEELBEAMADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeofMASTEROFPHILOSOPHYfromShandongUniversityofScienceandTechnologybyGaoFengSupervisorProfessor:WangLaiCollegeofCivilEngineeringandArchitectureMay2006 声明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：日期：AFFIRMATIONIdeclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofEngineeringinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.Signature:Date: 山东科技大学硕士学位论文目录目录1绪论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11.1研究背景和研究意义∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11.2方钢管混凝土节点研究现状∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.3方钢管混凝土节点主要形式∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙51.4方钢管混凝土节点研究存在的问题∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙71.5本文的研究内容∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙82方钢管混凝土外隔板节点的试验研究∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙92.1试验概述∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙92.2试验方案∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙102.3试验结果及分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙122.4本章小结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙153方钢管混凝土节点静力性能研究∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.1新型外隔板节点简介∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.2新型外隔板节点的抗弯承载力分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.3新型外隔板节点的抗剪承载力分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙203.4本章小结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙234方钢管混凝土节点有限元基本理论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙244.1有限元理论概述∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙244.2弹性力学基本方程与变分原理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙254.3有限元基本理论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙274.4钢材与混凝土弹塑性本构模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙304.5非线性问题解法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙434.6本章小结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙485方钢管混凝土节点非线性有限元分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙495.1ANSYS简介∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙495.2方钢管混凝土节点ANSYS有限元模型∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙51V 山东科技大学硕士学位论文目录5.3荷载施加与求解器选择∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙575.4收敛准则与荷载子步数确定∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙605.5节点非线性有限元分析∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙625.6本章小结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙676节点的设计建议及结论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙686.1节点的设计建议∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙686.2结论∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙70主要参考文献∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙72致谢∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙76攻读硕士期间的主要成果∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙77VI 山东科技大学硕士学位论文目录Contents1Introduction∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11.1ResearchBackgroundandMeaning∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙11.2ResearchSituationofCFSTConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.3MainFormofCFSTConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙51.4ResearchProblemofCFSTConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙71.5Contentsofthisdissertation∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙82ExperimentalResearchonStaticBehaviorofConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙92.1BriefIntroductionofExperimentalResearch∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙92.2ProjectofExperimentalResearch∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙102.3ResultandAnalysisofExperimentalResearch∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙122.4Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙153StaticPerformanceResearchofConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.1IntroduceofExteriorDiaphragmConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.2AnalysisonFlexuralCapacityofNewConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙163.3AnalysisonShearCapacityofNewConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙203.4Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙234BasicFiniteElementTheoryonCFSTConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙244.1OverviewofFiniteElementTheory∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙244.2BasicEquationandVariationTheoryinElasticMechanics∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙254.3TheoryofFiniteElementMethod∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙274.4ElasticandPlasticConstitutiveModelofSteelandConcrete∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙304.5SolutionofNonlinearProblem∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙434.6Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙485NonlinearFEMAnalysisofCFSTConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙495.1IntroductionofANSYS∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙495.2FEMModelofCFSTConnectioninANSYS8.0∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙515.3SingleLoadingandSolutionSelecting∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙57VII 山东科技大学硕士学位论文目录5.4ConvergenceCriterionandSubstepNumber∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙605.5NonlinearFEMAnalysisofConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙625.6Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙676DesigningSuggestionofNewConnectionandConclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙686.1DesigningSuggestionofNewConnection∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙686.2Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙70References∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙72Thanks∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙76WorkingAchievements∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙77VIII 山东科技大学硕士学位论文绪论1绪论1.1研究背景和研究意义人类建筑史上主要的结构形式有四类：砖石结构、木结构、钢筋混凝土结构和钢结构等。伴随着科技的进步，又出现了一种新型的结构形式:钢混凝土组合结构。按照组合方式的不同又分为：钢管混凝土结构、钢混凝土组合梁（板）和劲性钢筋混凝土结构等。这种结构形式充分发挥了钢材和混凝土两种材料的长处，具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、工期短及大大节约建筑材料等优点[1]。钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而成的一种新型结构形式，它是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋基础上演变和发展起来，钢管混凝土充分利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组合作用，在受压构件中由于钢管对混凝土的紧箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而核心混凝土抗压强度大幅提高，且由脆性材料转为塑性材料，并且由于内部混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，避免或延缓了钢管发生局部屈曲，从而使钢管混凝土具有良好的塑性和韧性，较高的承载力。与混凝土结构相比强度高、质量轻、塑性好、耐疲劳、耐冲击等优越力学性能，在施工工艺方面也有其独特优点：钢管本身兼作钢筋和耐侧压膜板，可以省去钢筋骨架制作和支模、拆模等工作。因而具有节约原材料，施工方便快捷，大大缩短工期，能够取得显著经济效益等优点。理论分析和工程实践表明，与钢结构相比，在保持自重相近、承载力相同的条件下，钢管混凝土结构可节省钢材50%左右；与普通钢筋混凝土柱相比，在保持钢材用量相近和承载力相同的条件下，构件的横截面积可减小约一半，从而建筑的有效面积得以加大，混凝土和水泥用量及构件自重减少50%。其优点还有：钢管混凝土耐火性能强于钢结构；耐冲击能力高于钢结构和钢筋混凝土结构；阻尼比介于钢结构和钢筋混凝土之间，在高层建筑有较为优越的动力性能，减轻风摆，增加住户舒适度[2]。钢管混凝土按截面形式主要分为圆钢管混凝土、矩形钢管混凝土、方钢管混凝土、多边形钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土等。常见的钢管混凝土截面形式如图1.1所示。按材料的组成分为普通钢管混凝土（核心混凝土的强度等级为C50以下的素混凝土，外包普通钢管）、薄壁钢管混凝土（普通素混凝土外包薄壁钢管）、高强钢管混凝土（高性能混凝土外包钢管）、增强钢管混凝土（钢管内填配筋混凝土或含有型钢的混凝土）、离心钢管混凝土（钢管内用离心法填充一层厚度为20～50mm的C40强度等级以上的混1 山东科技大学硕士学位论文绪论（a）圆形（b）方形（c）矩形图1.1常见的钢管混凝土截面形式Fig1.1CommonSectionTypeofConcretefilledSteelTube凝土，而形成的空心钢管混凝土）等。随着高强度混凝土材料和泵灌混凝土工艺的出现，钢管混凝土不断的扩展应用范围，由常见的厂房柱、构架柱、多层和高层建筑柱，拓展到公路铁路拱桥、斜拉桥桥面纵梁、水坝拱形闸门、空间网架受压主弦杆等。钢管混凝土受力形式也由普通受压构件、受弯构件、受扭和受剪构件，扩展到预应力轴心受压杆和预应力梁[2]。在过去的几十年，国内外研究者们对钢管混凝土构件在各种荷载，如压、弯、剪、及其组合作用下的力学性能及钢管混凝土的构件的动力性能进行了大量的理论分析和试验研究，取得了丰硕的研究成果。世界上一些国家也制定出了自已的设计规程，主要有欧洲EC4（1996），德国DIN18800（1997），美国ACI（1999），SSLC（1979），AISCLRFD（1999），日本AIJ（1980，1997）等[3]。我国研究的领域主要集中在钢管内浇注素混凝土的内填型钢管混凝土结构。20世纪60年代中后期，钢管混凝土开始在厂房柱和地铁工程中采用。进入70年代后，这类结构在电力、冶金、造船等行业的单层或多层工业厂房、设备构架柱、支架柱、桁架压杆、送变电塔杆中得到广泛的应用。1978年，钢管混凝土结构被正式列入国家科学发展规划，进入80年代后，我国在这一领域的研究工作进一步深入，工程应用范围进一步推广，对于钢管混凝土结构的工作性能研究日趋深入。到目前，我国已颁布的钢管混凝土规程主要有：JCJ0189《钢管混凝土结构设计与施工规程》、中国工程建设标准化协会CECS28：90《钢管混凝土结构设计规程（圆形钢管）》、国家经贸委DL5085/T1999《钢混凝土组合结构设计规程》、解放军总后勤部军用标准《战时军港抢修早强型组合结构技术规程（2001）》、福建省地方标准2 山东科技大学硕士学位论文绪论《钢管混凝土技术规程》DBJ13512003、《矩形钢管混凝土结构技术规程》（2004）等[4]。我国的研究人员对圆形截面钢管混凝土结构的力学性能等方面作了深入的研究，理论比较成熟和完善，并且制定了专门的设计规程，圆钢管混凝土结构已广泛应用于地下结构工程、交通运输工程和高层建筑工程中。随着对钢管混凝土结构研究的不断深入、理论的日趋成熟，人们从工程实际出发，不再仅局限于圆钢管混凝土，逐渐向其它截面形式的钢管混凝土方向拓展，方钢管混凝土结构便是一种主要形式。方钢管混凝土应用范围日益广泛，其理论研究和工程实践受到国内外业界的普遍重视。目前在欧美、日本、澳大利亚等国得到较为广泛的应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。而我国对方钢管混凝土的研究起步较晚，研究成果较少，目前还没有专门的国家标准，在这方面有待进一步的研究和完善[2]。1.2方钢管混凝土节点研究现状方钢管混凝土结构由方形截面钢管中填充混凝土形成。这种结构具有钢管混凝土结构的共同优点—良好的韧性和塑性，更为重要的是，方钢管混凝土结构不仅具有的美观外形，而且其构件之间的相贯线在同一平面内，其梁柱节点形式简单，工作量小，施工方便；工期短、工程造价低。特别是在桁架结构中，这种节点优势体现得更加明显；与圆形截面钢管混凝土受压构件相比较，方形钢管混凝土受压构件截面的惯性矩较大，其稳定性能好。因此，对于稳定性能较差的中长柱，矩形截面钢管混凝土受压构件优于圆形截面钢管混凝土受压构件。并且方钢管混凝土构件还可以选用价格便宜的平板形式的防火板材焊接而成,从而简化防火措施，节省防火造价。此外，方钢管混凝土整体工作性能良好，具有良好的抗震性能和延性性能[6~8]。在工程中应用较多的钢管混凝柱，它通过各种形式的节点与钢筋混凝土梁、钢—混凝土组合梁、钢梁等结构连成一个整体，承受正常使用情况下各种荷载。因此节点是框架结构设计中的关键部位，要求有足够的强度和刚度，能够传递和协调被连接杆件的内力和变形，其破坏必须晚于被连接的杆件，也就是满足“强柱、弱梁、节点更强”的原则。如果节点不能提供杆端所需的约束力，结构的性能发生改变，从而不能保证计算模型的正确性，导致结构的极限强度不同于设计值，直接影响到结构的安全性。因此，钢管混凝土结构节点受到研究和设计人员的重视。3 山东科技大学硕士学位论文绪论美国北岭地震（1994年）和日本阪神地震（1995年）造成大量焊接钢框架梁柱节点的破坏。震后各国学者做了大量静动力试验，以探讨各种形式节点的工作性能和破坏形态。目前，国内外在节点方面的研究主要有：吕西林、余勇等通过带内隔板的十字型连接节点拉伸试验，研究方钢管混凝土柱与钢梁连接的结构性能，分析了连接区域的应力传递机机制，并基于屈服线理论，提出了连接的承载力方程[9]。吕西林等对带内隔板方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的设计方法进行了研究，并提出了构造设计建议，主要包括四点：一是当钢梁上下翼缘与柱直接焊接时，应采用全焊透坡口焊缝，并在钢梁上下翼缘底面设置焊接衬板，在抗震设计时，下翼缘焊接衬板在翼缘施焊完毕后，应在衬板底面全长与柱焊接，或将衬板割除；二是为防止内隔板在管内未灌混凝土时出现失稳破坏，钢管内隔板的厚度应满足现行规范中板件宽度比限值；三是钢管内隔板应设置混凝土浇筑孔，其孔径应不小于200mm，内隔板四角应高透气孔，以保证节点处混凝土的浇筑质量，其孔径为25mm，透气孔一方面要起到足够的透气效果，另一方面应使内隔板在屈服状态时能满足简单传力机制；四是根据构造和运输要求，框架柱可按多个楼层下料分段制作，为了避开柱的最大弯矩部位，分段接头位置宜在楼面以上1.0~1.3m处[10]。向黎明、吕西林研究了轴力对节点抗震性能的影响，得出了轴力使节点抗震性能降低的结论[11][12]。湖南大学的樊海涛采用有限单元法分析了T型矩形钢管混凝土受压节点，得出了节点的荷载—位移曲线以及变形规律，分析了钢材强度、腹杆宽度的比值对节点极限承载力和初始刚度的影响[13]。陈志华、姜忻良等对方钢管混凝土柱内隔板节点的连接承载力进行了实验研究，提出了一种新型刚接节点，对其传力机理和承载力进行了研究，得到内隔板节点抗拉承载力，验证了假想的屈服机制[14]。Kim对较大尺寸（500*500*12）的方钢管混凝土柱—H型钢梁带T型外加劲件节点的滞回性能进行了试验研究，其T型加劲件是由水平和竖向组件焊接而成，试验结果表明，实测的滞回曲线饱满。试件有三种破坏形态，即水平组件抗剪破坏、竖向组件抗拉破坏和钢梁屈曲破坏。其中钢梁屈曲应是合适的破坏模态，因为在这种情况下，可在梁端形成塑性铰，提高节点变形能力和耗能能力。Koester等对钢管混凝土柱—穿心螺栓T4 山东科技大学硕士学位论文绪论型分离板焊接节点在反复荷载作用下的力学性能进行了研究。主要考察核心区约束混凝土传递节点剪力的能力，提出了节点抗剪承载力的计算公式[15]。吕西林和李学平进行了方钢管混凝土柱外置式环梁节点在竖向恒载和侧向低周反复荷载共同作用下的试验研究，结果表明，试件的破坏表现为梁端出现塑性铰，整个试件具有较好的承载力、延性和耗能能力[16]。Kang等对H型钢梁与方钢管混凝土柱的连接节点进行了试验研究和有限元分析，采用的是冷弯成型钢管，试件采用T形外加劲板型节点，并用穿心钢筋或弯起钢板和梁翼缘板连接进行加强。Kang的试验结果表明,在往复荷载作用下，外加T型加劲板有利于提高节点的极限弯矩及刚度，穿心的钢筋或弯起钢板则仅对刚度有所贡献；在单调荷载作用下，穿心的钢筋或弯起钢板对极限强度和刚度都有所贡献。研究结果还表明，T型外加劲板的设置可改变节点的破坏模态，即由钢管壁角部发生弯曲屈服变为受拉屈服破坏模态[17]。1.3方钢管混凝土节点主要形式目前存在的方钢管混凝土柱-钢梁节点结构和构造形式多样，性能各异。根据节点刚度性能的不同，可分为刚性节点、半刚性节点和铰接点；按连接部位与构造，可分为钢管混凝土柱节点与楼盖结构的连接节点、与钢筋混凝土基础的连接节点、与钢筋混凝土柱的连接节点和钢管混凝土柱自身接长；根据节点加工工艺和连接方法的不同，节点分为全焊连接、螺栓连接和栓焊混合连接等[11]。按照节点刚度分类介绍节点的具体形式：1.3.1铰接节点方钢管凝土柱钢梁铰接连接是指节点在外力作用下，梁与柱轴线夹角的改变量将达到理想铰接（自由转动连接）转角的80%以上。该节点构造简单、施工方便，只能传递较小的弯矩，主要用于传递梁端剪力。一般通过将梁的腹板与焊在柱上的连接件用高强螺栓连接（图1.2），若梁端剪力较大，可在柱上增设牛腿。5 山东科技大学硕士学位论文绪论图1.2方钢管混凝土梁柱螺栓铰接节点Fig1.2BoltedConnectionbetweensteelbeamandcolumn1.3.2半刚性节点半刚性连接是指节点在外力作用下，梁与柱轴线夹角改变量介于铰接连接和刚性连接之间的连接。半刚性节点不仅能够传递剪力，还能传递部分弯矩。图1.3为长螺栓式节点，即钢梁通过焊接端板或T型钢，用贯通柱子的长高强度螺栓与柱连接，待管内混凝土达到一定强度后，螺栓杆施加预应力。图1.3方钢管混凝土梁柱穿心螺栓T板节点Fig1.3ConnectionbetweenbeamandcolumnwithpiercingboltandTtypediaphragms1.3.3刚性节点方钢管混凝土柱钢梁刚性连接是指节点在外力作用下，对转动约束能达到理想刚接（梁柱夹角保持不变的连接）的90%以上。该型节点既能传递剪力，又能传递全部弯矩。已经用于工程实践的两种节点形式。（1）内隔板节点：钢管混凝土柱内设内隔板（与钢梁翼缘在同一水平面内），钢梁翼缘直接与钢管柱壁焊接或者与焊在柱壁上的外伸悬臂段焊接（如图1.4），钢梁腹板通过焊在柱壁上的连接板与钢管柱螺栓连接。梁翼缘与内隔板在柱壁同一处两侧施焊，钢材经历两次热加工，产生较大焊接残余变形，使得节点处钢材容易分层，甚至脆性破6 山东科技大学硕士学位论文绪论坏。此外，管径较小时焊接困难、质量不易保证，并且妨碍管内混凝土浇筑，因此，一般用于直径较大的钢管混凝土柱。图1.4方钢管混凝土梁柱内隔板节点Fig1.4ConnectionbetweenbeamandConcretefilledSquareSteelTubeColumnwithinnerdiaphragms（2）外隔板节点：钢管混凝土柱在钢梁上下翼缘处设置水平外隔板，与梁上下翼缘焊接后传递弯矩，上下环板间在柱上焊一竖板并与梁腹板通过摩擦型高强螺栓连接传递剪力，如图1.5所示。其特点是施工方便、传力可靠，且不受钢管直径限制。但是边柱节点的水平环板妨碍墙板安装，影响室内观感。图1.5方钢管混凝土梁柱外加劲板节点Fig1.5ConnectionbetweenbeamandConcretefilledSquareSteelTubeColumnwithouterdiaphragms1.4方钢管混凝土节点研究存在的问题方钢管混凝土结构工程中的节点型式虽比较多，但关于方钢管混凝土节点的研究开展的较晚,严重滞后于实际工程的应用。各方面的理论还不够成熟和完善，有些问题还需要进一步的深入研究，归纳一下，主要有以下几方面：7 山东科技大学硕士学位论文绪论（1）由于钢管混凝土梁柱节点与空钢管节点的受力机理有所不同，在进行钢管混凝土的节点设计时，其构造措施应保证钢管和混凝土的共同工作,且需要验算钢管和混凝土之间的粘结力，钢管和混凝土的粘结问题一直是一个未完善的领域，有待进一步的研究。（2）有的节点刚度不大，形成不了刚性节点；有的节点存在穿心构件，虽然提高了节点的刚度，但节点用钢量增大，施工技术要求提高，在某种程度上抵消了采用钢管混凝土在施工和经济上的优势；有的节点（如环梁式节点）在施工和经济上优点突出，但受力复杂，如何计算保证它的强度还需深入研究。（3）外隔板式节点施工比较方便，但加劲钢板用钢量大，现场焊接工作量较大，并且突出在钢管柱外的外隔板影响室内美观；内隔板式和贯穿加强板式节点的用钢量较少，但焊缝施工不方便，特别是在小尺寸钢管内施焊几乎不可能，不利于小截面构件的推广。应该努力探寻构造简单、力学性能良好的新型节点，建立适应当代要求的方钢管混凝土与钢梁节点的分析理论和设计方法，为结构设计人员提供方便可行的计算公式。（4）方钢管混凝土框架结构的抗震性能研究，主要集中在基本受力构件方面，而对由方钢管混凝土柱和钢梁或钢筋混凝土梁等组成的框架结构体系的抗震性能涉及很少。今后应开展这方面的研究工作，并在充分考虑结构空间作用的基础上，提供合理的方钢管混凝土框架柱和节点的抗震技术参数，便于工程设计[18~22]。（5）方钢管混凝土结构的静动力力学性能有必要进一步研究，寻求钢管与混凝土共同工作而产生的效应，从而计算不同强度材料组成的构件，在各种形式荷载作用下的极限承载力；同时确定简单、实用设计理论和计算方法，通过试验或数值模拟验证后，用于生产实践[23~27]。1.5本文的研究内容方钢管混凝土结构节点设计形式多样，应用前景广阔，并且目前国内尚没有统一、规范的节点形式，这为开展新型节点的理论研究和在实际工程中的推广应用提供了契机。山东科技大学与莱钢建设集团共同合作开发了一种新型外隔板式方钢管混凝土与钢梁节点，该节点特征：方钢管混凝土柱侧焊接T型隔板，钢梁翼缘与隔板焊接连接，钢梁腹板与焊于柱壁上的外伸钢板使用高强螺栓连接。本文是在该节点试验的基础上，通过理论分析和ANSYS数值模拟探讨该种新型节点静力力学性能、验证其合理可行性，并为其用于工程实践提供设计意见。8 山东科技大学硕士学位论文绪论本文主要进行了如下工作：（1）方钢管混凝土梁柱外隔板节点试件进行试验研究，设计一种新型的方钢管混凝土柱与H型钢梁连接的外隔板节点，进行中柱节点试件的结构试验。对试件柱顶施加恒定轴力，柱端施加水平单调荷载试验，研究节点的受力性能、破坏形态。（2）结合现有的理论分析和实验研究成果，分析新型方钢管混凝土柱-钢梁外隔板节点传力机理、破坏形态和工作性能，选取节点梁翼缘受拉模型，研究其静力力学性能。运用屈服线理论提出节点抗弯、抗剪承载力计算公式。（3）针对方钢管混凝土外隔板节点的具体情况，运用ANSYS8.0对节点进行非线性有限元分析。钢材采用Von-Mises屈服条件和双线性随动强化模型；混凝土采用William-Warnke五参数破坏准则和多线性等向强化模型，采用三维实体单元对方钢管混凝土节点进行三维建模；通过合理的单元选取和网格划分，准确分析节点区的应力分布，并将理论曲线与实际曲线进行了比较，得到节点在单调加载作用下的受力性能；初步探索核心混凝土强度和轴压比对节点力学性能的影响。（4）参考相关设计和质量验收规范[28~34]，提出新型节点的设计建议。9 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的试验研究2.方钢管混凝土外隔板节点的试验研究2.1试验概述现有对方钢管混凝土梁柱节点的研究，主要集中在梁柱内隔板节点的研究上,方钢管混凝土柱与钢梁的外隔板节点形式研究较少，为进一步开展这方面的工作,山东科技大学与莱钢建设集团合作开发一种新型方钢管混凝土节点。方钢管混凝土梁柱节点由钢材和混凝土两种材料组成复杂的三维空间结构，单纯的理论分析难度较大，并且理论分析的结果必须通过实验来验证[35]。因此，试验研究是进行方钢管混凝土节点研究的有效手段。2.1.1实验目的本文为《新型方钢管混凝土外隔板节点性能及设计方法研究》的子课题，通过对新型外隔板节点的实验研究，达到以下目的：（1）考察节点的工作机理和破坏形式；（2）考察新型节点的可行性；（3）为理论分析建立合理的模型及节点有限元理论分析提供实验数据。2.1.2试件设计本次实验的研究对象为中柱节点试件，试验共设计了2个中柱节点。节点主要构造特征：在方钢管混凝土柱侧焊接T型隔板，H型钢梁的翼缘与隔板焊接连接，H型钢梁腹板与焊于柱壁上的外伸钢板使用高强螺栓连接。细部尺寸见节点详图2.1。图2.1中柱节点详图Fig.2.1Detaildrawingofconnection节点试件的制作全部在莱钢建设青岛分公司加工制作，钢材为Q235B,手工焊条E43型，摩擦型高强螺栓M16，10.9级，其它为普通螺栓。方钢管柱内混凝土在加工车间浇筑并养护，混凝土设计标号为C30。试件截面几何尺寸见表2.1。9 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的试验研究表2.1试件截面尺寸Table2.1Sectionaldimensionofsample梁截面尺寸（mm）试件柱截面尺寸备注编号（mm）翼缘厚翼缘宽腹板厚梁高ZZ1300*300*481506200柱内砼C30ZZ2300*300*681506200钢材Q235B钢材材性试验按照《金属拉力试验法》GB22887的规定，制作标准拉伸试件，各种厚度的钢板试样均取自与构件同一批材料。试件钢管内混凝土设计标号C30，现场搅拌并一次性浇注，浇注过程中随机取样并制作边长为150mm的标准混凝土立方体试块3个，并按规定进行养护，在节点试件开始试验前，测试混凝土试块强度。钢材和混凝土的材料性能见表2.2。表2.2钢材和混凝土的材料性能指标Table2.2Materialperformanceindexofsteelandconcrete材试件试样尺寸（mm）数屈服极限抗拉强度料量(N/mm²)(N/mm²)tL*bllh钢4140*206050403292422材6190*309075503302438砼C30150*150*1503立方体抗拉强度平均值：23.35N/mm²2.2试验方案2.2.1试验装置为了达到实验目的考察节点的破坏形式和极限强度，试验反力装置必须能够承受大吨位荷载[36]，因此，试验台的水平承力系统采用梯形钢筋砼反力墙。试验采用较先进的电液伺服程控结构试验机系统，液压加载设备采用1500KN油压千斤顶。由千斤顶施加柱顶恒定轴向荷载1300KN,并由250KN电液伺服作动器施加柱顶水平荷载,试验数据由7V14C数据采集仪和CM1A32应变仪同时采集。节点加载试验在青岛理工大学结构试验室进行。节点试件加载装置见图2.2所示。10 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的试验研究图2.2试验装置图Fig2.2Testdeviceundersingleloading2.2.2测点布置试验测量的内容包括：节点域梁柱应变测量、柱顶及梁端位移测量（测量层间的绝对位移）、梁柱转角测量（采用电子倾角仪测出绝对转角）。应变花及应变片布置、位移计及倾角仪布置见图2.3图2.3节点应变片、倾角仪及位移计布置图Fig.2.3Arrangementplanofstraingaugeandinclinatorsanddisplacementmeters中柱节点试件应变片70片，位移计2个，电子倾角仪4个；实际布置如图2.4所示。图2.4.中柱试验测点布置图Fig.2.4Photosoftestdevice11 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的试验研究2.2.3各试件的设计轴压比试件的设计轴压比可按下式进行计算:NNn(2.1)0NfAfAuscc式中n—方钢管混凝土柱设计轴压比；0N—柱子轴力；N—方钢管混凝土柱的轴压设计承载力；uf,f—柱截面钢材、混凝土的抗压强度设计值；cA,A—柱截面的钢材和混凝土的截面面积。sc表2.3各试件设计轴压比Table2.3Axialpressratioofspecimens试件ZZ1ZZ2备注设计轴压比0.380.32N=1300KN2.2.4试验加载制度先在柱顶施加1300KN轴向力，分五级施加到位；然后开始施加水平荷载，每级荷载10KN，在节点出现屈服或出现明显的非线性变形时，降低荷载，按照5KN分级加载，直到构件破坏，荷载不能增加为止。2.3试验结果及分析2.3.1节点破坏形态加载初期，试件均处于弹性变形状态，加载至60KN时，梁端T型板与柱壁出现轻微裂缝，T型板焊缝处也出现轻微裂纹，并伴有声响；随着荷载继续增加，裂缝逐渐开展、延伸，承载力下降，最后梁端连接与柱翼缘板撕裂，节点破坏(如图2.5所示)。12 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的试验研究图2.5中柱节点试验破坏图片Fig.2.5Photosoftestanddestroyofconnections2.3.2节点试件的荷载—位移曲线图2.6中柱节点ZZ1和ZZ2荷载-位移曲线Fig.2.6P-ΔcurvesofZZ1andZZ2connections2.3.3节点试件屈服、破坏的确定方钢管混凝土柱—钢梁组合框架节点的受力特性既不同于钢筋砼结构，也不同于钢结构,目前对这种组合结构节点屈服和破坏的确定尚没有一种统一的准则。本试验采用如下方法确定试件屈服点：无明显屈服点的荷载—位移曲线，以坐标原点O作PΔ曲线的切线与最高荷载点的水平线相交于B点，由B点作垂线并相交于PΔ曲线于A点，13 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的试验研究再连OA并延长交BD线于C点，由C点作垂线交PΔ曲线于E点，则E点为屈服点。对应的纵向、横向坐标分别为屈服荷载（Py）和屈服位移（Δy）[17]。图2.7试件屈服点确定示意图Fig.2.7Yieldpointofspecimens试件的破坏荷载，一般为Pu=0.8Pmax，相应点的位移定义为有效极限位移(Δu)。Pmax为试验中试件所达到的柱顶水平荷载的最大值，对应于Pmax时的柱顶位移为Δmax。依据荷载位移试验曲线按上述方法确定Py,Δy,Pu,Δu,Pmax,Δmax。表2.4节点试件屈服、破坏和极限状态时的荷载及位移Table2.4Loadanddisplacementofyield,destroyandlimitcondition指标屈服状态破坏状态试验极限荷载时试件Py（kN）Δy（mm）Pu（kN）Δu（mm）Pmax（kN）Δmax（mm）ZZ165.0310.6064.3236.4080.3919.20ZZ270.6612.2067.2044.7084.6719.802.3.4节点的焊缝、加载偏心问题分析焊缝会引起焊接应力和焊接变形,会使焊缝及其附近热影响区的金属产生高峰的应力集中,即在三向同号应力的作用下,金属变脆,使其塑性变形的能力受到极大的限制,从而发生脆性断裂。在本试验中，塑性铰首先在梁端产生，此后，有些隔板的焊缝开始开裂，而且伴有断裂响声。通过分析梁端塑性铰的开裂发展情况，焊缝开裂主要是由于梁端的塑性铰开展后，某些有缺陷的焊缝产生了应力集中，致使焊缝开裂。施工时应保证焊缝质量，避免出现焊不透、焊缝厚度不均匀等问题，并尽量减少焊接应力和焊接变形。本次试验加载偏心主要包括两方面：（1）柱顶部竖向轴力的偏心问题，加载偏心在试验中很难消除，但通过柱端应变片反映出的方钢管柱四个侧面的应力数值来看，影14 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的试验研究响很小；（2）水平轴力的偏心问题，若水平力有较大的偏心，则会影响到水平承载力的实际大小，本次试验水平对中准确，保证了数据的可靠性。2.3.5节点类型判断本试验通过布置于梁柱上的电子倾角仪的数值差值，计算节点梁柱相对极限塑性角θu，得到下表2.5。表2.5节点梁柱相对极限塑性角Table2.5Relativelimitplasticangleofconnections指标梁柱转动约束梁柱相对极限塑性转（12θu/∏）试件角(θu)*100%ZZ10.01798.9%ZZ20.01898.8%方钢管混凝土柱钢梁刚性连接是指节点在外力作用下，对转动约束能达到理想刚接（梁柱夹角保持不变的连接）的90%以上。据此判断该新型节点为刚性节点。该型节点既能传递剪力，又能传递全部弯矩。2.4本章小结本章主要通过钢管混凝土梁柱外隔板节点的单调加载试验,对节点的试验破坏形态和荷载-位移曲线详细分析,得出如下主要结论:1、本文研究的新型方钢管混凝土柱钢梁节点具有较大承载力，该新型节点柱的刚度远大于梁端刚度，能够满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的要求；节点设计合理，整体工作性能良好，具有工程实际运用价值。2、本次方钢管混凝土梁柱外隔板试验，新型节点钢梁端部上下翼缘与水平隔板及隔板连接的焊缝处出现裂纹、应力集中现象，随着荷载的持续增加，最后出现柱壁板与母材的撕裂破坏。3、在其它条件相同的情况下，增加截面含钢率对新型方钢管混凝土节点屈服荷载的提高有较大影响。15 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究3方钢管混凝土节点静力性能研究3.1新型外隔板节点简介方钢管混凝土柱钢梁节点是工程实践中应用最为广泛，但同时也是构造和受力最为复杂的节点形式。这种节点在外隔板节点的基础上发展而来，其主要构造特征：在方钢管混凝土柱侧焊接T型隔板，H型钢梁的翼缘与隔板焊接连接，H型钢梁腹板与焊于柱壁上的外伸钢板使用高强螺栓连接（图3.1）。新型外隔板节点传力明确可靠、构造简单、加工安装方便，具有明显的优越性。首先，克服了水平外隔板节点的墙板安装问题，从而避免了室内墙角有凸角现象。其次，在低层或多层建筑结构中采用的方钢管混凝土柱边长较小，应用内隔板节点困难；而采用该种新型外隔板节点则不受方钢管边长制约。此外，新型外隔板节点保证了钢管柱的连续贯通，便于加工制作，适应工业化生产的需要，特别是随着冷弯薄壁性钢管大型生产线的投产和办公、住宅钢结构的快速发展，该种节点的优势将得到充分的发挥，是一种值得深入研究和推广应用的节点形式。图3.1新型方钢管混凝土柱与钢梁外隔板节点Fig.3.1ConnectionbetweenCFSTandsteelbeamwithexteriordiaphragm3.2新型外隔板节点的抗弯承载力分析3.2.1外隔板节点梁翼缘受拉模型目前工程中常用的节点形式为栓焊型节点和全焊型节点，其中栓焊型节点的梁翼缘，与柱或者焊在柱上的外伸悬臂梁段用全熔透坡口对接焊缝连接，梁腹板通过连接板与柱用高强螺栓连接。栓焊型节点不仅减少了施工现场的焊接工作量，而且保证了节点刚性的可靠连接，因此在工程中得到了广泛应用[11]。16 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究在美国北岭地震（1994年）和日本阪神地震（1995年）中造成大量梁柱栓焊型节点的破坏。震后灾害调查分析表明：梁柱连接破坏大多发生在钢梁下翼缘处，并且一般由焊缝根部的脆性破坏裂纹引起[38]。梁翼缘与钢梁焊缝处一旦破坏，节点的抗弯承载力将由高强螺栓与钢梁腹板相连的剪力连接板来承担；但在设计时，通常假定钢梁翼缘承受几乎所有的梁端抗弯承载力，这必然导致焊接在钢管柱上的剪力连接板被拉开，并且沿连接线又下而上扩展，最终造成整个节点的破坏。因此，钢管混凝土柱与钢梁刚性节点中，梁受拉翼缘与柱的连接性能对节点的力学性能有重要影响；尤其是受拉翼缘与柱连接的构造形式和工作性能，直接影响整个节点的承载能力[14]。本文为了简化研究对象和抓住问题的关键，选取外隔板节点钢梁翼缘受拉模型为研究对象（图3.2），分析该新型节点的传力机理和承载力理论，探讨节点的基本力学性能。图3.2外隔板节点梁翼缘受拉模型Fig.3.2Modeloftensionsteelbeamflangeinexteriordiaphragmconnection3.2.2外隔板节点传力机理及承载力从图3.3中可以看出，外隔板节点钢梁翼缘传来的水平荷载，由钢梁翼缘传到T型外隔板，再传到与之相焊接的柱翼缘，最终传到方钢管混凝土柱。图3.3外隔板节点传力机理分析Fig.3.3Analysisofactuatingmechanisminexteriordiaphragmconnection17 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究中国《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS159:2004）[34]的抗弯承载力计算公式如下所示4x2tbfMpMc4BMcpMj2tfhjj20.5h1hbtbf0.5BcBbxMft/4pyccf(3.1)2Mmin[M,fa/4]cpwcxBcBBbc/2式中Bc-方钢管混凝土柱截面宽度；Bb-钢梁翼缘宽度；Mp-柱翼缘板的单位长度屈服弯矩；Mc-柱焊缝和翼缘板抗弯承载力之小值；fwc-柱翼缘与柱腹板间的焊缝强度；a-焊缝有效厚度。但在梁柱翼缘等宽时，式（3.1）中第一项趋于无穷大，显然与实际情况不符，因此有必要对梁柱翼缘等宽时节点的抗弯承载力进行研究，建立这种情况下合理的计算方法。空间管节点研究现状表明，梁柱翼缘宽度比值B/B，对于节点的破坏机制有bc较大影响。文献[39]的研究表明，根据梁柱翼缘宽度比的不同，管节点主管主要有三种破坏模式：（1）当0.85时，主管产生屈服铰线破坏机制；（2）当0.8511/时，主管产生冲剪破坏机制；（3）当1时，主管产生侧壁破坏机制。当梁柱翼缘等宽(即1)时，文献[40]提出的计算节点的抗弯承载力经验公式（3.2）如下2tbf5tcffycfcf,thbtbfhb2tbf5tcfMy2(3.2)0.5hb5tcffycfcf,thb2tbf5tcf本文借鉴文献[41]，采用屈服铰线破坏机制来分析梁柱翼缘等宽时节点的抗拉承载力．现假设屈服临界状态时，节点的屈服铰线分布如图3.4（a）所示．由于在弹性状态下，与钢管侧壁焊接的T型隔板的应力分布与其变形成正比，可以假设此时的应力18 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究分布与其变形分布一致．因此，与钢管侧壁贴焊的隔板的变形分布如图3.4（b）；其应力分布如图3.4（c）所示。图3.4梁柱翼缘等宽时外隔板节点抗拉承载力计算模型Fig.3.4CalculationmodelofexteriordiaphragmconnectionflexuralcapacitywhenBb=Bc根据虚功原理可以得到x0fyacfbf,t2E4MB4zzdz2ft＝PCpcx0xxyacfbf,yc(3.3)000式中22M-垂直于轴压方向的钢管管壁单位长度屈服强度弯矩，其值1nft/4；pycfcf,f-外隔板连接处焊缝与钢板屈服强度两者的最小值，其值为min(fy,a,fy,cf)；yacf,n-方钢管混凝土柱的轴压比，其值为N/(fAfA)；ycf,sccx-受拉翼缘上下表面分别到外隔板对应边的距离，一般地055mmx70mm[9]；0-钢梁受拉翼缘处隔板最大变形；t-钢梁受拉翼缘厚度；t-钢管管壁的厚度；bfcff-核心混凝土的抗压强度；f-钢管的屈服强度；cycf,As-方钢管的截面面积；Ac-核心混凝土的截面面积；P-外隔板节点屈服时钢梁受拉翼缘的拉力；N-方钢管混凝土的轴向压力。yc上式（3.3）经整理得到19 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究4MB4pc2Pycfyacfbf,tx02fyacfbf,t(3.4)x303.2.3外隔板节点抗弯承载力计算显然由以上推导,将考虑方钢管混凝土轴压作用下的节点抗拉承载力,与外隔板节点的抗力中心间距(hb-tbf)相乘,我们可以得到该种外隔板节点抗弯承载力计算公式2Mj4MBxpc/04fyacfbf,tx0fyacfbf,t/htbbf(3.5)参考现有的结构可靠度标准和相关设计规范[28~34]，为达到“强节点弱构件”的目的，该新型外隔板节点的抗弯强度公式可以按照下式计算MM(3.6)mj式中M-节点处梁端弯矩的设计值；M-节点的抗弯设计承载力；j-调整系数，抗震设计时取1.2，非抗震设计时取1.0。m3.3新型外隔板节点的抗剪承载力分析3.3.1外隔板节点剪力计算模型为了计算节点核心区的抗剪承载力，应该先确定剪力传递机理，显然梁端的弯矩和剪力将引起节点核心区的水平和竖向剪力。计算节点的剪切屈服承载力时，参照文献[10]、[42]可以假设节点的屈服机制如图3.5所示。图3.5外隔板节点抗剪计算模型Fig.3.5Calculationmodelofexteriordiaphragmconnectionshearloadcarryingcapacity20 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究当该节点核心区达到极限状态时，方钢管柱的腹板首先剪切屈服，然后方钢管柱翼缘与腹板之间的焊缝抗剪屈服，最后节点核心区混凝土受压达到极限开裂最终破坏。因为节点核心区混凝土的支撑作用，在达到屈服极限状态前节点处不会发生局部屈曲。由塑性极限分析，节点域的抗剪承载力计算公式可以表达如下VVVV(3.7)jawcbcv式中V节点的抗剪承载力；V柱腹板与柱翼缘间焊缝的抗剪承载力；jaV节点域柱腹板的抗剪承载力；V节点域核心混凝土的抗剪承载力。wcbcv3.3.2外隔板节点抗剪承载力公式推导（1）柱腹板与柱翼缘间焊缝的抗剪承载力Va外隔板节点域一条柱腹板和柱翼缘之间焊缝（如图3.5a）的竖向合力为Nahf/3(3.8)ybwc考虑到焊缝强度不能充分发挥，N应乘以折减系数0.5，即有y'N0.5ahf/3(3.9)ybwc由虚功原理得到'Vh2Nh2t(3.10)abyc上式（3.10）经整理得到Vafh2t/3(3.11)awcc式中a-焊缝有效高度；f-焊缝弯曲受压强度。wc（2）节点域柱腹板的抗剪承载力Vwcb节点处柱腹板部分受剪压复合作用（图3.5b），在弹性状态时，柱腹板的主应力为21 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究2主拉应力：ss2122(3.12)2主压应力：ss2(3.13)322当节点达到极限状态时，柱腹板处于剪切流变状态，应用第四强度理论得到22f(3.14)y1213整理式（3.14）得到柱腹板剪切屈服应力122fvyfys(3.15)3因此可得到方钢管柱两块腹板的受剪承载力公式222Vwcbthc2tfs(3.16)3式中t-节点处方钢管柱腹板厚度；f-钢板抗拉强度设计值；-柱腹板所受轴向压应力，其值为NE/(EAEA)；ssssccE-柱钢管的弹性模量；E-柱填充混凝土的弹性模量；scA-柱钢管的截面面积；A-柱填充混凝土的截面面积；scN-方钢管混凝土柱所受轴向压力。（3）节点域核心混凝土的抗剪承载力Vcv文献[46]通过对工字钢混凝土柱节点的抗剪性能研究，提出了核心区受型钢柱翼缘、加劲肋和柱箍筋共同约束的混凝土抗剪承载力公式Vc0.30.1nbhfjjc(3.17)本文计算模型中提出的节点核心区混凝土（如图3.5c），其受力情况和上面提及的型钢混凝土节点约束混凝土相类似。参考相关资料，借用公式（3.17），得到该外隔板节点域核心混凝土的抗剪承载力公式2Vcv0.30.1nhc2tfc(3.18)22 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究式中n方钢管混凝土柱的轴压比；f混凝土轴心抗压强度设计值；ch、t符号意义同上。c因此，该节点的抗剪强度承载力公式为12222Vjafwchc2tthc2tfs0.30.1nhc2tfc(3.19)333.3.3外隔板节点抗剪承载力计算节点的抗剪强度可以按照下式验算VV(3.20)vj式中V节点所受剪力设计值；V节点的抗剪承载力设计值；j调整系数，抗震设计时取1.3，非抗震设计时取1.0。v3.4本章小结本章主要通过现有的试验和理论研究成果的整理分析，可以得到以下主要结论：1、新型方钢管混凝土柱钢梁节点的传力路径为：钢梁梁端弯矩主要由梁翼缘传到外隔板，进而传到柱翼缘，并最终传递给钢管内的混凝土。2、方钢管混凝土柱内填充混凝土有利于抑制柱腹板的屈曲变形，据此利用屈服铰线理论和虚功原理，并借鉴现有研究成果，得到该新型外隔板节点的抗弯承载力公式和抗剪承载力公式。3、节点的抗弯承载力研究中，以节点梁翼缘受拉模型为研究对象，分析了节点的受力与传力机制，并且通过假设的柱翼缘屈服机制，根据屈服线理论得到节点的抗弯承载力公式(3.5)。4、节点核心区剪力主要由柱腹板与柱翼缘焊缝、柱腹板和核心混凝土共同承担。通过合理的选取计算模型，分别推导出各部分抗剪强度。假设节点达到极限状态前柱腹板不会屈曲，通过叠加可以得到节点的抗剪承载力公式(3.19)。23 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点静力性能研究5、本章提出的计算方法是一种研究思路，可以为今后工程实践提供参考依据。24 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论4方钢管混凝土节点有限元基本理论4.1有限元理论概述现有的方钢管混凝土柱与钢梁连接形式多样、各具特色，主要有：内隔板式、外隔板式、贯穿隔板式等。但是，它们又具有共同的特点：都是由钢材和混凝土两种材料有机组合而成，既具有钢结构节点的特性，又具有混凝土结构节点的特点。另一方面，由于两种材料性能迥异并且两者还存在共同协调工作的问题，所以这类节点比单纯的钢结构节点和混凝土节点具有更为复杂的力学特性。如果再考虑到材料非线性、几何非线性、甚至状态非线性等因素，单纯采用纯理论方法研究方钢管混凝土节点的承载力将十分困难，而且不合实际；必须寻找新的理论和计算方法实现[47]。有限单元法（简称有限元法）是近几十年来随着电子计算机的广泛应用发展起来，是为求解边值或初值问题而建立在待定场函数离散化基础上的一种数值方法。由于具有极大的通用性和灵活性，因而广泛应用于求解工程中各种复杂的力学或非力学问题。有限元法的思想可以追溯到美国柯朗特（Courant.R.），在1943年提出圣维南扭转问题的近似解法，是第一次用有限元处理连续体问题。柯朗特将所研究的柱体截面划分成若干个三角形单元，在每个单元内设定呈线性分布的翘曲函数，然后用最小势能原理求解。其后，普拉格（PragerW.，1947）、加拿大辛格（SyngeJ.L.，1953）提出超圆法，促进了这种离散化方法的发展。1956年，美国特纳（TurnerM.J.）、克劳夫（CloughR.W.）、马丁（MartinR.J.）和托普（TopL.J.）等把位移法应用于飞机结构的平面应力计算。1960年，克劳夫正式引用了“有限元法”这一名词[48]。当时，加利福尼亚大学伯克利分校的威尔逊（WilsonE.L.）在克劳夫的指导下做博士论文，其题目是“二维结构的有限元分析”，该论文于1963年完成了世界上第一个解决弹性力学平面问题的通用程序。以后有越来越多的研究成果在学术刊物上发表，其中，贝塞林（BesselingJ.F.）等人开始认识到：有限元法实际上是瑞利－李兹法的一种形式，但它比经典的瑞利－李兹法更加灵活，从而在理论上给有限元法奠定了基础。威尔逊后来在有限元程序系统方面进行了许多有意义的研究。他编写了包含多种单元的有限元程序SAP（StructuralAnalysisProgram）。此后结构分析有限元软件迅速发展，功能也日趋完善和强大，目前较有影响的软件有NISA、ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、COSMOS、JIFEX、SAP2000等。24 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论4.2弹性力学基本方程与变分原理有限单元法可以归属于变分法的范畴，这是因为弹性力学中有限单元法的基本方程是可以由变分法推导出来的。在有限元法方程建立和应力分析时，经常要用到弹性力学知识；依据单元刚度矩阵的推导方法可将有限元法的推理途径分为直接法、变分法、加权余量法与能量平衡法，变分法是有限元的主要理论基础之一。4.2.1弹性力学基本方程严格的说，弹性力学问题都是空间问题，即弹性体占有三维空间，在外界因素作用下产生三维的应力、应变和位移（一般都是三个坐标的函数）。弹性力学分析问题时从静力学条件、几何条件与物理学条件出发，通过推导分别得到平衡方程、几何方程与物理方程—弹性力学基本方程[49]。（1）平衡微分方程在荷载作用下，弹性体内部产生应力。为描述弹性体内某点P的应力状态，可以在该点处割取一个微小的平行六面体，它的六个面通常与各个坐标面平行，各边长度分别为dx、dy、dz（如图4.1）。图4.1平行坐标平面的六面微元体Fig.4.1Hexahedroninparallelcoordinateplanes三个力矩平衡方程证明了剪应力互等定律；三个投影的平衡方程得到空间问题的三个平衡微分方程：XyxzxX0xyzxyyzy（4.1）Y0xyzxzyzzZ0xyz25 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论（2）几何方程弹性体内任一点的位移，可用它在坐标轴x，y，z上的三个投影u，v，w来表示，成为位移分量。为描述弹性体内任一点P的变形，在该点沿坐标轴的正方向取三个微小的线段PA=dx,PB=dy,PC=dz(如图4.2)。图4.2位移与应变关系图Fig.4.2Therelationgraphbetweendisplacementandstrain六个应力分量对应六个应变分量εx，εy，εz，γxy，γyx，γyz。空间问题在直角坐标中的几何方程为：uuv,xxyxyxuvw,（4.2）yyzyzyuwu,zxzzxz（3）物理方程物理方程表述应力分量与应变分量之间的关系，对于完全弹性的各向同性体，由广义胡克定律描述为：121xxyz,yzyzEE121（4.3）yyzx,zxzxEE121zzxy,xyxyEE4.2.2变分原理弹性力学力学问题在数学上由偏微分方程及定解条件描述，我们可以通过更为一般的方法建立方程和普遍的近似解法，即力学中的能量原理，它的数学基础是变分法，所26 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论以也称为弹性力学中的变分原理。它指明了弹性体的运动规律，即在外力作用下弹性体的变形、应力与外力之间的关系同时受到能量原理的支配，它与微分方程、定解条件是等价的。这里介绍位移变分法，能量表达成位移分量的函数，而位移本身又是坐标的函数，能量作为函数的函数称为泛函。变分法就是研究泛函的极值问题[50]。（1）拉格朗日变分方程弹性体在外力作用下处于平衡状态，u、v、w为弹性体实际的位移分量，满足位移分量表达的平衡微分方程，并满足位移边界条件、应力边界条件。假定这些分量发生了位移边界条件允许的微小改变，即虚位移u、v、w。考虑能量方面的变化，假定发生虚位移过程中，弹性体无速度改变、温度改变，根据能量守恒定理，变形势能的增加等于外力在虚位移上所作的功，即虚应变能等于外力虚功。得到位移变分方程，也称为拉格朗日变分方程：UXuYvZwdVXuYvZwd（4.4）V（2）虚功方程虚应变能写成应力在虚位移引起的虚应变上所作的虚功，得到虚功方程：VXuYvZwdVXuYvZwd（4.5）VxxyyzzxyxyyzyzzxzxdV（3）最小势能原理虚位移是微小的，可以认为虚位移发生过程中外力保持常量，则拉格朗日方程变为：UXuYvZwdVXuYvZwdV括号内为外力功，即外力势能的负值（记为v），总势能为Π，由上式得到：UV0（4.6）说明对于稳定平衡状态，实际发生的位移使弹性体势能取得最小值，故称为最小势能原理。它与虚功原理、拉格朗日变分方程是完全等价的。4.3有限元基本理论4.3.1有限元法的分析过程结构分析中，有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下[51]：(1)物体离散化27 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论结构离散化就是将结构分成有限个小的单元体，单元之间、单元与边界之间通过节点连接，这一步称作单元划分。结构的离散化是有限元分析的第一步，关系到计算精度于计算效率，主要包含两方面的内容：一是单元类型选择。这包括单元形状、单元节点数与节点自由度数等三个方面。空间问题分析常用的三维单元有：4节点四面体单元、8节点六面体单元、20节点六面体单元等。二是单元划分。一般地，网格划分越细，节点越多，描述变形情况越接近实际变形，计算精度越准确。对于边界曲折处、应力变化大的区域应加密网格，集中荷载作用点、分布荷载突变点及约束支承点都应该布置节点；网格加密到一定程度计算精度提高不明显，考虑到机时、费用及效果，应力变化平缓区域不必细分网格。有限元分析的结构已不是原有的连续物体，而是具有相同材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。所以，通过有限元分析得到的结果只是近似值。如果要求获得的结果就与实际情况相符合，必须合理地划分足够多的单元数目。(2)单元特性分析A.选择位移模式有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量成为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。结构离散化成单元的集合体后，对于单个单元可以遵循某些基本准则，用较之以整体为对象简单得多的方法设定一个简单的函数为位移的近似函数，称之为位移函数。位移函数一般取为多项式形式，有广义坐标法与插值法两种设定途径，但最终都能整理为单元节点位移的插值函数。B.单元的力学特征根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。单元应变矩阵反映单元节点位移于单元应变之间的转换关系，有几何条件导出；单元应力矩阵反映单元节点位移与单元应力之间的转换关系，由物理学条件导出；单元刚度矩阵反映节点位移与单元节点力之间的转换关系，由平衡条件导出。C.等效节点力28 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力。(3)整体分析利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元总体刚度方程。[K]{δ}={R}(4.7)式中：[K]是结构整体的刚度矩阵；{δ}是整体节点位移向量；{R}是整体节点载荷向量(4)求解未知节点位移引进边界约束条件，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法，解总体刚度方程求出节点位移分量(位移有限元法分析的基本未知量)。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是"一分一合"，分是为了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。4.3.2有限元法的特点（1）计算模型具有多样性有限元的计算模型是由若干个在结点出相连接的小单元组成的。这种模型具有形式多样化的特点，这是因为：①小单元可以是任意形状的。在平面问题中可以是三结点三角形单元、四结点矩形单元、六结点三角形单元等，在空间问题中可以是四节点四面体单元、八结点等参六面体单元等②离散化单元的数目、大小和布局有不同的方案可供选择。③单元之间的连接条件可以不同。通常采用的连接条件是仅仅保证结点位移本身是连续的（即铰接），但也可以采用使结点处位移及其若干阶导数保持连续的连接条件。有限元模型的这种多样性是结构离散化思想的最充分应用，其优点是适用范围广。要在这么多可变因素中确定出一个尽可能接近原结构特点的而计算又简便的模型是不容易的，需要清晰的力学概念，丰富的工程经验和有限元计算实践。（2）求解问题思路具有古典性29 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论有限元解题的思路还是古老的[52]，如“先从求解基本未知量入手”，“化无限自由度问题为有限自由度问题”等都来自于古典数值方法，根据这个思想，就用结点上的力学特征去确定整体结构的力学特征（如用结点位移去确定整体位移，用结点等效集中荷载去表征实际的分布荷载等），从而把弹性力学问题函数解的研究转化为若干结点上函数值的求解。有限元的独到之处在于用分段插值作为工具实现了上述转化。(3)有限单元法的理论基础，从力学角度讲是能量原理。4.4钢材与混凝土弹塑性本构模型4.4.1弹塑性本构关系在塑性的情况下，应力不但与应变有关，还和整个变形历史有关，和物质微观结构的变形有关。因此现在通常采用本构关系（ConstitutiveRelation）来反映物质本性的变化。从一般意义上讲，本构关系是指自然界中“作用”与“由该作用产生的效应”之间的关系，在力学领域则指的是材料的应力应变关系。这种关系是结构受力过程中材料受力和变形关系的概括，是其内部微观机理的宏观行为表现，是结构强度和变形计算中必不可少的依据[53]。塑性的本构特性主要分为全量理论和增量理论。全量理论是建立在弹塑性小变形理论基础上的，又称为形变理论。增量理论又称流动理论，是描述材料在塑性状态时应力与应变速度或应变增量之间关系的理论，历史上这个理论发展的比全量理论早，它不受加载条件的任何限制，在理论上比全量理论更有优越性，特别是近代弹塑性有限元法的发展和应用，依靠计算机可以比较容易的实现沿加载路径的增量积分计算，所以增量理论得到迅速发展和广泛的应用[50]。下文通过增量理论来推导材料的本构关系。4.4.1.1弹塑性增量理论的基本假定弹塑性增量理论首先要对以下三个方面做出基本假定：（1）屈服准则：即应力状态满足什么条件时进入屈服状态。弹塑性理论认为，在应力分量构成的应力状态空间中每一点都代表一个应力状态，应力的变化在相应的空间绘出一条曲线，称为应力路径。根据不同的应力路径进行试验，可以分别从弹性阶段进入塑性阶段的各个界限，这些界限即是屈服点。在应力空间把这些屈服点连接起来，就形成一个区分弹性和塑性的分界面，称为屈服面。描述这个屈服面的数学表达式称为屈服函数或屈服条件[49]。当某点的应力状态位于该屈服曲面30 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论之内时，材料处于弹性状态；当该点的应力状态位于此曲面之上时，材料开始进入塑性状态。一般地，屈服面可以表示为：F0（4.8）ij式中，i,j1,2,3为空间应力状态下某一点的应力，可用二阶张量表示，展开如下ij111213xxyxzij,1,2,3（4.9）ij212223yxyyz313233zxzyz对于稳定材料，由Drucker公设可推出屈服面具有连续、光滑、封闭和外凸的特征。如果材料各向同性，屈服条件应该与坐标轴的选取无关，即屈服条件与方向无关。所以屈服函数可以表示成应力不变量或主应力的函数：FJJJ,,0（4.10）123F,,0（4.11）123对于硬化（或软化）材料，在一定应力状态下首先进入初始屈服面。随着塑性变形增加进入后继屈服面（又称加载面），最后破坏。后继屈服面不仅与应力状态有关，而且与塑性变形程度和加载历史有关，经常写成如下函数形式pFij,ij,k0（4.12）p式中，ij－应力状态；ij－塑性应变；k－硬化（或软化）参数，与加载历史等因素有关；pij，k－标志材料内部结构和材料性质永久性变化的量，通称为内变量。在经典的强度理论中出现的许多屈服准则，如Tresca准则（最大剪应力理论）、Von-Mises准则（平均剪应力理论）、Mohr准则和DP准则等仍是目前应用很广泛的屈服准则。随着研究的不断深入和进步，相继又出现了较为完善但又相对复杂的屈服条件如Zienkiewicz－Pande屈服条件、W.F.chen屈服条件、Nilsson屈服条件等。（2）流动法则：它确定了材料处于屈服状态时塑性变形增量的方向。弹性变形由应力状态确定，而确定塑性变形是非常困难的。由Mises塑性位势理论可知，经过应力空间任何一点M，必有一塑性位势等势面存在，它可表示为g,H0（4.13）ij31 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论p对于塑性变形增量dij，其变形方向与塑性位势面正交，即pgdijd，（d为一个非负比例系数）（4.14）ij上式确定了塑性变形的方向，但不能确定塑性变形的大小，故称为流动法则。若假p定塑性势面gij,H0与屈服面Fij,ij,k0相同，则pgFdijdd（4.15）ijij上式称为相关联的流动法则。若gF称非相关联的流动法则。（3）硬化法则：它是关于材料达到初始屈服面以后，屈服条件变化（屈服面运动变化）的法则，相当于一维应力状态下，材料屈服后，其屈服极限是如何变化的，是不变（理想弹塑性），还是提高（硬化弹塑性），还是降低（材料软化）的法则。屈服面随着塑性变形等内变量的变化而发展的规律称为硬化法则。对于硬化法则，由于硬化规律较复杂，人们依据试验资料建立三类典型的硬化模型。等向硬化模型：该模型认为，随着塑性流动的发生，屈服面不发生形状和位置的变化，仅发生大小的改变，即屈服面在应力空间中均匀膨胀。换句话说，后继屈服面与中心初始屈服面形态相同，仅随硬化程度增加而作均匀扩大。可用下式表示：*pF,kFk0（4.16）ijijij*式中，F0表示初始屈服面；ijpk－硬化参数，与塑性变形等内变量有关。ij随动硬化模型：该模型认为，随着塑性流动的发生，屈服面不发生大小和形状变化，仅发生位置的移动，即屈服面在应力空间中作刚体平移。即该模型假定后继屈服面大小不变，仅在应力空间作平动。后继屈服条件表示形式为：F,HFa0（4.17）ijijp屈服面随移动张量aC（4.18）ijij式中，C为常数，与塑性变形有关当a0时，式（4.18）表示初始屈服面。ij32 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论混合硬化模型：该模型认为，后继屈服面可以由初始屈服面经过一个刚体运动和一个均匀膨胀而得到，其一般的表示形式为F,k,HFak0（4.19）ijij该模型更为细致，可同时反映材料的鲍辛格效应及加载面的均匀膨胀，但更为复杂。4.4.1.2加载和卸载准则Drucker根据简单加载的应力-应变曲线得到重要结论—Drucker公设：考虑某应力循环，开始应力σ0ij在加载面内，然后达到σij刚好在加载面上，再继续在加载面上加载到σij+dσij，在这一阶段将产生塑性应变dεpij，最后将应力又卸回到σ0ij。若在整个应力循环过程中，附加应力所作塑性功不小于零，则这种材料就是稳定的。根据Drucker公设可导出适用于稳定材料的加载判断依据：加载：df0并且d0中性加载：df0并且d0卸载：df0并且d0（1）理想弹塑性材料加卸载准则：弹性状态：Fij0塑性状态：Fij0F（4.20）d加载Fd0ijij卸载dFFd0ijij（2）硬化材料的加卸载准则：弹性状态：Fij0硬化状态：Fij0F（4.21）加载dFd0ijijF中性加载dFd0ijijF卸载dFd0ijij（3）软化材料的加卸载准则：33 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论对于软化材料，当材料处于软化塑性阶段时，加载后屈服面会收缩，应力增量也指向屈服面内侧，和卸载难以区分，因此采用应变空间表示屈服条件包括后继屈服面，即,H0（4.22）ij则加卸载准则可表示为弹性状态：Fij0硬化状态：Fij0，0加载d0（4.23）ijij中性加载d0ijij卸载d0ijij4.4.1.3弹塑性本构方程先假定材料遵从等向强化模型，屈服条件为：F,k0（4.24）ij式中，－应力状态；ijk－硬化（或软化）参数，与加载历史等因素有关；增量理论中，材料屈服后应变增量由弹性和塑性两部分组成epdijdijdij（4.25）其中，弹性部分仍遵循广义虎克定律，即edDd（4.26）ijeij塑性增量为pgFddd（4.27）ijijij将以上两式（4.26）和（4.27）代入（4.25）得1FdijDedijd(4.28)ij对于屈服条件F,k0，由全微分法则可得ij34 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论FFFdFdddk0（4.29）1112k1112写成矩阵形式TFdijAd0（4.30）ij式中F1Adk（4.31）kdTF将式（4.24）左乘De并利用式（4.20）消去dij得ijTTFFF（4.32）DedijADedijijij即TFDij（4.33）ddTijFFADeijij用D左乘式（4.32），移项后得eFdDdDd（4.34）ijeijeij将式（4.33）代入式（4.34），得TFFDeDeijij（4.35）dijDeTdijFFADeijij令TFFDeDeijijDDDDepeTepFFADeijij式中，D－材料的弹性矩阵，由弹性力学不难求出，见下式；epA－硬化参数，可由材料的应力与塑性应变关系，通过关系曲线确定；35 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论vv10001v1vvv10001v1vvv1000（4.36）E(1v)1v1vDe(1v)(12v)1－2v00000（21v）1－2v00000（21v）1－2v00000（21v）假定材料为做功硬化，则有pppTpdKdWddd（4.37）11111212ijij将式（4.37）及相关流动法则式（4.15）代入式（4.31）得FTFAij（4.38）kij单向应力条件下屈服条件为F,k0（4.39）ijyp塑性功dKyd（4.40）FF故1（4.41）ijpFFy1H1H（4.42）pkkyyyd其中y（4.43）Hpd为应力与塑性应变曲线上的斜率FTFH所以A1H（4.44）ijykijy式中，F－屈服面函数（屈服准则）表达式。4.4.2混凝土的本构关系混凝土是应用最广的建筑材料之一，其本质的特点是材料组成的不均匀性，且存在天生的微裂缝，由此决定了其特征性工作机理是：微裂缝发展，从而形成较大的宏观裂缝，继之宏观裂缝又发展，最终导致结构中的混凝土的破坏，混凝土的这种工作机理决定了其工作性能的复杂性。混凝土材料作为一种多相复合材料，其性能受其组成材料和36 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论制作工艺等多方面因素影响，这使混凝土本构关系的研究难度很大，目前对于混凝土材料性能的了解现在仍比较有限。在考虑本构关系中的非线性因素时理论难度很大，各国学者在混凝土的本构理论研究方面做了大量的工作，并取得了一定的成就，但迄今为止，还没有一种理论模型被公认为完全描述混凝土材料的本构关系。一般来讲，我们希望得到的混凝土本构模型应该是：数学公式推导方便，关系式中的有关主要参数易于确定且有明确的物理意义，基于有关的试验和经验。目前，混凝土的本构模型大致可分为下列几种类型[45]：4.4.2.1线弹性类本构模型材料应变在加载和卸载时都沿同一直线变化，完全卸载后无残余变形，应力和应变关系唯一，其比值即为弹性模量（如图4.3所示）。这是最简单、最基本的材料本构模型，是弹性力学的物理基础，是迄今为止发展最成熟的本构模型，也是其他本构关系的基础和特例。图4.3线弹性应力-应变关系Fig.4.3Thelinearelasticstressstrainrelationship考虑材料性能的方向性差异，还可建立不同复杂程度的线弹性本构模型：（1）各向异性本构模型结构中任何一点有6个应力分量，相应与6个应变分量。若各应力和应变分量间的弹性常数都不相同，其一般的本构关系为：37 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论11c11c12c13c14c15c1611cccccc2221222324252622cccccc3331323334353633（4.45）cccccc1241424344454612cccccc235152535455562331c61c62c63c64c65c6631本构模型中刚度矩阵不对称，共有36个材料弹性常数。（2）正交异性本构模型对于正交异性材料，正应力作用下不产生剪应变；剪应力作用下不产生正应变，且不在其它平面产生剪应变。本构模型可以分解为11c11c12c131122=c21c22c2322（4.46）ccc333132333312c440012和23=0c55023（4.47）00c316631式（4.46）中刚度矩阵对称，只含6个独立常数；式（4.47）中3个独立常数，故正交异性本构模型有9个材料弹性常数。（3）各向同性模型各向同性材料的三方向弹性常数值相等，刚度矩阵表示的应力-应变关系为1111110222233E133（4.48）12(1)(12)(12)/20               0122300(12)/2      0233100(12)/231将线弹性本构模型用于混凝土，只需给出弹性模量E和泊松比v的数值，就可应用于有限元方法分析；但线弹性本构模型总体上不适合混凝土材料，限制了其在混凝土结构中的应用范围和计算精度。4.4.2.2非线弹性类本构模型非线性弹性本构关系基本特征是：随着应力的加大，变形按照一定规律非线性增长，刚度减小；卸载时，应变沿原曲线返回，不留残余应变（如图4.4所示）。38 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论图4.4非线弹性应力-应变关系Fig.4.4Thenonlinearelasticstressstrainrelationship（1）Ottosen三维各向同性全量模型引入非线性指数β，表示当前应力（,,）距包络面的远近，以反映塑性变形123的发展程度。假定主应力和保持不变，增大至f时混凝土破坏，则12333f3E4iA()E3p（4.49）xJ/f1/32fcEpEf14(A1)x2EiEiEiEi2Es(Ef)(Ef)EfD(1)1（4.50）2222式中，非线性指数；J偏应力第二不变量；2fE混凝土的初始弹性模量；E多轴峰值割线模量；ifE单轴受压峰值割线模量；E多轴割线模量。ps割线泊松比随的变化如图4.5所示，计算式为s0.8si2（4.51）()1(54)0.81.0sffi39 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论将不同应力或者下的E和代入式（4.48），得到混凝土的各向同性本构模ss型。图4.5Ottosen本构模型Fig.4.5Ottosen’sconstitutivemodel（2）过-徐正交异性模型引入拉应力指标以区分不同应力状态下混凝土破坏形态，给出相应的等效单轴应力-应变曲线方程，以及按不同的试验规律赋予受压和受拉泊松比值，合理反映混凝土多轴变形的特点。拉应力指标为拉应力矢量与总应力矢量的比值。2(ii)i（4.52）2ii00ii式中，10ii应力水平指标可反映混凝土塑性变形的发展程度，其值为oct（4.53）()octf割线和切线泊松比（,）（如图4.6）分别取下式计算st40 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论0.8st2()1(54)0.81.0ssfsf0（4.54）2()1(54)0.81.0ttftf0正交异性材料本构关系的全量式为2E(1)EE()EE()11231231231213122313112E(1)EE()2231231231232（4.55）0E(12)33123121221232332式中，（4.56）31311322212122331122331图4.6过-徐本构模型Fig.4.6GuoXu’sconstitutivemodel这类本构模型的优点是：能够反映混凝土受力变形的主要特点；模型表达式简单明了，易于理解和应用；计算式和参数都能通过实验数据回归分析得到，在简单比例加载下有较高精度，在工程应用中范围最广。缺点是：不能反映加载和卸载的区别，卸载后无残余变形，不能用于循环加载和非比例加载等情况。4.4.2.3塑性理论类本构模型41 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论典型的理想弹塑性材料本构关系特征：当材料应力低于其屈服强度时，它与应变成正比，加卸载沿同一斜线变化，无残余应变。应力达到屈服强度后不再增大，而应变可继续增大；卸载的应力-应变曲线与屈服前的平行，完全卸载后有残余应变；再加载时沿卸载线返回，斜率不变（如图4.7）。图4.7理想弹塑性应力-应变关系Fig.4.7Theidealelasticandplasticstressstrainrelationship这类本构关系主要适用于金属材料，但混凝土材料构造和性质不同于塑性金属材料，为了把塑性理论应用于混凝土，建立了许多塑性本构模型：弹性-全塑性模型、硬化模型、逐渐断裂模型、塑性-断裂模型等。这些塑性理论依据混凝土的刚度退化、存在应力下降段等特征，建立假设，推导相应的本构模型表达式；但是，与混凝土的实际性能仍有较大差别，且模型数学形式抽象，计算复杂，应用困难。4.4.2.4其它力学理论类本构模型这些本构模型从新兴力学理论出发，对混凝土的性能作出简化，用已有的方法推导模型表达式，通过少量的试验确定所需的参数值。其特点是：模型概念新颖，理论严密，但数学形式复杂，计算难度大，尚处于探索发展阶段。常见的有：塑性-损伤模型、内时损伤模型、基于模糊集的塑性理论、基于神经网络的材料模型等。虽然人们对混凝土本构模型的研究做了不少工作，但尚未获得多数人比较满意的本构关系模型。在钢管混凝土中，核心混凝土受到外包钢管的约束，钢管和混凝土存在着相互作用，这种相互作用使核心混凝土的工作性能进一步复杂化。作为钢管混凝土，轴心受压时核心混凝土的受力特点是:侧压力是被动的,且随纵向压力的增大而增大。钢管混凝土受荷初期，钢管和混凝土按刚度比承受外荷载。在此阶段，如果忽略钢管和混凝土之间的粘结作用，可以近似地认为混凝土处于单向受压状态。随着混凝土应力的不断增加，其横向变形系数将不断增大，如果超过钢材的横向变形系数，则由于变形协调而在钢管和混凝土之间产生随外荷载大小而变化的相互作用力，使核心混凝土由42 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论单向受压变为三向受压，如果钢管可对混凝土提供足够的约束力，随着变形的增加，混凝土的应力应变关系曲线不会出现下降段，反之，如果钢管不能对其混凝土提供足够的约束力，则混凝土的应力应变曲线将会出现下降段，且下降段的下降趋势随约束作用的减弱而逐渐增强。本文考虑到钢管混凝土结构中，钢管对核心混凝土的约束作用对其强度所起的关键作用，参考韩林海提出的考虑约束效应系数的本构模型[1]（详见5.2.3）。4.4.3钢材的本构关系建筑用钢材的弹塑性理论是比较成熟的,常见钢材应力应变关系的计算模型（如图4.8示）可根据不同要求选用。理想弹塑性模型最简单，此模型适合钢材应变尚未进入强化段；二折线弹性强化模型屈服后应力应变关系为平缓的斜直线，可取'E0.01E；三折线或曲线的弹塑性模型更为复杂，但可较为准确描述大变形性能。ss图4.8钢材的本构模型Fig.4.8Theconstitutivemodelofsteel常用的强化本构模型有三种：等向强化模型、随动强化模型和混合强化模型，这些模型从不同的角度反映了钢材的特性。对于循环加载，应反映包辛格效应，通常采用随动强化模型或混合强化模型；等向强化模型，适合于单调加载的情况。4.5非线性问题解法固体力学（或结构力学）问题从本质上是非线性的，线性假设只是实际问题的一种简化。有限元分析中的线性假设包含下列含义，即结点位移为无限小，材料为线弹性，43 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论加载时边界条件的性质保持不变。由于[K]和{R}的元素为常数，故位移响应{δ}是载荷{R}的线性函数，如果上述假设中任一条不能满足，则属于非线性有限元分析[53]。非线性问题可以分为三类：几何非线性、材料非线性及边界条件非线性[54]。（1）几何非线性问题通常是由于结构的位移已相当大，以致必须按照变形后的几何位置建立平衡方程。严格地说，所有平衡问题都应采用变形后的几何位置写出其平衡方程。不过，如果位移是很微小，使得变形或位移对平衡条件影响可以忽略时，则可利用变形前的几何位置来建立平衡条件。由于变形后的几何位置是预先尚未知道的，这就给处理几何非线性问题带来一定的复杂性。（2）材料非线性问题是由于材料本身的非线性应力应变关系引起的。在钢筋混凝土结构中，存在着许多非线性因素，如：压区混凝土的弹塑性变形、拉区混凝土的开裂、钢筋的屈服和硬化，以及收缩、徐变、粘着滑移等，情况是比较复杂的。对这类非线性问题，若要进行微分方程的精确求解，简直是不可实现的，而用有限元方法来处理这类非线性问题却十分有效。（3）边界非线性问题是指边界条件的变化引起的非线性问题。若材料是弹性的，且为小变形，但由于边界条件的变化同样会产生非线性问题。边界非线性问题最多的是接触问题。无论哪一种非线性问题，总是最终归结为求解一个非线性的平衡方程组，采用数值法求解非线性方程，大致可以归纳为三类：迭代法、增量法以及增量迭代混合法[55][56]。4.5.1迭代法（1）常刚度迭代法在迭代过程中采用始终不变的刚度矩阵，所以这种迭代方法称为常刚度迭代法。其计算过程如图4.9所示。1用初始刚度K，求出位移的第一次近似值：KP010然后，按求出单元应变，再由单元应变求得单元应力D，由应力可11101T以求得相应的结点力为：PBdv144 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论图4.9等刚度迭代法Fig.4.9Sketchofequalstiffmethod这样，P与原加荷载的差为：PPP1111将P再施加于结构，仍用初始刚度K求得附加位移：KP10201从而求得第二次位移的近似值：212重复以上的步骤，即PkPPk1（4.57）k1K0Pkk1kk1直到与充分接近或P足够小为止。k1kk由于迭代过程中始终使用同一刚度矩阵，避免每次迭代重新计算刚度矩阵，因此每次迭代的时间相对较短，但收敛速度也要慢一些。（2）割线刚度迭代法割线刚度迭代法是变刚度迭代法的一种，每次迭代过程刚度矩阵采用结构即时的割线刚度，又称直接迭代法，其迭代过程如图4.10所示。图4.10割线刚度迭代法Fig.4.10Sketchofsecantstiffmethod在某级荷载P作用下，用初始刚度矩阵K求得位移的第一次近似值：01KP1045 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论然后利用求得单元的应变，进而求得应力。根据应力状态确定即时的本构矩1阵，根据这一本构关系矩阵即可求得新的割线刚度矩阵K。根据刚度矩阵K可求得111位移的第二次近似值：KP21重复上述步骤，每次由下式求得近似值，直到与充分接近为止。k1k1KP（4.58）k1k（3）切线刚度迭代法切线刚度迭代法也是一种变刚度迭代法，不同于割线刚度迭代法的是，迭代过程中它采用的不是割线刚度而是切线刚度。其迭代过程如图4.11所示，这一迭代法又称牛顿－拉普森（NewtonRaphson）迭代法。图4.11切线刚度法示意图Fig.4.11Sketchoftangentstiffmethod1该法首先取初始总刚矩阵K求位移的第一次近似值：KP010由初始位移求单元应变，进而求得单元应力，由单元应力可求得相应的节点荷载P；第二步，用相应于位移的即时切线模量K，在荷载PPP的作用111111下求得位移增量，即：KP2211从而求得位移的第二次近似值为：212重复以上步骤，即PkPPk1（4.59）k1KkPkk1kk1直到与充分接近或P足够小为止。k1kk4.5.2增量法46 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论增量法是求解非线性问题的一种有效方法，它是用一系列线性问题去逼近非线性问题，实质上是用分段线性去代替非线性。增量法的基本思想是将荷载划分成许多小的荷载部分(称为增量)。计算时每次只施加一级荷载增量。在施加每级增量的区间内，假设方程是线性的，即假设刚度矩阵K为固定的值，但在各级荷载增量中，K取不同值。每施加一级荷载增量R可以得到一个相应的位移增量，累加这些位移增量可以得到任一级荷载时的总位移。增量法实际上是在每一步增量步中都按线性问题求解，求解过程如图4.12所示，图4.12增量法求解过程Fig.4.12Thesolutionprocessofincrementalmethod如果结构初始状态的初荷载和初位移分别用R和表示(一般情况下它们均为00M零矢量)，并将总的荷载分成M个增量．则总荷载：RR0Rjj1i而施加了第i级增量之后，此时荷载列阵为：RiR0Rjj1在第i级加载后，位移、应变和应力分别为ii0jj1i（4.60）i0jj1ii0jj1具体求解时增量法又可分为始点刚度增量法、平均刚度增量法和中点刚度法三种。（1）始点刚度增量法始点刚度增量法是在当前一级荷载增量的计算时，采用前一级终了时的刚度矩阵。KR,i1,2,3,M（4.61）i1ii（2）平均刚度增量法47 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论为了提高计算精度，在每级增量计算中可以采用平均的刚度值，即根据上式先计算出这一级末了时的及作为临时值，再根据这临时的位移和力—应变关系计算ii出临时的K，然后将这一初始时的刚度度矩阵与这一级结束时的刚度矩阵(临时值)取i1平均值，当前这一级增量用于计算的平均刚度矩阵为：KiKi1Ki2于是第i级的位移增量计算式可改写为：KiiRi（4.62）（3）中点刚度增量法平均刚度增量法虽然能改善计算精度，但计算机要存贮两套刚度矩阵，占用较大的存储空间。为此改用中点刚度法。对于i级增量，首先施加荷载增量的一半，即，在已知第i级增量结束时的刚度矩阵情况下，按下式求出临时的位移增量：1i21KR（4.63）i11ii22'此时中点位移为：（4.64）1i11ii22由位移及应力－应变关系，确定中点的刚度矩阵，以此作为当前这一级荷载增量的刚度矩阵以下式重新计算当前第i级的位移增量。KR（4.65）1iii24.6本章小结本章详细介绍了方钢管混凝土柱钢梁节点有限元解法涉及的相关基本理论：1、随着电子计算机的广泛应用发展，为求解边值或初值问题而建立在待定场函数离散化基础上的有限单元法，具有极大的通用性和灵活性，适用于求解本文中新型节点的静力性能研究。2、有限单元法的基本方程由变分法推导出来，本章简要介绍了弹性力学的基本方程和变分原理。48 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点有限元基本理论3、有限元法分析的思路：物体离散化单元特性分析整体分析求解节点位移，具有计算模型多样、求解思路明晰和应用范围广泛等优点。4、详细介绍了钢材及混凝土两种材料的本构关系模型。5、三类非线性问题最终归结为求解一个非线性的平衡方程组，采用数值法求解非线性方程组，可归纳为迭代法、增量法以及增量迭代混合法。49 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析5方钢管混凝土节点非线性有限元分析5.1ANSYS简介现代计算机图形学的发展与应用，使得大型通用程序具备强大的前后处理功能，给广大用户实施有限元分析带来了方便。20世纪60年代以来，随着计算机的飞速发展和广泛应用以及有限元理论的日益完善，出现了许多通用和专业的有限元计算软件,并在各个领域得到了广泛的应用，在这个过程中，世界各国相继开发了许多通用的大型有限元程序，如ANSYS、ALGOR、NASTRAN和MARC等[57][58].其中ANSYS软件是国际流行的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，在各行各业得到广泛使用。ANSYS公司由JohnSwanson博士于1970年创建，总部位于美国宾州的匹兹堡，目前是世界计算机辅助工程（CAE）行业中最大的公司。ANSYS软件是融结构、流体、电磁学、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元CAE软件，广泛运用于机械制造、石油化工、航空航天、交通运输、能源、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学等工业领域及科学研究。ANSYS公司一直致力于分析软件的开发，不断汲取当今世界最新的计算机技术和计算方法，引领世界有限元技术的发展趋势。同时，该软件也是世界上第一个通过ISO9000认证的有限元分析软件，能够在巨型机、工作站和PC机上运行[59]。5.1.1ANSYS软件功能一个典型的ANSYS分析过程包括三个步骤:创建有限元模型、施加载荷并求解、查看分析结果。ANSYS软件功能的强大与它拥有的众多应用模块分不开的，在有限元分析过程中，通常主要使用以下三大模块：前处理模块(PREP7)、分析计算模块(SOLUTION)和后处理模块(POST1与POST26)[60][61]。(1)前处理模块是一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地建立有限元模型。主要实现三种功能：参数定义、实体建模、网格划分。参数定义包括定义单位制、单元类型、单元实常数、材料特性及使用的材料库。在ANSYS提供了两种实体建模方式：从低级到高级的建模；从高级到低级的建模。对于有限元模型图元的等级从低到高分别是：点、线、面、体。用户可以直接建立高级49 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析图元（如球体、圆柱），程序会自动定义相关低级图元。用户也可先定义点、线、面，然后生成体，无论采用那种方式建模，都需进行布尔操作组合数据，以构建分析模型。ANSYS系统的网格划分功能强大，使用方便。从使用选择的角度说，网格划分可分为系统智能划分和人工选择划分。从网格划分的功能来说，分四种：延伸划分、映像划分、自由划分、自适应划分。延伸划分是将一个二维网格延伸成一个三维网格。影像划分将一个几何模型分解成几部分，然后选择合适的单元属性与网格控制，分别划分生成影像网格。自由划分由ANSYS程序自带的网格自由划分器来实现，可以避免不同组件在装配过程中网格不匹配带来的问题。自适应网格划分是在生成具有边界条件的实体模型后，用户指示程序自动产生有限元网格，并分析估计网格的离散误差，再重新定义，直到误差低于用户定义的值。(2)分析计算模块包括结构分析（线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；(3)后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明等图形方式显示，也可将计算以图表、曲线显示或输出，还可对整个计算过程进行全程监控，生成监控文件，可从日志文件中提取与GUI操作方式相对应的命令流，可参考自动生成的错误信息文件对结果进行全方位的分析，还可提取计算过程中各单元的刚度矩阵、质量矩阵等。此外，ANSYS还提供了与多种软件的接口，如AutoCAD，Pro/E、Solidworks、SAP2000等，可与这些软件进行数据共享，最后，ANSYS还可允许用户通过软件自身提供的简便易学的APDL语言（ANSYSParametricDesignLanguage）和用户UPFS（用户可编程）特性在ANSYS基础上进行功能强大的二次开发，使用户能够采用ANSYS核心计算模块，全力打造自己的专业软件[62]。5.1.2ANSYS输入方式ANSYS提供多种输入方式：菜单方式、命令方式、函数方式，或这些方式的组合。(1)菜单方式是用鼠标在ANSYS菜单上进行选取，ANSYS通常会弹出各种对话框，以完成各项操作，对于新手来说，该种方式最简单。(2)命令方式是从命令行中输入命令及命令域的值。对常用且熟悉的命令，用该种方式更为快捷。并且，某些命令是菜单函数所不具有的，尤其是当用到宏语言时，通常50 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析只能用命令方式。更为重要的是，ANSYS高级版本提供了联想式输入，不仅使命令输入更为快捷，而且还提示用户以适当的顺序输入参数。(3)函数方式也是从命令行中输入，但只要输入命令，而命令域的值通过菜单输入，这样可以大大简化操作。5.1.3ANSYS8.0的用户界面ANSYS8.0增加了许多功能，如：改进接触单元算法、新的材料曲线拟合、子模型分析模块化及支持外形记忆模型等；并且运行更加快捷、界面更加友善[63]。图5.1ANSYS8.0用户设置界面图5.2ANSYS8.0用户主界面Fig.5.1UserSettingInterfaceofANSYS8.0Fig.5.2UserMainInterfaceofANSYS8.05.2方钢管混凝土节点ANSYS有限元模型5.2.1建立几何模型任何一个实体模型都是由点、线、面和体组成的，这些基本的点、线、面和体在ANSYS中称为图元。图元由底到高的排列顺序是：关键点、线、面、体、节点、单元。点连接成线，线构成面，面构成体，或者从另一方面说一个体包含了面，一个面包含了线，一条线包含了点。因此，有两种实体建模方法：自底向上法和自顶向下法[59]。（1）自底向上建模有限元模型的顶点在ANSYS中通常称为关键点（Keypoint），关键点是实体模型中最低级的图元。自底向上建立实体模型时，首先要定义关键点，再利用这些已有的关键点定义较高级的图元（线、面或体）。51 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析（2）自顶向下建模ANSYS中还允许用户首先创建较高级别的图元（这些图元包含有低级图元），然后再对其进行操作以创建模型。本文利用ANSYS8.0的菜单输入方式（路径：Menu>Preprocessor>Modeling）,通过Create子菜单输入实体关键点的三维坐标，采用自上而下的方法来创建几何模型。并通过Operate子菜单的布尔（Booleans）运算操作功能，对不同形状的实体进行加（add）、减（subject）、叠（overlap）、粘（glue）等操作；及Move/Modify子菜单对图元进行移动、修改，从而方便的实现了节点复杂几何实体的创建。考虑钢管中混凝土的受力状态，外荷载作用下钢管壁与混凝土的滑移影响较小，为简化分析，本文假定钢管与混凝土之间完全粘接，采用粘（glue）命令将管内混凝土与管壁粘接在一起，忽略管壁与混凝土之间的滑移影响[20]。参照图2.1中柱节点详图建完几何模型后，根据节点试件各部分的实际连接情况，利用程序中的粘(glue)工具将各几何体粘在一起，子菜单CheckGeom检查、核对模型的正确与否，最终形成完整、正确的几何模型。5.2.2选取单元类型在ANSYS的单元库中，有100多种已经定义好的单元类型。在结构分析中，常用的单元类型有StructuralMass、Link、Beam、Solid、Shell、HyperElastic、MooneyRivlin等。每种单元都有各自不同的特性，ANSYS通过赋予单元不同的名称和参数来加以区别。有限元的单元类型从不同的角度看，有不同的分类，单从维数不同就有一维单元、二维单元（平面单元）、三维单元（体单元）。它们的共同特点是通用性强，比如对于平面单元，既可以做板单元，也可以做壳单元。常用的用来模拟工程中的各种结构和材料单元有：link1（二维杆单元）、plane2（平面6结点三角形板单元）、beam3（二维梁单元）、shell28（平面板壳单元）、solid65（混凝土六面体单元）等。(1)本文所研究的钢管混凝土节点,核心混凝土采用Solid65单元（如图5.3）。这种单元是ANSYS程序中专门用于模拟混凝土材料的，可以模拟混凝土的受拉开裂和受压破碎等现象，适用于素混凝土、钢筋混凝土、玻璃纤维增强混凝土等材料，还可考虑混凝土的塑性、徐变、大变形、大应变等，又称为三维钢筋混凝土实体单元。52 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析(2)钢材采用Solid45和Solid92单元（主要考虑节点区域复杂网格的划分），其中Solid45单元(具有8个结点，每个结点有3个自由度)结合金属材料特性，可用于模拟大多数金属材料,又称为三维结构单元（3-DStructuralSolid）。Solid92单元(具有10个结点，每个结点有3个自由度)具有二次变形特性，非常适合不规则模型的网格划分(如图5.4)。具有塑性（plasticity）、徐变（creep）、膨胀（swelling）、应力刚化（stressstiffening）、大变形（largedeflection）和大应变（largestrain）。图5.3Solid65单元图5.4Solid92单元Fig.5.3Solid65GeometryFig.5.4Solid92Geometry下面给出了定义单元类型的程序（ANSYS命令流），使用ET命令:!************************************!---------定义材料的单元类型-----------------!************************************et,1,solid65!单元类型为solid65，用于混凝土et,2,solid45!单元类型为solid45，用于钢板et,3,solid92!单元类型为solid92，用于钢板5.2.3定义材料属性ANSYS软件拥有庞大的单元库，可用来模拟各种常见材料的性能，而且程序内置的材料强化模型也有许多种（如混凝土弹塑性理论中的等向强化模型BISO、MISO，随动强化模型BKIN、MKIN、KINH，混合强化模型CHABOCHE等），应该说ANSYS为用户输入复杂材料的各种材料特性提供了极大的方便，从而使程序能够真实有效地模拟材料的物理性能、力学性能以及材料实际的工作状态[64]。我们的研究对象由两种性能截然不53 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析同的而且具有几何非线性和材料非线性的材料组合而成的构件。因此，如何将钢材与混凝土的材料性能输入程序成为计算机模拟的关键问题之一[65][66]。(1)对于混凝土，本文考虑到钢管混凝土结构中，钢管对核心混凝土的约束作用对其强度所起的关键作用，参考了韩林海提出的考虑约束效应系数ξ的本构模型[1]。核心混凝土单向加载时的应力-应变关系曲线，在受压区按式（5.1）确定：2AcBc()0c000（5.1）c1c()0c00cc－1＋00式中130.452；f1.1940.25()(0.078450.5789)0ckfckfck0.2；0.951400800(1)0cc200130014.93f1.601.5ccck；；c10.10.75fck(3.0)10.751f0.1(3.0)ck1(2)2由式(5.1)可见（定义Xc）,当X≤1时,即核心混凝土达到峰值应力前,应力0应变关系和Hognested等提出的素混凝土模型在形式上类似。当X>1时，核心混凝土的应力应变关系则随着钢管混凝土约束效应系数ξ的变化而变化。图5.5为钢管中的核心混凝土典型的应力应变曲线。图5.5核心混凝土应力应变曲线54 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析Fig.5.5Stressstraincurveofcoreconcrete在受拉区，核心混凝土的应力-应变关系按式（5.2）确定。6y1.2x0.2xx-1x(5.2)yx>-10.312(x1)1.7xpcc式中x；y；pp2—峰值拉应力；0.26(1.25)f3ppc—峰值拉应力时的应变；43.1(u)ppp根据混凝土单向受压试验结果及对钢管混凝土轴压试验结果的计算，提出核心混凝土泊松比的计算公式：cfck0.1730.55+0.251033.5c1.5(5.3)c20fck0.1730.70360.4>0.55+0.25100fck33.5ANSYS是采用输入多个数据点的方式来模拟材料的本构曲线的，对于多线性等向强化模型MKIN，程序允许每个参考温度可一次性输入多达100个数据点。程序会根据用户输入的数据点来自动计算材料的初始弹性模量，且要求用户输入的弹性模量不能小于程序根据数据点自动计算出的弹模，否则程序会拒绝继续执行，从而达到模拟材料的非线性本构曲线的目的。我们采用多线性等向强化模型，首先输入混凝土的弹性模量和泊松比，然后再按照所选择的本构模型，根据程序要求输入多个数据点。选择命令Structural>Nonlinear>Inelastic>RateIndependent>IsotropicHardeningPlasticity>MisesPlasticity>multilinear,弹出对话框(图5.6)。55 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析图5.6定义混凝土的材料属性Fig.5.6Definingmaterialpropertiesofconcrete(2)对于钢材，假定钢材为初始各向同性材料，采用Von.Mises屈服条件，我们采用适合大多数金属的双线性随动强化模型(BKIN)。首先按照程序要求输入钢材的弹性模量和泊松比，再输入屈服应力和切线模量。选择命令Structural>Nonlinear>Inelastic>RateIndependent>KinematicHardeningPlasticity>MisesPlasticity>Bilinear,弹出对话框(图5.7)。图5.7定义钢材的材料属性Fig.5.7Definingmaterialpropertiesofsteel5.2.4实体模型网格划分在定义完钢材和混凝土的材料特性后，进行三维实体模型网格的划分。ANSYS的实体网格划分有三种方式：自由网格划分、映射网格划分和体扫掠网格划分[62]。自由网格划分对实体模型无任何特殊要求，主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间呈不规则排列，适应于复杂形状的边界，只能包含四面体大怒元，其分析精度不高。映射网格划分是将规则的形状映射到不规则的区域，它所生成的网格相互之间是规则排列的，分析精度较高，但是它要求划分区域满足一定的几何拓扑条件，否则不能进行映射网格划分。单元尺寸和形状都可以通过SizeControl进行控制。体扫掠可将体的一个边界面网格（也称源面）扫掠贯穿整个体，同时在扫掠过程中根据源面网格对体划分网格，生成单元和节点。如果源面网格由四边形网格组成，体将生成六面体单元。如果源面由三角形网格组成，体将生成楔形单元。如果源面由三角形和四边形共同组成，则体将由楔形和六面体共同填充[60]。56 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析本文对于远离节点区域的上下段柱和H型钢梁采用体扫掠（Sweep）网格划分，划分出规则的六面体单元；节点区域构造复杂、受力集中，是重点研究对象，采用三角形单元进行精确划分。划分的结果如下图5.8所示，节点区域网格相对密集,远离节点域的梁柱,单元网格可相对稀疏。图5.8节点网格划分图Fig.5.8Meshinggraphofconnection5.3荷载施加与求解器选择5.3.1荷载的施加方式在ANSYS程序中，用户可以把荷载施加在实体模型上，也可施加在有限元模型上，这两种加载方式各有优缺点[62]。（1）实体模型加载的优缺点57 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析实体模型加载的优点是：①实体模型加载独立于有限元网格。即可以改变网格划分而不会影响载荷。②与有限元模型相比，实体模型通常包含较少的子结构，因此特别是在图形用户界面（GUI）下，通过图形选取加载，选择实体模型施加通常更为简单。实体模型加载的缺点是：①ANSYS分网命令产生单元是在当前活动单元坐标系下进行的。而分网命令产生的节点使用的是全局坐标系。所以，实体模型和有限元模型的坐标系不同，载荷方向也相应地可能不同。②在缩减分析中，当只需要主自由度载荷时，实体模型加载不是很方便。这是因为主自由度只能在节点上定义，而不能在关键点上定义。③当采用了约束扩展(在两个关键点连线上的所有节点都将受到约束)时，在关键点上应用载荷是很困难的。④实体模型载荷不能直观显示。（2）有限元加载的优缺点有限元加载的优点是：①在缩减分析中很方便实用，因为可以直接选取主自由度加载。②不需要担心约束扩展，可以简单地选择节点，然后应用适当约束，有限元加载的缺点是；①任何有限元网格的修改都将影响载荷，所以需要删除以前的载荷并重新加载。②除非只有较少节点，否则在图形选取中加载是极不方便的。但是，实体模型载荷在ANSYS求解前，将自动转换为有限元模型上的载荷，也可以把实体模型载荷转换到有限元模型上。所以，如果在某些单元上定义了载荷，然后又定义了包含该单元的实体载荷，后者将把前者覆盖。5.3.2节点的边界约束及加载顺序本文分析的是方钢管混凝土柱-钢梁十字型节点的受力模型，先加柱顶竖向荷载，再加柱顶水平荷载。在进行几何建模时,按图5.9进行区域分块。柱底的约束在模型底面B上以面荷载的方式施加，在梁端三分之一的部分，对上下翼缘的中心线L进行约束，约束其Z向的移动；在施加竖向荷载前，对梁端的工字型截面M施加Y向约束。最终得到图5.10节点模型边界约束。58 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析荷载的施加方式：柱顶轴力以面荷载的形式施加在柱顶面S上，柱顶水平力以位移的形式施加在顶面的中心点处。施加完竖向荷载，再施加水平荷载。图5.9模型分区示意图图5.10模型边界约束图Fig.5.9SketchforconnectionareadividingFig.5.10Graphfordisplacementonmodelconstraint5.3.3求解器选择ANSYS中求解器的选择，其实就是在求解非线性方程时计算方法的选择。程序提供了多种修正即时刚度矩阵的计算方法，如全牛顿－拉普森解法、修正的牛顿－拉普森解法、初始刚度的牛顿－拉普森解法等。完全的牛顿－拉普森处理方法〔NROPT，FNLL〕，在这种处理方法中每进行一次平衡迭代修改刚度矩阵一次。如果自适应下降是关闭的，程序每一次平衡迭代都使用正切刚度矩阵。如果自适应下降是打开的（缺省），只要迭代保持稳定（也就是，只要残余项减小，且没有负主对角线出现）程序将仅使用正切刚度阵。如果在一次迭代中探测到发散倾向，程序抛弃发散的迭代且重新开始求解，应用正切和正割刚度矩阵的加权组合。当迭代回到收敛模式时，程序将重新开始使用正切刚度矩阵。对复杂的非线性问题自适应下降通常将提高程序获得收敛的能力。修正的牛顿－拉普森方法（NROPT，MODI），在这种方法中正切刚度矩阵在每一子步中都被修正。在一个子步的平衡迭代期间矩阵不被改变。这个选项不适用于大变形分析。自适应下降不可用。初始刚度（NROPT，INIT）：程序在每一次平衡迭代中都使用初始刚度矩阵这一选项比完全选项似乎较不易发散，但它经常要求更多次的迭代来得到收敛。它不适用于大变形分析。自适应下降不可用。52 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析程序选择（NROPT，ANTO）：程序基于你模型中存在的非线性种类选择用这些选项中的一个。在需要时牛顿－拉普森方法将自动激活自适应下降。从上面各种求解方法的介绍中，我们不难看出各种方法的优点和适用范围。为了最大程度地获得最终收敛结果，我们采用程序的缺省求解设置，即允许程序自动选择一个最适合用户模型的求解器。5.4收敛准则与荷载子步数确定收敛准则和荷载子步数的选取不仅关系到计算精度，还将决定求解过程所运行的时间和求解过程收敛的成败，对计算过程影响较大，现结合计算经验对其进行简要介绍。5.4.1收敛准则收敛准则可以通过选择MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Nonlinear>ConvergenceCrit，弹出求解收敛准则控制对话框。选择Replace就可以弹出对话框，然后在相应的位置设置用户自定义的收敛准则。我们可以用缺省的收敛准则，也可自己定义收敛准则[63]。(1)缺省的收敛准则依据缺省，程序将以VALUE·TOLER的值对力（或力矩）进行收敛检查。VALUE的缺省值是在所加载荷（或所加位移，Netwton-Raphson恢复力）的SRSS，和MINREF（缺省为1.0）中，取值较大者。TOLER的缺省值是0.001应当几乎总是使用力收敛检查。可以添加位移（或者转动）收敛检查。对于位移，程序将收敛检查建立在当前（i）和前面（i1）次迭代之间的位移改变之上。以力为基础的收敛提供了收敛的绝对量度，而以位移为基础的收敛仅提供了收敛的相对量度。因此，一般都必须保留使用以力（力矩）为基础的收敛容限。如果需要可以增加。如果用户明确地定义了任何收敛准则（CNVTOL），缺省准则将“失效”。因此，如果定义了以位移（或转动）为基础收敛检查，用户必须再定义力收敛检查[58]。(2)用户收敛准则可以定义用户收敛准则，替代缺省的值。使用严格的收敛准则将提高结果的精度，但以更多次的平衡迭代为代价。如果用户想严格（或放松）自定义准则，应当改变TOLER两个数量级。一般地，应当继续使用VALUE的缺省值；即通过调整TOLER，而不是VALUL改变收敛准则。应当确保MINREF=1.0的缺省值在分析范围内有意义。60 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析在单一和多DOF系统中检查收敛，要在单自由度（DOF）系统中检查收敛，必须对这一个DOF计算出不平衡力，然后对照给定的收敛准则（VALUE*TOLER）参看这个值（同样也可以对的单一DOF的位移(和旋度)收敛进行类似的检查。）然而，在多DOF系统中，用户也许想使用不同的比较方法。ANSYS程序提供三种不同的矢量范数用于收敛核查。（1）无限范数在模型中的每一个DOF处重复单－DOF核查。（2）L1范数将收敛准则同所有DOFS的不平衡力（力矩）的绝对值总和相对照。（3）L2范数用所有DOFS不平衡力（或力矩）的平方和的平方根进行收敛检查。5.4.2荷载子步数确定荷载子步的设置可以通过选择MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Nonlinear>Time/Frequenc>TimeandSubstps，弹出荷载子步控制对话框，然后在Numberofsubsteps中输入要定义的子步数即可。当使用多个子步时，需要考虑精度和代价之间的平衡。较多的子步通常导致较好的精度，但以增加运行时间为代价。ANSYS提供两种方法来控制子步数[62]：①指定子步数如果我们对结构在整个加载历史期间的非线性行为有足够的了解，可以确保得到收敛解，那么就可以人为指定子步数,当然这需要较丰富的计算经验，同时必须确保足够多的迭代次数。②自动时间分步如果结构的行为将从线性到非线性变化，需要程序在结构非线性期间变化时间步长，或者对结构的非线性行为缺乏足够的了解，就可以激活自动时间分步，以便随求解需要调整时间步长，获得精度和代价之间的良好平衡。如果不能确定问题的收敛性，还可以使用自动时间分步来激活ANSYS程序的二分法。二分法提供了一种对收敛失败自动矫正的方法。无论何时只要平衡迭代收敛失败，二分法将把时间步长分成两半，然后从最后收敛的子步重启动，如果已二分的时间步再次收敛失败，二分法将再次分割时间步长然后重启动，持续这一过程直到获得收敛或到达最小时间步长（由用户指定）。61 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析如果预料结构在它的载荷历史内在某些点将变得物理意义上不稳定（也就是说结构的载荷—位移曲线的斜度将为0或负值），用户可以使用弧长方法来帮助稳定数值求解。当合适时，可以和弧长方法一起使用许多其它的分析和载荷步选项。5.4.3收敛准则与荷载子步数确定的一般原则（1）一般地，增加荷载的子步数，有利于求解的收敛。但子步数并非越多越好，子步设置太大或太小都不能正常收敛。可以先给定较少的子步数，然后打开程序的自动荷载步，根据其自动调整的子步数，逐次确定应该设置的子步数。（2）设定荷载子步不收敛，不应盲目增加荷载子步数，应先加大最大迭代次数。（3）放宽收敛条件可以加速收敛，但收敛精度的调整并不能彻底解决收敛问题。只有上述增加子步数和迭代次数的方法都失效或耗时太长的情况下，才考虑放松收敛精度。放松的原则：随着荷载的加大逐步少量进行放松，力的收敛容差一般不大于5％。（4）适当的网格密度有助于求解过程的收敛，网格太密或太疏对求解收敛性都有不良影响。对于结构究竟多少合适，并没有特别的规律，只能针对具体情况慢慢试算。（5）打开线性搜索、线性预测选项可以加速收敛；对于结构的软化段，可以考虑采用弧长法，以加速收敛。5.5节点非线性有限元分析中柱节点ZZ1试件按照上述方法建模后，进行了单调加载的非线性有限元分析，以考察节点的力学性能，并且分析混凝土抗压强度(fcu)和轴压比(n)等因素对荷载位移曲线的影响。5.5.1节点的变形、应力及破坏机理分析（1）节点域钢材内力、变形分析在恒定轴力N=1300kN下，节点的变形图5.11、Von-Mises应力图5.12所示。62 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析图5.11轴压作用下节点变形图5.12轴压作用下节点Von-Mises应力Fig.5.10DeformationgraphunderverticalloadFig.5.11Von-Misesstressgraphunderverticalload中柱在轴力N=1300kN和水平力共同作用下，节点的变形图、水平位移图、Von-Mises应力、剪应力图、主应力矢量，如图5.13、5.14、5.15、5.16、5.17所示。图5.13中柱节点变形图5.14中柱节点水平位移Fig.5.13DeformationgraphofconnectionFig.5.14Horizondisplacementgraphofconnection图5.15中柱节点VonMises应力图5.16中柱节点XY面剪应力Fig.5.15Von-MisesstressgraphofconnectionFig.5.16XYplaneshearstressgraphofconnection63 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析图5.17中柱节点在轴力和水平力共同作用下主应力矢量图Fig.5.17Vectorgraphofconnectionunderverticalandhorizontalloading从中柱受力后的相关应力图中可以看出，梁端上下翼缘与水平隔板，以及隔板连接的焊缝处出现应力集中现象。且在梁柱连接的隔板处XY面剪力较大。从主应力矢量图中也可看出最大主应力的位置，从而推断出首先发生破坏的区域，这与试验现象相吻合。（2）节点域混凝土内力、变形分析节点核心区钢管内混凝土坐标轴方向应力分布、XY面剪力及混凝土裂缝分布，如图5.18、5.19、5.20所示。钢管内砼X方向应力Y方向应力Z方向应力5.18中柱节点核心混凝土应力Fig.5.18Stressgraphofcoreconcreteinmiddlecolumnconnection64 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析图5.19节点核心混凝土XY面剪应力图5.20节点核心混凝土VonMises应力Fig.5.19XYplanestressgraphofcoreconcreteFig.5.20VonMisesshearstressgraphofcoreconcrete在节点核心区域内，混凝土由于钢管柱壁板的约束作用，在外荷载作用下，其主应力状态为一向受拉，两向受压，由节点区域混凝土的剪应力在XY平面内的分布云图可知：剪应力的分布为中间大，两端小，由此推断，节点区域核心混凝土的剪力在节点域中心最大，并以球面状向外减小。有限元理论分析节点的破坏总的情况是：所有节点梁端截面均完全达到屈服而形成塑性铰，大部分区域的钢材已进入强化阶段。由于方钢管混凝土梁柱节点中，钢管混凝土柱的刚度远远大于H型钢梁，属于典型的强柱弱梁形式，且在节点区域，柱子是贯通的，故在外荷载作用下，柱子的承载力较梁的要大，因此梁柱节点首先在梁端形成塑性铰，而后破坏。此破坏机理已在试件和实际试验时被证实。5.5.2混凝土抗压强度不同时节点的受力性能分析本文采用的核心混凝土立方试块强度(fcu)、轴心抗压强度标准值(fck)及圆柱体强度(fc)之间的换算关系，如表5.1所示。表5.1混凝土轴压强度不同表示值之间的近似对应关系Table5.1Relationofapproximatecorrespondingandconcretestrengthtypicalvalue强度等级C30C40C50fck/MPa2026.833.5fc/MPa243341Ec/MPa300003250034500注：fck按照国家标准GB500102002和陈肇元等(1992)中的方法确定[5][28]。65 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析取柱轴压N=1300kN，节点核心混凝土分别取表5.1三种强度等级C30、C40、C50单调加载，分别对不同混凝土强度等级构成的中柱节点，经ANSYS8.0非线性有限元计算机数值模拟，得到的荷载-位移曲线如图5.21所示。1201008060荷载/kN40C30C4020C50试验0051015202530354045位移/mm图5.21单调加载时荷载-位移曲线Fig.5.21Displacementloadcurvesundersingleloading由图5.21ANSYS8.0模拟单调加载作用时荷载-位移曲线发现：（1）P-Δ数值模拟曲线无下降段，而试验曲线却有明显下降段。这是由于程序中提供的材料模型大多数是基于经典材料力学理论的均质材料模型，材料的延性较好；试验中因加载后期焊缝断裂或局部屈曲等因素而使承载力下降，试验曲线有下降段。（2）对比节点的试验曲线与有限元计算的曲线,还可以看出：有限元理论计算的刚度和承载力比试验值大；理论分析的屈服位移均小于试验所得的屈服位移。因为，一般情况下试验中构件的支座、梁端支承，达不到理论分析中的绝对刚性所致。（3）对比混凝土强度等级分别为C30、C40、C50的数值模拟曲线，可见，在其它条件相同情况下，中柱节点的弹性阶段刚度和屈服荷载，随着混凝土抗压强度的增加逐渐提高，但增加幅度不大。5.5.3轴压比不同时节点的受力性能分析按照公式n=N/(fAfA)(聂建国),算得混凝土强度取C30等级，柱轴压比n取ycf,scc不同值时，节点中柱轴向压力值，如表5.2所示。表5.2不同轴压比与柱轴向压力之间的对应关系Table5.2Relationofaxialcompressionratioandaxialpressureforce轴压比n0.200.380.60N/kN7001300210066 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析当节点核心混凝土强度等级C30时，按照表5.2数据，建立非线性有限元模型，采用ANSYS8.0进行计算机数值模拟，得到轴压比n=0.20、0.38、0.60荷载位移曲线，如图5.22所示。1008060荷载/kN40n=0.2020n=0.38n=0.60001020304050位移/mm图5.22单调加载时荷载-位移曲线Fig.5.22Displacementloadcurvesundersingleloading由图5.22可看出不同轴压比n情况下，方钢管混凝土柱钢梁节点受力性能的变化规律：（1）n对中柱节点弹性阶段的刚度影响不大。这是因为，随着n的增加，核心混凝土的受压面积不断增加，从而使截面的抗弯刚度有所提高，但影响并很大，一方面，随n的增大，核心混凝土的初始应力增大，使混凝土的模量有一定增加；另一方面，在常用约束效应系数的范围内，核心混凝土对截面抗弯刚度的贡献只占一小部分，使混凝土受压面积的增加对截面抗弯刚度影响不大。（2）n对中柱节点屈服荷载的影响是：n较小时，n的提高会使屈服荷载有一定程度的提高；但当n较大时，屈服荷载却随n的增加而减小。5.6本章小结本章针对方钢管混凝土柱-钢梁外隔板节点的实际情况，应用大型通用有限元程序ANSYS8.0，在第三章钢材和混凝土的材料本构模型和破坏准则研究的基础上，对中柱节点进行了三维实体建模，通过合理的单元选取和网格划分，模拟单调加载作用下节点的受力性能，对理论和试验的分析结果进行了比较，并且分析混凝土抗压强度和轴压比等因素对节点力学性能的影响。得出以下结论：67 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土节点非线性有限元分析1、方钢管混凝土梁柱节点破坏时，柱的刚度远大于H型钢梁，梁端屈服形成塑性铰，节点域的钢材进入强化阶段。满足“强柱、弱梁、节点更强”的一般原则。2、节点域混凝土受三向约束效果明显，混凝土的工作性能良好，虽然可能出现混凝土的开裂或压碎，但不存在压溃现象。3、在其它条件相同情况下，中柱节点的弹性阶段刚度和屈服荷载，随着混凝土抗压强度的增加逐渐提高，但增加幅度不大；理论计算的刚度和承载力比试验值大；理论分析的屈服位移小于试验所得的屈服位移。4、不同轴压比n对中柱节点弹性阶段的刚度影响不大；n较小时，屈服荷载随n的提高会使有一定程度的提高；但n较大时，屈服荷载却随n的增加而减小。68 山东科技大学硕士学位论文节点的设计建议及结论6节点的设计建议及结论6.1节点的设计建议有限元模拟结果表明，在保证焊接质量的前提下，新型节点具有良好的承载力，能够满足“强柱弱梁、节点更强”的原则。为促进新型节点在实际工程中推广应用，有必要形成相关设计建议。6.1.1节点域对接焊缝的改进从中柱节点受力后的相关应力图及主应力矢量图中可以看出，梁端上下翼缘与水平隔板，以及隔板连接的焊缝处出现应力集中现象，并且与试验现象相吻合。为保证节点整体工作性能，提出以下改进措施：（1）对接焊缝分为焊透和不焊透两种，不焊透对接焊缝有效厚度小于焊件厚度，焊缝强度比焊透的低30~40%。本文研究的新型节点，对接焊缝连接是应力传递的重要环节，应采用具有V形斜坡口、焊透的对接焊缝，其具体形式应按《手工电弧焊焊接的基本型式与尺寸》的要求进行[67]。（2）焊缝施焊工艺应满足以下要求：坡口表面打磨至有金属光泽，以减少气孔；坡口表面平整，不得有深度大于0.5mm的凹陷，以便于清洁；选择适当的焊接电流，一般选用一面焊接两面成形的焊接电流，推荐的参考数据[68]如下：Φ2.5mm焊条，立焊，60~70A；Φ3.2mm焊条，立焊，90~105A；Φ4.0mm焊条，立焊，135~155A。（3）鉴于新型节点对接焊缝的重要性，在焊接过程中还应加强对接焊缝的质量检测。《钢结构设计规范》[29]规定焊缝质量分为一、二、三级，一、二级焊缝须对焊缝内部缺陷检测，检验标准详见《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》（GB11345-89）。本文研究的新型节点，应按一、二级标准对其焊缝进行检验。根据《钢结构工程施工和验收规范》（GB50250-95）规定，对一、二级焊缝内部质量进行超声波探伤检测，检测比例分别是焊缝长度的100%、20%，且不得小于200mm。6.1.2强柱弱梁验算工程设计时还应保证塑性铰首先出现在梁端,减缓柱端屈服，参考《建筑抗震设计规范》（GB500112001），新型节点设计时还应满足下列公式68 山东科技大学硕士学位论文节点的设计建议及结论aaMcyMby（6.1）式中,aaM节点处柱端实际受弯承载力；M节点处梁端实际受弯承载力。cyby6.1.3节点连接焊缝的抗弯验算节点域与柱翼缘间的连接焊缝由对接焊缝和角焊缝组成，节点翼缘通过对接焊缝与柱翼缘连接，节点腹板通过角焊缝与柱翼缘连接。对接焊缝可看作焊件截面的延续部分，其应力分布与焊件基本相同，根据钢结构中焊缝的计算方法，得到连接焊缝的抗弯承载力计算公式wMfW（6.2）wtw式中,wf对接焊缝的抗拉强度；W焊缝截面的抵抗矩。tw因此，节点连接焊缝的抗弯验算公式如下MM（6.3）mw式中,M节点处梁端弯矩设计值；弯矩调整系数，抗震时取1.2，非抗震时取1.0。m6.1.4节点连接焊缝的抗剪验算柱翼缘与梁端通过节点连接焊缝传递弯矩和剪力，因此，还需对连接焊缝进行抗剪验算。采用简化的计算方法，假设腹板角焊缝承受全部剪力，得到节点连接焊缝的抗剪验算公式VV（6.4）vj式中,V-节点处梁端剪力设计值；-剪力调整系数，抗震时取1.3，非抗震时取1.0；vV-节点连接焊缝极限抗剪承载力，j69 山东科技大学硕士学位论文节点的设计建议及结论6.1.5节点抗弯强度验算节点核心区的抗弯强度可以按照下式验算MM（6.5）mj式中,M-节点处梁端弯矩的设计值；M-节点的抗弯设计承载力，计算公式见式（2.5）；j-弯矩调整系数，抗震设计时取1.2，非抗震设计时取1.0。m6.1.6节点核心区抗剪强度验算节点核心区的抗剪强度可以按照下式验算VV（6.6）vj式中,V节点所受剪力设计值；V节点的抗剪承载力设计值，计算公式见式（2.18）；j剪力调整系数，抗震设计时取1.3，非抗震设计时取1.0。v6.1.7其它要求为改善节点域应力集中现象，节点区翼缘板宽度与柱宽相等，厚度一般取为钢梁翼缘厚度的1.2~1.5倍，并应从宽度方向从两侧做成坡度不大于1/4的斜角；节点区腹板与钢梁腹板取相同厚度[69]。节点区腹板与钢管柱的连接焊缝采用角焊缝，其具体形式和尺寸应符合《手工电工焊焊接的基本型式与尺寸》的要求；节点区与钢梁的连接根据实际情况可采用焊缝连接或者高强螺栓连接。6.2结论本文的研究工作主要有三大部分：（1）方钢管混凝土节点静力试验研究；(2)方钢管混凝土节点承载力理论分析，重点是应用屈服线理论,节点研究模型选取、传力机理研究及抗弯抗剪承载力公式的提出；(3)合理选用钢材和混凝土的材料本构模型和破坏准则的基础上，应用大型通用有限元程序ANSYS8.0，对中柱节点进行了三维实体建模，通过合理的单元选取和网格划分，模拟单调加载作用下节点的受力性能，对理论和试验的分析结果进行比较，分析节点力学性能及混凝土抗压强度和轴压比因素的影响。70 山东科技大学硕士学位论文节点的设计建议及结论主要得到如下结论：1、方钢管混凝土梁柱节点破坏时，柱的刚度远大于H型钢梁，梁端屈服形成塑性铰，节点域的钢材进入强化阶段，满足“强柱、弱梁、节点更强”的一般原则，节点设计合理，整体工作性能良好，具有工程实际运用价值。2、新型方钢管混凝土柱钢梁节点的传力路径为：钢梁梁端弯矩主要由梁翼缘传到外隔板，进而传到柱翼缘，最终传递给钢管内的混凝土。方钢管混凝土柱内填充混凝土有利于抑制柱腹板的屈曲变形，据此利用屈服铰线理论和虚功原理，并现有研究成果，得到该新型外隔板节点的抗弯承载力公式和抗剪承载力公式。3、节点的抗弯承载力研究中，选取节点梁翼缘受拉模型为研究对象，分析节点的受力与传力机制，并且通过假设的柱翼缘屈服机制，根据屈服线理论得到节点的抗弯承载力公式（3.5）。节点核心区剪力主要由柱腹板与柱翼缘焊缝、柱腹板和核心混凝土共同承担。通过合理的选取计算模型，分别推导出各部分抗剪强度。假设节点达到极限状态前柱腹板不会屈曲，通过叠加得到节点的抗剪承载力公式（3.18）。4、节点域混凝土受三向约束效果明显，混凝土的工作性能良好，虽然可能出现混凝土的开裂或压碎，但不存在压溃现象。5、在其它条件相同情况下，中柱节点的弹性阶段刚度和屈服荷载，随着混凝土抗压强度的增加逐渐提高，但增加幅度不大；理论计算的刚度和承载力比试验值大；理论分析的屈服位移小于试验所得的屈服位移。6、轴压比n对中柱节点弹性阶段的刚度影响不大；当n较小时，屈服荷载随n的提高会有一定程度的提高；但n较大时，屈服荷载却随n的增加而减小。71 山东科技大学硕士学位论文参考文献参考文献1.韩林海.钢管混凝土结构[M],北京:科学出版社,2000,156.2.蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M],北京:人民交通出版社,2003.3.钟善桐.钢管混凝土结构(第三版)[M],北京:清华大学出版社,2003.4.蔡绍怀.我国钢管混凝土结构技术的最新进展[J],土木工程学报,1999（4）.5.韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M],北京:科学出版社,2004,148.6.沈之容,蒋涛.矩形钢管混凝土结构的经济分析[J],特种结构,2001,18(4):14.7.樊海涛.矩形截面钢管混凝土结构的特点及其研究现状[J],株洲工学院学报,2002,16(4):6465.8.韩林海,陶忠.方性截面钢混凝土构件的设计计算[J],钢结构,1998,13(42).9.余勇,吕西林,田中清,佐佐木聪.方钢管混凝土柱与钢梁连接的拉伸试验研究[J],结构工程师,1999,（1）.10.吕西林,李学平.方钢管混凝土柱与钢梁连接设计方法[J],同济大学学报,2002,30(1).11.向黎明,吕西林.高层钢管混凝土结构节点形式介绍[J],结构工程师,2000(4).12.向黎明,吕西林,曹阳.新型钢管混凝土柱-梁节点抗震性能研究[J],结构工程师,2001,(3):2024.13.樊海涛,周绪红.T型矩形钢管混凝土受压节点试验研究[J],湖南大学学报，2002，29(1).14.陈志华,苗纪奎.方钢管混凝土柱-H型钢梁外肋环板节点研究[J],工业建筑,2005,35(10).15.韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M],北京:中国建筑工业出版社,2004,18.16.吕西林,李学平.方钢管混凝土柱外置式环梁节点的试验及设计方法研究[J],建筑结构学报,2003,24(1).17.Kang.C.H,Moon.T.S,BehaviorofconcretefilledsteeltubularBeamcolumnundercombinedaxialandlateralforces[A]Proc.offifthPacificStrutureSteelConf[C]Seoul,Korea,p961966.18.王来,王铁成,邓芃.方钢管混凝土框架内隔板节点抗震性能的试验研究[J],地震工程72 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山东科技大学硕士学位论文攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果1发表的论文1.新型方钢管混凝土节点的三维非线性有限元分析[J],山东科技大学学报（自然版）,2006(1)增刊.2参加的研究课题1.2003.12-2005.5山东科技大学与山东莱钢建设集团开发新型方钢管混凝土节点的合作项目.77