董恒，王汉伟，吴松金（长安大学建筑工程学院，陕西西安710061）
摘要：为研究带有栓钉的钢管混凝土柱埋入钢筋混凝土基础梁柱脚节点的抗冲切性能，选取不同的栓钉长度对构件进行非线性有限元分析，研究栓钉长度对钢管混凝土栓钉柱脚节点抗冲切性能的影响。结果表明：随着栓钉长度的增加节点承载力提高。
关键词：钢管混凝土；柱脚节点；栓钉长度；冲切；有限元分析
0引言
钢管混凝土柱脚节点是推广钢管混凝土在高层建筑中应用的关键技术之一，栓钉作为埋入式钢管混凝土柱脚节点的加强措施应用较广。钢管混凝土柱脚节点冲切破坏问题是钢管混凝土结构应考虑的重要问题之一。在钢管混凝土柱外焊接栓钉可有效提高柱脚节点抗冲切能力，但规范［1-3］中对此没有明确的规定，具体的计算和构造条文很少。本文针对栓钉长度对节点冲切承载力的影响进行了分析研究。在文献[6]的基础上应用ansys有限元软件对钢管混凝土栓钉柱脚节点的受力性能进行了分析研究。通过改变栓钉长度这一参数，对钢管混凝土栓钉柱脚节点进行非线性有限元分析来研究栓钉长度对柱脚节点承载力的影响。
1有限元模型
1.1有限元模型的建立
1.1.1单元模型的选取与网格划分
该柱脚节点构件由钢管、普通混凝土、钢管约束混凝土、钢筋、栓钉组成。在实际中，钢管与混凝土直径受力粘结关系很复杂，有关钢管与混凝土直径关系还处于研究阶段。在钢管混凝土构件有限元研究中，钢管与混凝土之间的处理方式通常有两种：一是假定钢管与混凝土为完全粘结，不产生相对滑移；另一种是在两者之间加入粘结单元来模拟钢材与混凝土之间的粘结单元。本文分析中假设钢材与混凝土之间是完全粘结。本文按文献[6]中ZJ/S-3试件节点形式建立有限元模型，根据试件的对称性，取试件的1/2进行建模。
钢管单元选用SOLED45单元模拟。该单元有8个节点结合而成，各个节点具有3个自由度，具有塑性、膨胀、应力强化，大变形和大应变的特性。钢管的属性选择同性材料，泊松比0.3；混凝土采用8节点实体单元Solid65单元模拟。该单元可以模拟材料沿三个正交方向的断裂、塑性变形、压碎和蠕变等功能；钢筋选取PIPE20单元模拟，该单元具有拉压、扭转、弯曲能力的特性，在每个节点上有六个自由度。该单元考虑了轴向压力的影响，在单元方程中包括了剪切板性能力。
1.1.2材料的本构关系
钢管的本构关系选用Von-Mises屈服强度中的双线性随动强化准则（BKIN），它较为准确的反映材料的本构关系，由于钢管没有进入屈服阶段，故钢管的本构关系选用理想弹塑性模型，泊松比为0.3。钢筋弹性属性选择各向同性材料，弹性模量为实测值，泊松比为0.3，钢筋的属性同样选择双线性随动强化（BKIN）材料。梁内的钢筋在荷载不断增加的情况下，钢筋将会屈服，进入强化段，因此本次分析钢筋的本构关系采用弹塑性强化模型。
混凝土是一种复杂的材料，在拉、压方向上有不同的力学性质，其本构关系也即不好确定。本文所研究的柱脚节点试件中有两种不同的混凝土：普通混凝土，钢管约束混凝土。对于普通混凝土，采用文献[6]建议的本构关系；对于钢管约束混凝土，采用文献[7]建议的本构关系。在分析程序中采用多重线性曲线（MISO）来描述混凝土的应力-应变关系，由此得到两种混凝土的应力-应变关系曲线（图1、图2）。
1.1.3模型的求解
试件的约束条件：在模型中对绞支座处的节点进行了X、Y两个方向的约束，在模型的对称面进行了对称约束。作用在柱顶的垂直荷载会使与集中力作用点相关的单元产生高应力状态。为避免出现局部应力集中现象,同时考虑实际作用在柱顶的荷载及柱底的反力也是分布在柱顶及柱底范围内的分布力。因此在有限元分析中,将集中力转化为均匀分布在柱截面上的面荷载。
计算时采用了一个荷载步，模型的极限承载力由以下方式确定：对有限元模型施加竖向荷载为试验试件的极限承载力值的一半，进行试算，如果收敛，则将荷载值增大，反之则减小，将施加的荷载值确定在收敛与不收敛的范围内，反复试算直至极限荷载。
1.2有限元模型的有效性
试件有限元计算结果与文献[6]中的试验结果进行了对比。计算结果与试验结果对比情况见图3。对于试件的极限荷载，有限元的计算结果为630KN，文献[6]中的试验结果为575KN，两者之间的差别为9.6%，能够较好的吻合。由图3b可见，普通混凝土的应力云图中较大的应力基本沿45°方向发展，与试验所得的结果基本吻合。由图3c可见，钢管应力分布自上而下由大变小，栓钉应力变化也自上而下由大变小，这与节点外露部分的钢管受力较大，节点埋入混凝土梁的部分应力较小，最上排栓钉应力较大的实验情况相符合。可见：钢管混凝土栓钉柱脚节点的有限元模型的建立是有效的。
2结果分析
2.1栓钉长度对承载力的影响
本文分析选取了4种栓钉长度（l=36mm、l=38mm、l=40mm、l=42mm、l=44mm）.为了便于比较，图4绘制了节点在不同栓钉长度下的荷载-位移曲线，图5为其对应的极限承载力曲线，由图4及有限元分析结果可见，随栓钉长度的增大，荷载-位移曲线变化趋势大致相同，柱脚节点的极限承载力有所增大，柱脚节点的极限位移有所减小。但由图5可见，其增大效果并不显著。分析原因有如下两点：一是规范［8］中要求栓钉长度不应小于其杆径的4倍，又考虑到混凝土梁的保护层厚度，故其长度变化范围很小；二是文献[6]中提出计算时冲切面的位置可取自最上排栓钉的根部，因此，栓钉的长度对其抗冲切承载力影响不大。
3结语
（1）通过分析节点区各部分的应力状态，并与试验结果进行对比，有限元结果与试验结果基本吻合，能够比较准确的反应节点的受力性能。
（2）在钢管外焊接栓钉可以有效的提高构件的抗冲切能力，在允许的栓钉长度变化范围内，增大栓钉长度可以提高节点的极限承载力，但提高并不显著。影响极限承载力的其他影响因素，如栓钉埋置深度、栓钉数量、栓钉直径等措施，还应进一步分析研究。
（3）在有限元分析中未考虑混凝土与钢材之间的滑移影响，对于柱脚节点区钢材与混凝土的粘结破坏机理还有待进一步的研究。
参考文献
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[7]韩林海.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2000.
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