复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能有限元分析.pdf
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1、安徽建筑中图分类号:TU375文献标识码:A文章编号:1007-7359(2023)5-0071-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0240引言随着建筑市场的发展需要和人们对建筑要求的日益提高,传统的混凝土结构已经不能满足建筑业的需求。钢管混凝土柱正被广泛用于建筑结构中,特别是高层建筑的建设。其与相同尺寸的传统钢筋混凝土柱相比,混凝土三向受压使得柱体承载能力和耐火性更高,并且其复合使用材料性能也得到了提高。复式钢管混凝土柱因其较小的截面尺寸和纤细的外观而受到建筑师的青睐1,与普通钢管混凝土柱不同,复式钢管混凝柱放置了双层钢管,钢管之间填充混凝土。由于这种新型
2、双钢管混凝土组合截面的作用,混凝土的约束作用较普通钢管混凝土得到了增强。此外,抗火性能强、施工简便等优点让越来越多的建筑开始采用复式钢管混凝柱。目前,许多国内外学者开展了关于钢管混凝土柱力学性能的试验和理论研究。张冬芳等2分析了外方内圆复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点核心区水平端板、锚固腹板、竖向肋板以及内外钢管的应力分布,探讨了此类组合节点的传力机制。褚云朋等3设计了T型加劲板和加腋两种加强型连接方式,对复式钢管混凝土梁柱节点外层钢板进行连接,利用有限元软件ANSYS对节点进行了单调加载和往复加载的抗震性能对比分析。张兆强等4分析了内、外钢管对内层混凝土的双重约束作用以及钢管因环向受拉导致纵向
3、应力降低的影响,得出了圆实复式钢管混凝土柱轴压极限承载力的计算公式,并分析了中间主应力等因素对极限承载力的影响规律。徐亚丰等5研 究 了 研 究 复 式 钢 管 混 凝 土 柱(CFST)与钢梁连接节点的抗震性能,得出实心高强复式钢管混凝土柱与钢梁节点在双向加载作用下的抗震性能较平面节点试件的抗震性能要差。王颖等6对低周循环荷载作用下的复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的抗震性能进行了有限元模拟,研究表明将钢梁用钢管混凝土梁替换仍可在一定程度上提高节点的抗震性能。由于复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点试验的复杂性,开展相关力学性能试验较少,制约了复式钢管混凝土柱在实际工程中的使用。为了研究梁翼缘对复式
4、钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了4个有限元模型,为此类节点的应用及理论研究提供参考。1有限元模型的建立1.1有限元模型设计本文针对目前工程上常用的复式钢管混凝土柱与钢梁连接的加强环式节点,模型设计参考文献5,建立4组复式钢管混凝土柱与钢梁连接节点,通过ABAQUS有限元软件,分析翼缘宽厚比对节点抗震性能的影响。T型节点由复式钢管混凝土柱和钢梁组成,二者通过加强环合为一体。模型尺寸设计图如图1所示,核心层混凝土直径为90mm,内钢管壁厚8mm,内外钢管之间的混凝土厚度为60mm,外钢管壁厚10mm,柱高1500mm,模型截面尺寸如图1所示。图1节点尺寸截
5、面本文参考 热轧 H 型钢和部分 T 型钢(GB/T 11263-2017)7选 择 采 用HM20015069 型钢,设计了 4 个节点模型,模型编号及梁翼缘参数如表 1所示。表1模型编号及梁翼缘参数编号CBJ-6CBJ-8CBJ-10CBJ-12b150150150150t681012b/t25.0018.7515.0012.501.2 材料本构关系1.2.1混凝土本构关系模型混凝土本构选择 C40,弹性模量为32.5GPa,泊松比为0.2。当结构体系和外界受力情况不同时,数值模拟需要选取相适应的材料本构关系,避免有限元结果失真。混凝土被认为是一种复杂的非均质材料,在使用ABAQUS进行有
6、限元建模时,软件材料属性中给了三种混凝土本构关系:混凝土塑性损伤模型、混凝土弥散开裂模型、混凝土脆性破裂模型。本文根据文献8中钢管混凝土框架中混凝土本构关系,考虑了低周荷载作用下钢管混凝土内部的损伤。因此选用塑性损伤模型(CDP)以期能够更好复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能有限元分析鲍宇1,孙梦2(1.安徽省建筑科学研究设计院,安徽合肥230031;2.安徽工业经济职业技术学院,安徽合肥230051)摘要:为研究梁翼缘宽厚比对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的抗震性能的影响,运用ABAQUS有限元软件建立了4个有限元模型,对节点模型梁端施加低周往复荷载作用。结果表明,提高梁翼缘宽厚比能够提
7、高复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的变形能力,并且随着翼缘宽厚比的增大,极限承载力和屈服荷载逐级增大,延性系数变化不明显,以及在大位移工况下,梁翼缘宽厚比对节点耗能影响较大。关键词:复式钢管混凝土柱;H型钢梁;翼缘宽厚比;抗震作者简介:鲍宇(1994-),男,安徽合肥人,毕业于安徽建筑大学结构工程专业,硕士,助理工程师。专业方向:钢结构设计及其理论研究。通信作者:孙梦(1995-),女,山东潍坊人,毕业于大连理工大学结构工程专业,硕士,助理讲师。专业方向:绿色建筑与装配式建造研究。建筑结构研究与应用71安徽建筑模拟混凝土在荷载作用下的受力状态,CDP模型引入了损伤参数,能够刚好的反映出低周荷载作
8、用下混凝土低周荷载作用下的刚度退化过程,CDP模型的各项参数如表2所示。表2CDP模型参数膨胀角30偏心率0.1fb0/fc01.16K0.6667粘性参数0.005复式钢管混凝土柱的内部混凝土轴心受压时,混凝土在钢管内部属于三向受压的受力状态,为了简化模型、节约计算成本,有限元模型选用文献9中提出的受压本构关系,关系表达式如下。y=2x-x2(x1)x0(x-1)+x(x1)(1)根据上述应力应变关系公式得到混凝土应力应变曲线,如图2所示。图2混凝土应力应变曲线有限元模型中混凝土的受拉本构采用文献10中给出的单轴受拉本构关系公式得到,关系表达式如下。y=1.2x-0.2x6(x1)x0.31
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