钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

林明森

武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 (430070)

E-mail：LMS1683@https://www.wendangku.net/doc/e59319621.html,

摘要：对规范推荐的钢管混凝土柱-钢梁节点进行力学性能研究，在试验的背景下，利用

有限元分析软件ANSYS9.0建模，在同时考虑几何非线性和材料非线性下进行有限元分析，

对比试验与有限元分析结果，比较模型分析截面尺寸、梁柱线刚度比、轴压比等因素对节点

刚度的影响。对模型的适用性进行评价，并对此节点的适用性及构造提出改进意见。

关键词：钢管混凝土，梁柱节点，有限元分析，节点力学性能

中图分类号：TU398+.9

0. 引言

近年来，随着高层建筑的迅速发展，钢管混凝土结构在高层建筑中应用越来越广泛，钢

管混凝土结构组合形式即弥补钢材和混凝土各自的缺点，又充分发挥了二者的优点，钢管混

凝土结构以其承载力高、延性好、施工方便以及显著的经济效果，作为一种新型的钢管混凝

土组合结构已广泛运用于各种建筑物中。钢管混凝土梁柱节点的受力性能是结构设计中的关

键，也是施工的难点，在钢管混凝土结构的工程应用中其节点的受力性能、破坏机理及连接

构造方面还存在不少问题，影响到了它的广泛应用。由于节点的重要性，节点受到了越来越

多人进行研究，虽然，目前对节点的研究不少，但研究缺乏连贯性和系统性，更多的是研究

承载力性，而对节点区域的变形还未深入，有必要对钢管混凝土梁柱节点进一步研究。

1. 试件的设计与制作

节点原型为一高层框剪结构，层高３ｍ，梁跨度６ｍ。钢管柱为圆型钢管，内填核心混

凝土，钢梁为工字型钢。试件柱梁长度按近似反弯点位置取值，试件节点设置在柱中 [1]。

试件的几何参数见表１。

表1 几何特征参数

材料种类直径（m）高度（m）长度（m）

混凝土C50 0.149 1

钢管?159x5 0.159 1

钢梁HN175 0.175 2.159

2. 材料性质

2.1 核心混凝土

本文公式来自于文献[2]

约束系数ξ=A s f y/A c f ck

A s:钢材和混凝土的截面面积

A c：核心混凝的截面面积

f y：钢材屈服极限

f ck：混凝土抗压强度标准值

y=2x-x2 (x≤1)

y=1+q(x0.1ξ-1) (ξ≥1.12) (x≥1)

y=x/[B(x-1)2+x] (ξ<1.12) (x≥1)

x=e/e0 y=s/s0

e0=e cc+{1400+800[(fc/24)-1]}ξ0.2(ue)

e cc=1300+12.5

f c(ue)

s0=[1+(-0.054ξ2+0.4ξ)( 24 / f c)0.45)] f c

q=ξ0.745/(2+ξ)

B=(2.36x10-5)[0.25+(ξ-5)7] f c2x3.51x10-4

钢管混凝土中核心混凝土所用的材料是：普通硅酸盐水泥；石灰岩碎石，中粗砂,最大粒径

20mm。强度为46.8ＭＰa混凝土中各材料的用量（每立方米）分别为：水185kg；水泥600kg；

砂680kg；碎石1250kg；砂率为0.35；高效减水剂FDN和木钙或泵送剂。高效减水剂FDN

减水剂和木钙分别为8.68kg和1.3kg[2]。进行实验时混凝土的f cu见表2，泊松比为0.2，弹

性模量参照表2。

表2混凝土材料参数[2]

强度等级C30 C40 C50 C60 C70 C80 C90

f cu/MPa 20 26.8 33.5 41 48 56 64

f c/MPa 24 33 41 51 60 70 80

E c/MPa 30000 32500 34500 36500 38500 40000 41500

2.2 钢材

钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量及泊松比等参数参照表３。

表3 钢材材料参数

材料种类屈服强度

f y/MPa 弹性模量

Es /MPa

抗拉强度

f u/MPa

泊松比

u s

钢管?159x5 348.1 2.12x105 453.27 0.268 钢梁HN175 324.96 2.075

x105 482.46 0.283 3. 钢管混凝土柱－钢梁节点性能的有限元分析过程

钢管混凝土柱－钢梁节点本构模型：

在ANSYS中有限元分析要定义材料属性、材料本购关系、材料模型，涉及到材料的本

构关系。有限元分析与实际结构受力性能是否符合在很大程度上取决于所建立的本构关系模

型是否合理。经分析，选取了韩林海教授圆型钢管约束混凝土的本构关系模型作为核心混凝

土的本构模型，选取双线性等向强化模型作为钢材的本构模型。

3.1前处理：

本文单元的选取：

(1)实体单元：

钢管中的核心混凝土为长、宽、高比例相当的三维实体结构，采用实体单元SOLID65

对其进行划分。单元由八个节点定义，每个节点有三个自由度:节点坐标系的x, y, z方向的平动。本单元用于建立，具有塑性、膨胀、大变形、大应变等功能。

(2)壳体单元：

由于钢管和钢梁都是薄壁结构，厚度方向的尺寸远小于长度和宽度方向的尺寸，适合用壳体来模拟。因此在分析程序中，采用壳体单元SHELL163对钢管及钢梁进行划分。单元由四个节点定义，每个节点有六个自由度:节点坐标系的x, y, z方向的平动和绕x, y, z轴的转动。本单元使用于分析从薄至中等厚度的壳结构，考虑了横向剪切，支持各向同性和随动强化等多种本构模型。

(3)接触单元：

本文钢管和混凝土之间，钢梁和混凝土之间考虑到接触问题，在钢单元和混凝土之间加入滑移单元(slip element)或间歇单元(gap element )，钢管和核心混凝上之间状态非线性用面一面接触单元来模拟。把弹性模量较大的钢管当作刚性的“目标”面，在钢管单元表面生成目标单元TARGE170;把弹性模量较小的混凝土当作柔性的“接触”面，在混凝土单元表面生成接触单元CONTA173。腹板和混凝土之间也采用同样的单元凝土之间都是采用面－面接触模拟。混凝土之间的摩擦系数设为0.2。

模型采用实体建模法。通过输入实体各控制点的三维坐标来分别建立几何模型，模拟出钢管混凝土柱梁节点构件，采用映射网格划分单元。混凝土本构关系、钢材的应力一应变曲线以及整体有限元模型分别如图1、图2、图３所示。

图1 混凝土本构关系

图2 钢材本构关系

图3整体有限元模型

3.2边界加载

相应的边界约束条件：柱顶（加载处）钢管约束X、Y方向平动，混凝土不作约束，柱底X、Y、Z方向平动均作约束，为模拟反弯点特性，在柱底用铰支座构造，在试件就位和初加载时，加载要对准试件中轴线，保证柱在平面内加载，避免出现非预期的受力状态。按《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS 28：90）（4.1.2-2.3）计算钢管柱承载力，并结合加载能力确定最大加载值500KN[3]。先在柱顶逐级施加荷载到500KN，在此范围内可认为钢管和混凝土单独受力，紧箍力未发挥作用[4]，按悬臂梁计算钢梁承受力。然后在梁两端同步施加荷载到60KN结束。

图4 加载装置示意图

3.3求解

方程求解时采用了直接求解法，在非线性求解过程中采用牛顿-拉普森(Newton-Raphson )平衡迭代法则，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，采用所有自由度不平衡力的平方总和的平方根进行收敛检查，控制容差在2%以内，控制平衡迭代的最大次数为25次，由程序确定子步间荷载增量的大小和决定在求解期间是增加还是减小时间步长 [5]。

3.4后处理

完成前三个步骤后，先设定ANSYS中的求解控制，打开大变形开关，对单元进行加载求解，程序运行良好。通过以下两种方法可以判断钢管混凝土已经达到极限承载力，一是计算完毕后发现钢材达到最大极限抗拉强度；二是在计算过程中，由于产生大的塑性变形，单元畸形导致计算终止，这是由于在单元内部，当局部应力达到材料所能承受的最大极限承载力而破坏导致计算终止或者不收敛。

计算完后在通用后处理器POST1中读取结果文件，可以显示出节点前后变形情况，也可以把任何一个时间步的应力、应变、位移及在各方向的力以“云图”、矢量或者列表方式显示。利用时间历程后处理器POST26可以用图绘制出顶面中心节点在整个加载历程中力与变形的关系。

4. 试验结果和有限元结果分析

4.1试验结果分析

在试验中进行了全过程的观察得到如下结果：

(1)柱顶加载时，刚梁柱本身未发生明显变形;

(2)两梁端在加载过程中，发生明显变形，当加载止50KN时，梁段出现屈服台阶;

(3)到梁端加载后期，梁段发生倾斜;

(4)在节点区域未发现钢管和钢梁焊缝开裂、钢管壁凸出或凹陷等变形。

4.2柱钢管壁的分析

柱端加载时，钢管壁上的应变变化基本符合力学假设，但节点区内的纵向应变比材料力学的计算结果低，这是因为钢梁腹板对钢管壁有加强作用，对钢管壁的纵向应变的比较，两者数据比较接近，说明了所选的有限元模型的有效性，如表４所示。图5为测量点，图6可看出节点区内外和材料力学结果的差异。梁端翼缘直接和钢管壁焊接，梁端加载时，钢管壁上与梁翼缘交界处侧面的主应力值较大，说明这个位置比钢管和梁端翼缘交界处更危险，在交界

处由于有腹板穿心的作用，应力减弱。

表4 钢管壁上有限元数据和试验数据

力学结果 试验结果 有限元结果

节点1

节点2

钢管

混凝土

纵向应变u

471.70

452.5 486.7 476.5 463.8

图5应变测量点

图6钢管壁荷载-纵向应变曲线

图7钢管壁上的主应力

4.3进行剪力传递探讨

加载方式：在柱端仅加载5KN起固定作用，梁端加载级数分别为10、20、30KN。如

图所示可以看出主应变的情况。从表腹板和钢管壁上主应变数值可以看出，由于穿心的腹板

直接穿入管壁，并保持连续，剪力的传递主要由穿心腹板传递给核心混凝土，小部分从腹板

到管壁再到核心混凝土。

表5不同荷载下，腹板和管壁上主应力对应值

位置1、4点2、5点3、6点

荷载KN 10 20 30 10 20 30 10 20 30 腹板20.2543.52 62.66-21.23-42.16-61.54-18.66 -36.84 -58.20

一侧管壁 1.59 3.24 5.76 -2.58 -5.62 -8.33-4.31 -7.86 -11.89

图8为试验和有限元分析梁挠度的比较，从表4给出的数据看，钢管壁上的纵向应变比

较接近，说明了选择的有限元模型是可行的。

图8荷载-梁端挠度曲线

5. 结论

对钢管混凝土柱-钢梁节点，《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28: 90 )中推荐使

用穿心节点。虽然穿心节点（空间框架时称为十字型节点）用钢量比较大，浇注管内混凝土

也不方便，制作也有一定的困难。但它传力明确，在传递剪力时，大部分由穿心腹板传到核心混凝土，钢管上附加应力小，同时刚度较大 [6]。当钢管直径较大（1m以上）时，浇注

混凝土就极为方便了。

(1)通过进行节点有限元分析，借助整体变形、局部变形的等值线图，全面把握了穿心节点

的受力性能，这也是今后进行力学分析的基础信息。根据受力分析，该节点在钢梁上下翼缘

和钢管壁交界处，需要把翼缘加宽或增加过渡板，减缓应力集中。

(2)通过对有限元分析结果和试验数据进行比较验证，说明所建立的有限元模型的适用性。

(3)根据有限元模型的计算分析，梁柱尺寸、梁柱线刚度比、轴压比等因素均为对节点刚度

有影响。其中，梁截面高度的影响最大，梁柱线刚度比和转角没有直接的对应关系，不同的轴压比数值对刚度的影响不一。

(4)采用通用程序进行结构分析，选取合理的钢材和核心混凝上的应力应变关系模型，同样可以取得较好的效果。

参考文献

[1] 袁继雄.钢梁－钢管混凝土柱穿心节点约束刚度的研究．汕头大学,2004

[2] 韩林海，钢管混凝土结构-理论与实践[M]，北京：科学出版社，2004.3

[3] 《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28：90)(4.1.2-2.3)

[4] 钟善桐,钢管混凝土结构.北京:清华大学出版社，2003

[5] 博弈创作室. ANSYS7.0基础教程与实例详解，2004.1

[6] 韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术，中国建筑工业出版社，2004.12

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF CONCRETE FILLED STEEL TUBES COLUMN TO STEEL BEAM

Lin Mingsen

Institute of Civil Engineering and Construction,Wuhan university of technology, Wuhan,

China (430070)

Abstract

This article is about the finite element analysis of the connection between steel beam and concrete filled steel tubes. using the structure finite element analysis software ANSYS9.0，It was conducted the study of the mechanical behavior of steel beam to CFST column .Bashed on many experiments , A finite element study on the joint was made by using ANSYS9.0 .And results were compared to of experiment and the analysis of finite element. Carry on the applicability and evaluation of the model and the analysis to the applicability of this node, It is testified that the non-linear finite element analysis method is correct and feasible. and some advice of improving its structure was put forward. Keywords: concrete filled steel tubes, beam-to-column, Finite element analysis, node mechanical behavior

论述钢管混凝土柱的几种常用节点形式

论述钢管混凝土柱的几种常用节点形式 发表时间：2015-09-25T11:20:14.227Z 来源：《基层建设》2015年6期供稿作者：史绍鑫郭丽丽 [导读] 齐齐哈尔龙铁建筑安装股份有限公司钢管混凝土柱是以钢管和混凝土两种建筑施工材料相互配合形成的复合材料。 史绍鑫郭丽丽 齐齐哈尔龙铁建筑安装股份有限公司 摘要：随着建筑物朝着高层、超高层的方向不断发展，钢管混凝土凭借其良好的力学性能和耐久性得到工程施工人员的关注。但具体工程施工中，钢管混凝土柱节点施工质量一直难以得到有效控制，成为严重制约这一混凝土施工技术推广及普及主要因素。本文就钢管混凝土柱的集中常见节点施工形式进行分析。 关键词：钢管混凝土；建筑结构；施工技术；节点形式 近年来，建筑高层化、多层化和超高层化趋势越来越明显，给各种施工新技术、新材料的应用提供了市场基础。钢管混凝土在这种时代背景下以优良的力学性能、较好的耐久性等优势被人们重视，但在具体施工中梁柱节点施工问题一直是制约其发展与推广的主要问题。节点作为建筑结构连接最薄弱的环节之一，确定结构设计合理与否是施工质量控制的重点，因此在这里我们有必要对此类施工技术分析。 一、钢管混凝土柱施工优越性 钢管混凝土柱是以钢管和混凝土两种建筑施工材料相互配合形成的复合材料，这种材料由于钢管柱与混凝土两种材料性能的优势互补，充分发挥两种材料各自的优越性能来改变传统混凝土结构塑性、韧性不佳问题，同时有效避免了局部屈曲的问题，使得整个混凝土结构承载力、塑性和韧性得到有效的保证。在当今建筑工程项目中，钢管混凝土柱施工技术广泛的应用在地震频率较高的地区，有效解决了因为地震荷载而引起的建筑物脆性破坏，大幅度提升了建筑结构的整体强度、降低了工程造价。 二、钢管混凝土柱常见的节点形式与施工要点 由于钢管混凝土柱与普通梁板结构连接、预应力梁板连接结构复杂，施工难度大、质量问题多，因此一直以来这一施工内容都深受业界重视，由此也促使了很多节点施工新方法、新内容形成。在当今节点施工中常见的方法包含了加强环式节点、连接双梁式节点、梁端局部加宽式节点、环梁式节点、半穿心式节点等。 1、加强环式节点 （1）加强环式节点是钢管混凝土柱在施工中利用上下钢板加强环传递结构弯矩应力的一种施工方法，同时在一些特殊环境的工程施工中还会在加强环之间设置放射状的加劲肋板，并且将加劲肋板同上下加强环结构焊接成一个整体，从而达到应力科学、合理传递的目的。在这种节点施工当中，加强环的厚度、宽度是根据梁端纵筋的强度为标准的，且最小宽度不能小于连接宽度的70%。 （2）加强环式节点施工技术在应用中具备着刚度大、承载能力强且无需要其他部件穿过结构的一种施工方法，因此在具体的工程施工中特别适用于那些直径小、承载力低的工程建设领域。尤其在那些多层建筑结构施工中，这种节点施工方法的选择能实现钢管混泥土柱一次浇筑成型的施工要求，且由于管道内部不存在障碍物，使得整个混凝土柱的质量得到有效保证。 （3）在施工中，如果钢管的直径比较大的时候，加强环式节点施工方法选用上要做一定的改动，要增加钢板加强环的钢材用量。同时还需要注意，由于梁端的纵筋和钢板之间本身的焊接工作量大，因此要高度重视焊接工作及焊接缝的控制。 2、连接双梁式节点 （1）连接双梁式节点在应用中通常都提前设置一个I形状的承载钢柱，这一钢柱通常都是在钢管外侧沿着应力传递方向配合梁体结构主筋浇筑同步进行的。在具体施工操作中，钢筋混凝土梁结构必须要一分为二，且分别布置在钢管的两侧，这个时候连接梁的四个主轴方向的轴端只是承担荷载力度，而不承担弯矩力和其他应力，其牛腿的抗弯强度也并不是很大，有效减少了节点区域钢管、混凝土的连接宽度，也避免了钢管混凝土柱混凝土施工缝的出现，有效的缓解了裂缝的出现率，提高节点区域的整体性和质量。 （2）连接双梁式节点梁的纵向钢筋无须穿过钢管，不用打弯，施工方便；且楼板的实际跨度减少，配筋较省。 （3）这种节点是通过牛腿传递剪力的，应力较集中。 3梁端局部加宽式节点 （1）梁端局部加宽式节点是以纵向钢筋连续绕过钢管的构造形式来实现的。在开始加宽处须增设附加箍筋将纵向钢筋包住，梁端局部加宽式节点的钢牛腿与普通钢筋混凝土梁的搭接过渡区能可靠传递梁端内力，钢牛腿既参与抗弯又参与抗剪。 （2）本节点传力途径明确、可靠，现场焊接量少，施工较为方便。 （3）这种节点均通过牛腿传递剪力，应力较集中。 4、环梁式节点 环梁式节点是对钢板加强环节点的改进，其形式是绕钢管设置一钢筋混凝土环梁用于传递弯矩；在环梁中部或底部钢管外表面贴焊一环形钢筋，用于传递剪力。 4.1、环梁式节点与加强环节点的异同 （1）节点不设置任何穿心构件，梁端剪力经管壁间接传递给核心混凝土；梁端纵向钢筋的拉力亦为间接传递。 （2）不同点是加强环式节点的加强环及加劲肋用钢板制作，加强环与梁端纵向钢筋需现场焊接；而环梁的材料是钢筋混凝土，与楼层梁板整体浇筑，框架梁的纵向钢筋可锚固在环梁内，无须现场焊接，施工方便，造价低。 4.2环梁式节点的缺点 （1）由于框架梁端弯矩是通过环梁间接传递的，环梁顶面的裂缝方向大体与框架梁的轴线垂直，且在框架梁与环梁的连接处，存在应力集中现象；钢筋混凝土梁材料为各向异性，若无加强措施，某些截面可能会过早破坏或出现较大的裂缝。 （2）由于梁端剪力亦为间接传递，即通过抗剪环筋及其贴焊焊缝传给管壁，再经管壁传给核心混凝土，当环梁出现裂缝或局部破坏时，抗剪环筋的抗剪承载力将大幅度减低。 5、半穿心式节点 半穿心式节点的特点是采用半穿心抗剪暗牛腿和在角部增设4个抗弯牛腿。牛腿的腹板深入钢管四分之一管径即可满足锚固要求；当柱

钢管混凝土柱环梁节点及其应用

钢管混凝土柱环梁节点及其应用 摘要：本文介绍了钢管混凝土柱环梁节点的构造和基本受力机理。通过合理设计，环梁节点能有效地传递框架梁端的剪力和弯矩，具有良好的变形能力和耗能能力，可以实现“强节点、弱构件”的抗震概念设计。简要介绍了环梁节点的设计方法及其在房屋建筑中的应用。 关键词：钢管混凝土柱环梁节点房屋建筑 一、引言 钢管混凝土柱作为一种性能优异的结构构件，与钢筋混凝土柱和钢柱相比，在许多方面有突出的优点。目前，用于我国房屋建筑中的钢管混凝土柱与混凝土梁连接节点的主要形式有：上下环板牛腿式、双梁式、梁端局部加宽式、对穿暗牛腿式、穿心钢筋暗牛腿式、暗牛腿-环梁组合节点、钢筋混凝土环梁节点等。这些节点形式各有优越性和不足,都已有一定的试验研究。 二、环梁节点的构造形式及特点 钢筋混凝土环梁节点的构造形式是在环梁高度范围内，沿钢管壁贴焊一道（或两道）钢筋作为抗剪环。抗剪环为通过连续的双面焊缝牢固焊于钢管壁上的闭合钢筋环或闭合带钢环。钢筋直径d或带钢厚度b一般在20-30mm左右。抗剪环与环形牛腿一样，实为钢管柱的环形凸缘（法兰盘）。基于与环形牛腿同样的考虑，沿抗剪环需设置与楼盖结构等厚的闭合混凝土环梁或与之相当的混凝土托盘，与钢管柱紧密箍抱，楼盖粱的纵筋则锚固于环梁内，借助环梁传递弯矩。 该节点节点无需穿心构件；钢管内、外无需设置加劲环，不影响钢管内混凝土浇注；环梁箍筋无方向性，便于与任意角度的混凝土梁连接。 三、环梁节点的受力机理 1、梁端剪力传递 框架梁梁端剪力主要通过三个途径传递给钢管混凝土柱： （1）通过环梁混凝土与抗剪环接触面的局部承压作用力将剪力由环梁传递到抗剪环上，并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上。由于抗剪环钢筋直径一般不大，由剪力引起的对钢管壁的局部弯矩很小。由于焊缝作用力可以保证，设计时以抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。 （2）环梁混凝土与钢管之间的粘结作用。粘结作用力虽然很大，但在地震作用下难以保证，一般不予考虑，仅作为安全储备。

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好世界广场大厦" 新中国大厦 图" $合银大厦#赛格广场 采用钢管混凝土柱的高层建筑 高层建筑中使用的钢管混凝土柱主要是圆形截面的，但有时也会采用其他截面型式而形成异型柱。我国对圆形截面钢管混凝土柱已有深入的系统研究［!，"，#］和实践经验，而对异型截面柱的研究则比较少， 的节点形式，为在高层建筑中推广应用钢管混凝土柱提供了更广阔的空间。 本文主要就高层建筑中所采用的钢管混凝土柱及其节点的形式和应用作一扼要的综合介绍。 应用也还不很多。 钢管混凝土柱与楼盖连结的节点，是实际应用中的一个重要部分。当它与钢结构楼盖连结时，构造比较简单，但与钢筋混凝土楼盖连结时则比较复杂，甚至影响了对它的使用，因此不少单位开展了这方面的研究，并已取得了可观的成果，提出了多种多样 我国在改革开放以来，高层建筑在数量上不断增加，高度也不断加高，而建造高层建筑大多数采用钢筋混凝土结构，结构自重很大， !钢管混凝土柱 !""!年#月第#期容柏生：高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点 1@A!""!AB)# 加，柱的轴压力就越大，加上抗震设防的需要，为保证构件的延性，有关规范对钢筋混凝土柱均有控制轴压比（!"!#$"）的要求，同时混凝土的强度等级只做到#$"或再高一些，

钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点设计

钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点设 计 第2期 2007年2月 广东土木与建筑GUANGDONGARCHITECTURECIVILENGINEERING № FEB2O07 钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点设计 黄斌 (深圳市方佳建筑设计有限公司深圳518031) 摘要:本文推荐一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土粱节点做法,使钢管在节点区是连续的,节点刚性不受影响, 粱可以可靠地传递内力,与其它节点做法相比,具有施工方便和节约材料的优点. 关键词:钢管混凝土柱;钢管混凝土叠合柱;钢管开穿梁钢筋小孔;梁柱节点构造 1概述 钢管混凝土柱使钢管与混凝土改变了各自本身 的材料性质.共同成为一种新的复合材料.该结构形 式以卓越的承载能力和变形能力.在工程中得到越 来越多的应用.在此基础上近年又陆续有不少工程 采用钢管混凝土叠合柱和钢管混凝土组合柱等 由于工程中往往仅在框架柱中采用钢管混凝 土.而框架梁则采用普通钢筋混凝土.故两者的连接 节点成为工程中的难点之一目前常用的连接节点 有钢牛腿法,双梁法,环梁法,钢管开大洞后补强法 及纯钢筋混凝土节点法等.双梁法和环梁法对梁之

间内力传递的可靠性有一定影响:钢管开大洞后补强法及纯钢筋混凝土节点法使得钢管在节点区不连续.难以保证节点原有的刚性:钢牛腿法对钢材消耗量大.现场焊接施工量大 以上列举的连接节点均存在一定程度的不足. 本文推荐一种在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点. 通过模型试验为基础的理论分析.并经过多个工程实践的检验.证明它具有可靠和经济实用的优点 2钢管开小孔连接节点的优点 2.1钢管开小孔后对钢管截面削弱不大.梁钢 筋穿过小孔后剩余的缝隙很小.钢管对管芯混 凝土的约束力基本没减小.不影响钢管混凝土 柱的承载能力和变形能力 2.2梁钢筋直接穿过钢管后.梁可以可靠地传 递内力.梁长范围内的刚度保持不变.结构受 力分析与实际相同而钢牛腿法和钢管开大洞 后补强法.在梁端范围内有相当长度的型钢. 使得梁刚度发生急剧变化 2.3在设置水平加强环和竖向短加劲肋补强后.钢 管在节点区是连续的.节点刚性不受影响.满足"强节点弱构件"的要求 2.4现场施工较方便.即使圆弧形的梁钢筋也可顺 利穿过 2.5节点补强所用材料比钢牛腿法和钢管开大洞法大幅减少.有利于降低造价 3钢管开小孔的连接节点构造 钢管开小孔的连接节点构造如图1.其要点如下: (1)钢管开小孔:小孔直径D=钢筋直径+10mm, 水平间距为3D.垂直间距为2D.

高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点

高层建筑中使用的钢管混凝土柱主要是圆形截面的，但有时也会采用其他截面型式而形成异型柱。我国对圆形截面钢管混凝土柱已有深入的系统研究 和实践经验［!，"，#］，而对异型截面柱的研究则比较少， 应用也还不很多。 钢管混凝土柱与楼盖连结的节点，是实际应用中的一个重要部分。当它与钢结构楼盖连结时，构造比较简单，但与钢筋混凝土楼盖连结时则比较复杂，甚至影响了对它的使用，因此不少单位开展了这方面的研究，并已取得了可观的成果，提出了多种多样 的节点形式，为在高层建筑中推广应用钢管混凝土柱提供了更广阔的空间。 本文主要就高层建筑中所采用的钢管混凝土柱及其节点的形式和应用作一扼要的综合介绍。 !钢管混凝土柱 我国在改革开放以来，高层建筑在数量上不断增加，高度也不断加高，而建造高层建筑大多数采用钢筋混凝土结构，结构自重很大，随着建筑高度的增 !好世界广场大厦"新中国大厦 图" 采用钢管混凝土柱的高层建筑 #赛格广场 $合银大厦"概述 钢管混凝土是在钢管中填充混凝土，利用钢管 对填心混凝土的套箍作用，使核芯混凝土受纵向压力时处于三向受力状态，从而提高其轴向抗压能力。钢管混凝土结构除强度高外，还有重量轻、延性好、 耐疲劳和冲击、省料和施工方便等优点［!］ 。 由于钢管混凝土结构具有上述优点，因此在民用和工业建筑、桥梁和地铁等工程中得到广泛的应用。近年来，随着我国高层建筑的发展，利用钢管混凝土作为其主要承重柱的也逐渐增多。 在高层建筑中使用钢管混凝土柱具有其特殊优 点：用钢管混凝土柱代替普通钢筋混凝土柱，可以使柱截面大大缩小，而且可以提高抗震性能，方便施工等；利用钢管混凝土柱代替钢结构中的钢柱，可以减少用钢量，加强结构刚度；在高层建筑多层地下室的逆作法施工中，它更充当重要的角色。广州市的好世界广场大厦（##层，图!$），新中国大厦（%&层，图!’），合银大厦（("层，图!)），深圳的赛格广场（*"层，图!+） 等大型高层建筑，都以不同的形式采用了钢管混凝土柱，部分还将之构成内框筒或用于逆作法建造多层地下室，在技术上和经济上均取得很好的效果。 高层建筑中的钢管混凝土柱及其节点 容柏生 ,广东省建筑设计研究院 广州%!--!-. 摘 要：我国一些高层建筑采用了钢管混凝土柱，取得了较好的技术和经济效果。本文主要综合介绍用于高层建 筑的钢管混凝土柱及其节点的形式，供设计时参考。关键词：高层建筑；钢管混凝土柱；钢管混凝土柱节点 广东土木与建筑 /012/342/156789:6905:68;8<:2/82::582/!##!年"月 第"期=12!##! 2>?"#

RC 梁-圆钢管混凝土柱节点环梁承载力设计方法

191 附录G RC 梁－圆钢管混凝土柱节点环梁承载力设计方法 G.1 节点环梁受拉环筋和箍筋的计算 G.1.1 当环梁（图G.1.1）上部环向钢筋的直径相同、水平间距相等时，环梁受拉环筋面积及箍筋单肢面积按下式计算： 1 不考虑楼板的有利作用 2 1 2sin 7sin θλθ≥ (G.1.1-1) k sh dp yh r 22202r 51.4{sin sin [sin()sin ]} 7M A R r f l l αθλθλθαθ≥ -+++- (G.1.1-2) 2 考虑楼板的有利作用 12 21 2sin 7sin βθλβθ≥ (G.1.1-3) k sh dp yh r 22202213r 5 1.4{sin sin [sin()sin ]} 7M A R r f l l λαθθλθαθβββ≥ -+++- (G.1.1-4) 在负弯矩作用下，β1取0.5， β2取0.65， β3取0.6；正弯矩作用下取β1=β2=β3=1.0。 3 环梁箍筋单肢面积 sv yh sh H v yv 0.7/()A f A f λγα= (G.1.1-5) 式中：λ ——剪环比，为环梁箍筋名义拉力与环梁受拉环筋名义拉力的比值， v h /F F λ=，可取0.35～ 0.7，不考虑楼板的作用时取较高值，考虑楼板的作用时取较低值； F h ——受拉环筋的名义拉力，h yh sh 0.7F f A =； f yh ——环向钢筋抗拉强度设计值； A sh ——环向钢筋的截面面积； F v ——环梁箍筋的名义拉力，v v sv yv H F A f αγ=； f yv ——箍筋抗拉强度设计值； H γ ——箍筋间夹角（弧度），H h /(/2)S r b γ=+； S ——环梁中线处箍筋间距； A sv ——环梁箍筋单肢面积； αv ——闭合箍筋计算系数，按表G.1.1取值； M k ——由实配钢筋计算得出的框架梁梁端截面弯矩； αdp ——修正系数，取αdp =1.3； l r ——环梁受拉环筋合力作用点到受压区合力点的力臂，取l r =min{0.87h r0，h r -50mm}；

钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析 林明森 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 (430070) E-mail：LMS1683@https://www.wendangku.net/doc/e59319621.html, 摘要：对规范推荐的钢管混凝土柱-钢梁节点进行力学性能研究，在试验的背景下，利用 有限元分析软件ANSYS9.0建模，在同时考虑几何非线性和材料非线性下进行有限元分析， 对比试验与有限元分析结果，比较模型分析截面尺寸、梁柱线刚度比、轴压比等因素对节点 刚度的影响。对模型的适用性进行评价，并对此节点的适用性及构造提出改进意见。 关键词：钢管混凝土，梁柱节点，有限元分析，节点力学性能 中图分类号：TU398+.9 0. 引言 近年来，随着高层建筑的迅速发展，钢管混凝土结构在高层建筑中应用越来越广泛，钢 管混凝土结构组合形式即弥补钢材和混凝土各自的缺点，又充分发挥了二者的优点，钢管混 凝土结构以其承载力高、延性好、施工方便以及显著的经济效果，作为一种新型的钢管混凝 土组合结构已广泛运用于各种建筑物中。钢管混凝土梁柱节点的受力性能是结构设计中的关 键，也是施工的难点，在钢管混凝土结构的工程应用中其节点的受力性能、破坏机理及连接 构造方面还存在不少问题，影响到了它的广泛应用。由于节点的重要性，节点受到了越来越 多人进行研究，虽然，目前对节点的研究不少，但研究缺乏连贯性和系统性，更多的是研究 承载力性，而对节点区域的变形还未深入，有必要对钢管混凝土梁柱节点进一步研究。 1. 试件的设计与制作 节点原型为一高层框剪结构，层高３ｍ，梁跨度６ｍ。钢管柱为圆型钢管，内填核心混 凝土，钢梁为工字型钢。试件柱梁长度按近似反弯点位置取值，试件节点设置在柱中 [1]。 试件的几何参数见表１。 表1 几何特征参数 材料种类直径（m）高度（m）长度（m） 混凝土C50 0.149 1 钢管?159x5 0.159 1 钢梁HN175 0.175 2.159 2. 材料性质 2.1 核心混凝土 本文公式来自于文献[2] 约束系数ξ=A s f y/A c f ck A s:钢材和混凝土的截面面积 A c：核心混凝的截面面积 f y：钢材屈服极限 f ck：混凝土抗压强度标准值

【CN209891402U】一种装配式钢管混凝土组合节点结构【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920214392.X (22)申请日 2019.02.19 (73)专利权人 山东兴华建设集团有限公司 地址 266555 山东省青岛市黄岛区漓江西 路679号 (72)发明人 赵文涛　陈相宇　马岚　李志生　 曲美娟　 (74)专利代理机构 青岛智地领创专利代理有限 公司 37252 代理人 陈海滨 (51)Int.Cl. E04B 1/30(2006.01) E04B 1/58(2006.01) (54)实用新型名称 一种装配式钢管混凝土组合节点结构 (57)摘要 本实用新型公开一种装配式钢管混凝土组 合节点结构，包括异形混凝土柱机构、悬挑梁、第 一H型钢梁和加固组件，异形混凝土柱机构包括 第一方钢管和第一槽钢柱，多个第一方钢管连接 成异形方管组件，第一槽钢柱与异形方管组件焊 接，第一槽钢柱上开设有第一槽口和第二槽口； 悬挑梁包括上悬板、下悬板和中立板，上悬板和 下悬板之间连接中立板；上悬板的前部卡接到第 一槽口内并与第一槽钢柱固连，下悬板的前部卡 接到第二槽口并与第一槽钢柱固连；第一H型钢 梁的中部连接有伸出板，第一H型钢梁通过伸出 板与中立板相连，第一H型钢梁通过加固组件连 接上悬板和下悬板。该节点结构整体的抗震性能 优越，能显著提高钢框架结构的延性和耗能能 力。权利要求书1页 说明书4页 附图5页CN 209891402 U 2020.01.03 C N 209891402 U

权　利　要　求　书1/1页CN 209891402 U 1.一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，包括异形混凝土柱机构、悬挑梁、第一H型钢梁和加固组件，异形混凝土柱机构包括第一方钢管和第一槽钢柱，多个第一方钢管连接成异形方管组件，第一槽钢柱的开口端与异形方管组件焊接，第一槽钢柱的侧端面上开设有第一槽口和第二槽口； 悬挑梁包括上悬板、下悬板和中立板，上悬板的中部和下悬板的中部之间连接中立板；上悬板的前部卡接到第一槽口内并与第一槽钢柱固连，下悬板的前部卡接到第二槽口并与第一槽钢柱固连； 第一H型钢梁的中部连接有伸出板，第一H型钢梁通过伸出板与中立板相连，第一H型钢梁通过加固组件连接上悬板和下悬板。 2.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述第一H型钢梁包括上翼缘板、腹板和下翼缘板，腹板连接在上翼缘板和下翼缘板之间，伸出板连接在腹板的后端。 3.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上悬板的前部开设有第一槽孔，下悬板的前部开设有第二槽孔。 4.根据权利要求2所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述加固组件包括上加固板、下加固板、侧加固槽钢板和外固定板，上悬板的后部开设有第一连接孔，下悬板的后部开设有第二连接孔，中立板的后部开设有第三连接孔； 伸出板上开设有第四连接孔，上翼缘板上开设有第五连接孔，下翼缘板上开设有第六连接孔； 上加固板上开设有第七连接孔，侧加固槽钢板上开设有第八连接孔，下加固板上开设有第九连接孔。 5.根据权利要求4所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上加固板通过第一螺栓与上翼缘板、上悬板及侧加固槽钢板相连； 侧加固槽钢板通过第二螺栓与中立板及伸出板相连；下加固板通过第三螺栓与下翼缘板及下悬板相连。 6.根据权利要求4所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述外固定板为方钢板，外固定板设置在腹板和中立板的外侧，外固定板与上翼缘板、上悬板、侧加固槽钢板、下翼缘板及下悬板焊接。 7.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上悬板的前部与第一槽钢柱的外壁焊接，下悬板的前部与第一槽钢柱的外壁焊接；第一方钢管和第一槽钢柱内均浇筑有混凝土。 8.根据权利要求1所述的一种装配式钢管混凝土组合节点结构，其特征在于，所述上悬板、下悬板和中立板均为长方形钢板，上悬板和下悬板的长度值相同，上悬板的长度值大于中立板的长度值。 2

钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能研究

Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2018, 7(3), 421-427 Published Online May 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/e59319621.html,/journal/hjce https://https://www.wendangku.net/doc/e59319621.html,/10.12677/hjce.2018.73048 The Experimental Research on Cyclic Behavior of Beam-CFST Column Connections Li He, Yisheng Zhao, Jie Luo, Shiqiang Mei Yunnan Construction Engineering Steel Structure Co., Ltd., Kunming Yunnan Received: May 3rd, 2018; accepted: May 15th, 2018; published: May 22nd, 2018 Abstract In recent years, with the promotion and development of steel structure in residential market, concrete filled steel tubular column is formed by the reliable connection of the horizontal compo-nent such as beam and plate. The calculation method and construction measures of concrete filled steel tubular joints are the key problems in design. In this paper, the stress distribution of the joint is studied. The load-displacement cures of the joints are obtained, as well as the yield strength and the ultimate strength. It indicates that joints filled with concrete have preferable stiffness and ductility. Keywords Joint, Load-Displacement Curve, Yield Strength, Stiffness 钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能研究 何力，赵一盛，罗杰，梅世强 云南建投钢结构有限公司，云南昆明 收稿日期：2018年5月3日；录用日期：2018年5月15日；发布日期：2018年5月22日 摘要 随着住宅钢结构的推广发展，钢管混凝土柱与梁、板等水平构件的连接形成重要的结构体系，特别是形成抵御地震作用的抗侧力体系。因而钢管混凝土节点的计算方法和构造措施是设计中非常关键的环节。 本文研究了节点的应力分布规律，得到了荷载位移曲线、节点的屈服强度。分析表明，填充混凝土的扁钢柱节点具有较好的刚度和延性。

高层钢管混凝土结构梁柱节点设计方法初探

高层钢管混凝土结构梁柱节点设计方法初探 在高层的梁柱节点设计中，需要对钢管混凝土以及相关的构件有着严格的要求，尤其是在近年来，梁柱节点设计出现了许多新型节点模式，使得梁柱节点更加的简单、节约。因此，本文就高层钢管混凝土结构梁柱节点设计方法上展开分析与研究。 标签：高层；钢管混凝土；梁柱节点 随着社会经济的不断发展，我国现代化城市建设取得了明显的成果，在城市中不断有新的高层建筑出现，这一情况也促使着高层建筑在施工设计上的新要求，尤其是在高层的梁柱节点的设计上，会通过钢管混凝土的构造来保证建筑的抗震能力、承重能力等各方面性能。 1、高层梁柱节点的种类 1.1穿心钢管混凝土节点 相比于非穿心节点来说，穿心节点在施工的过程中需要更多的步骤，而因为有穿心结构可以将梁一端的力直接传到的中心的混凝土部分当中，这样的设计可以有效的提升整个节点结构的刚度以及抗震能力。而在穿心钢管混凝土节点中也分成半穿心型钢管混凝土节点以及全穿心型钢管混凝土节点，而这一分类的关键就在于内部的穿心结构是否穿过了混凝土结构。同时在钢管内部浇灌混凝土也会受到穿心结构的影响，而半穿心结构则受影响较小。在穿心结构中，通常可以是钢筋、锚定板、钢制承重销等材料[1]。而在这样的节点设计中，由于会使用大量的钢制材料，所以对于焊接的质量有着严格的标准，例如像钢制承重销这样的节点穿心构件，通常都是需要在加工工厂进行专门的加工，其成本也比较昂贵。在穿心节点中，一般按照穿心构造会分成牛腿穿心钢管混凝土节点、内加强环穿心节点、钢筋穿心节点、锚定板穿心节点、十字板穿心节点。 1.2非穿心梁柱节点 这种非穿心节点在结构上比穿心节点的施工更加的简便，其具体的结构也比较单一，通过焊接在钢管外侧的钢制强化环或者是牛腿结构将剪力以及弯矩传送出去。如果在梁柱节点上还有钢筋混凝土的环梁时，这一结构也会对承载剪力有一定的作用。而在这种节点结构中由于没有烦穿心结构所以在抗压方面造成的影响相对较小。因此非穿心梁柱节点更多的用于层数较多的钢管混凝土结构中，由于在钢管内没有其他的结构可以直接使用顶部浇筑法进行施工。在非穿心梁柱节点设计中，可以分成外加强环型梁柱节点、环梁节点、变宽度单梁式节点、双梁节点。 2、高层梁柱节点的设计原则

钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接

钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接 摘要：本文推荐一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁节点做法，使钢管在节点区的连接更加安全、可靠。混凝土梁可以很好的传递内力，与其他节点做法相比，具有施工方便、加快功效和节约材料的优点。 《关键词》钢管、钢筋、混凝土、施工 Abstract: this paper recommends a kind of concrete-filled steel tube column and reinforced concrete beam node approach makes steel pipe in the node connected more safe and reliable. Concrete beams can be very good transfer internal force, compared with other node practice, construction is convenient, speed up with efficiency and save materials advantages. 《Keywords》steel pipe、steel、concrete、construction 中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号： 一、概述 钢管混凝土结构是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构，改变了各自本身的材料性质，共同成为一种新的复合材料，由于钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点，同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，使得混凝土强度和延伸性大大提高，形成了卓越的承载能力和变形能力。近年来，随着理论研究的深入和新施工工艺的产生，工程应用日益广泛。钢管混凝土结构按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土结构、圆钢管混凝土结构和多边形钢管混凝土结构等，其中矩形钢管混凝土结构和圆钢管混凝土结构应用较广。 1．钢管混凝土结构的特点 众所周知，混凝土的抗压强度高。但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中(如厂房和高层)。钢管混凝土结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面： 1.1 承载力高、延性好，抗震性能优越 钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状

钢与混凝土组合结构应用技术

钢与混凝土组合结构应用技术 5.8.1 技术内容 型钢与混凝土组合结构主要包括钢管混凝土柱，十字型、H型、箱型、组合型钢混凝土柱，钢管混凝土叠合柱，小管径薄壁（<16mm）钢管混凝土柱，组合钢板剪力墙，型钢混凝土剪力墙，箱型、H型钢骨梁，型钢组合粱等。钢管混凝土可显著减小柱的截面尺寸，提高承载力；型钢混凝土柱承载能力高，刚度大且抗震性能好；钢管混凝土叠合柱具有承载力高，抗震性能好同时也有较好的耐火性能和防腐蚀性能；小管径薄壁（<16mm）钢管混凝土柱具有钢管混凝土柱的特点，同时还具有断面尺寸小、重量轻等特点；组合梁承载能力高且高跨比小。 钢管混凝土组合结构施工简便，梁柱节点采用内环板或外环板式，施工与普通钢结构一致，钢管内的混凝土可采用高抛免振捣混凝土，或顶升法施工钢管混凝土。关键技术是设计合理的梁柱节点与确保钢管内浇捣混凝土的密实性。 型钢混凝土组合结构除了钢结构优点外还具备混凝土结构的优点，同时结构具有良好的防火性能。关键技术是如何合理解决梁柱节点区钢筋的穿筋问题，以确保节点良好的受力性能与加快施工速度。 钢管混凝土叠合柱是钢管混凝土和型钢混凝土的组合形式，具备了钢管混凝土结构的优点，又具备了型钢混凝土

结构的优点。关键技术是如何合理选择叠合柱与钢筋混凝土梁连接节点，保证传力简单、施工方便。 小管径薄壁（<16mm）钢管混凝土柱具有钢管混凝土柱的优点，又具有断面小、自重轻等特点，适合于钢结构住宅的使用。关键技术是在处理梁柱节点时采用横隔板贯通构造，保证传力同时又方便施工。 组合钢板剪力墙、型钢混凝土剪力墙具有更好的抗震承载力和抗剪能力，提高了剪力墙的抗拉能力，可以较好地解决剪力墙墙肢在风与地震作用组合下出现受拉的问题。 钢混组合梁是在钢梁上部浇筑混凝土，形成混凝土受压、钢结构受拉的截面合理受力形式，充分发挥钢与混凝土各自的受力性能。组合梁施工时，钢梁可作为模板的支撑。组合梁设计时要确保钢梁与混凝土结合面的抗剪性能，又要充分考虑钢梁各工况下从施工到正常使用各阶段的受力性能。 5.8.2 技术指标 钢管混凝土构件的径厚比D/t宜为20~135、套箍系数θ宜为0.5~2.0、长径比不宜大于20；矩形钢管混凝土受压构件的混凝土工作承担系数αc应控制在0.1~0.7；型钢混凝土框架柱的受力型钢的含钢率宜为4%~10%。 组合结构执行《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138、《钢管混凝土结构技术规范》GB50936、《钢-混凝土组合