钢管混凝土隔板贯通式节点的性能.pdf

第 3 4卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o 1 ． 3 4 No ． 6 De c ．20 12 d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4 — 4 7 6 4 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 0 4 钢管混凝土隔板贯通式节点的性能 李 波 ， ( 1 ． 北京 交通 大学 土木 建筑 杨庆 山 ， 冯 少华 ， 陈一 欧 ， 卫 东 工程学院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 ； 2 ． 北京 市建 筑设计研 究院 ， 北京 1 0 0 0 4 5 ) 摘 要 ： 隔板贯通式节点是一种新型钢管混凝土柱一钢梁连接 形式。以q - 海广场为工程 背景， 进行 了钢 管 混凝 土柱一 钢 梁 隔板 贯 通式 节点 的拟静 力试验 ， 并结 合 数值 模 拟 结果 对 该 类 节点 的性 能 进 行 了研 究。试验结果表明， 钢管混凝土柱一 钢梁隔板贯通式节点具有较好 的刚度、 承载能力和延性 ， 能 够 满足“ 强柱 弱 梁 ， 强 节点 弱构件 ” 的抗震 设 计原 则 。数值模 拟 与 试验 结 果相 吻 合 ， 可 以采 用本 文所 建立的数值模型模拟钢管混凝土柱～ 钢 梁隔板贯通式节点的性能。采用数值的方法， 重点研究 了隔 板 尺 寸对 该 结点性 能 的影响 ， 并提 出设计 建议 。 关 键词 ： 钢 管 混凝 土 ； 隔板 贯 通 ； 节点 ； 试验 ； 数值 分 析 中图分类号 ： TU5 2 8 ． 5 9 文献标志码 ： A 文章编号： 1 6 7 4 — 4 7 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 ～ 0 0 1 9 - 0 6 Ana l y s i s o n t he Be h a v i o r o f Di a ph r a g m Th r o u g h Co n n e c t i o n b e t we e n S t e e l Be a m a n d Co nc r e t e — f i l l e d S t e e l Tu b u l a r Co l u mn Lf Bo ，YANG Qi n g s h a ，FE NG Sh a oh u a n ，CHEN Yi o u ，WEI Do n g。 ( 1 ．S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g，Be ij i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ，P ． R． Ch i n a ； 2 ．Be ij i n g I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r a l De s i g n，Be i j i n g 1 0 0 0 4 5，P ． R． Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Di a p h r a g m t h r o u g h c o n n e c t i o n i s a n e w k i n d o f c o n n e c t i o n b e t we e n s t e e l b e a m a n d c 0 n c r e t e — f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn ． Qu a s i — s t a t i c t e s t a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n h a d b e e n c a r r i e d o u t t o i n v e s t i g a t e t h e b e ha v i or s o f di a p hr a g m t hr o ug h c o n ne c t i o n us e d i n Zho ng ha i Sq u a r e ． The r e s ul t s s h ow t h a t ，t he b e a r i n g c a p a c i t y，r i g i d a n d d u c t i l i t y o f t h e d i a p h r a g m t h r o u g h c o n n e c t i o n a r e e x c e l l e n t ， a n d t h e s e i s mi c p r i n c i p l e ，i ． e ．， ‘ s t r on g c ol u m n bu t we a k be a m ’ a n d ‘ s t r o ng c on ne c t i o n but we a k c o m p o ne n t’。 i s r e a c he d ． The nu m e r i c a l m o de l o f d i a p hr a g m t hr ou gh c on ne c t i o n wa s pr ov i d e d， a nd t h e r e s ul t s d r a wn f r om t h e mo de l a g r e e d wi t h t h e t e s t r e s u l t s ．I n f l u e n c e s o f d i a p h r a g m d i me n s i o n o n t h e b e h a v i o r s o f t h e d i a p h r a g m t h r o u g h c o nn e c t i o n wi t h p r a po s e d t he nume r i c a l mod e l h ad b e e n i n ve s t i ga t e d， a n d t he d e s i g n s ug ge s t i o n wa s pr o v i de d ba s e d o n t he a n a l ys i s ． Ke y wo r d s ： c o nc r e t e — f i l l e d s t e e 1 t u bu l a r；di a phr a gm t h r o u gh；c o nne c t i o n；t e s t ；nu m e r i c a l a na l ys i s 钢管混凝土柱 的出现 ， 解决 了超高层建筑 中混 凝 土 柱 的“ 胖 柱 问题 ” 问题 、 高强 混 凝 土 柱 的脆 性 破 坏 问题 以及钢柱易出现的局部屈 曲问题 ， 因而被广 泛应用于各类超 高层建筑 之 中_ 1 ] 。然 而， 由于钢管 中需要浇注混凝土， 这使得钢管混凝土柱与钢梁的 连接节点较普通钢结构连接节点更 为复杂， 受力合 理而又构造简单的连接形式一直是关于钢管混凝土 柱研 究 的重点 ] 。 隔板贯通式节点 ( 图 1 ) 是一种新型钢管混凝土 柱～ 钢梁连接形式 ， 其主要特点是钢管混凝土柱钢管 在隔板处断开 ， 并且 隔板在钢管管壁内伸 、 外挑距离 较小 。这样极大简化了施工 ， 并且不影 响建筑功能 ， 收稿 E t 期 ： 2 0 1 2 — 0 4 — 0 8 基金项 目 ： 国家 自然科学基金重大研究计划 重点项 目( 9 0 8 1 5 0 2 1 ) ； 中央高校基本科研业务费 ( 2 0 1 1 J B M2 6 2 ) 作者简 介 ： 李波( 1 9 7 8 一 ) ， 博士 ， 副教授 ， 主要从事结构风工程 、 钢结构研究 ， ( E - ma i Dl i o 7 7 @1 6 3 ． C O R D - 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 李 波 ， 等： 钢管混凝土隔板贯通式节点的性 能 滞洄 曲线是结构抗震性 能的综合体现 ， 通过滞 洄曲线还可以确定结构的主要性能参数 。图 5给出 了本次试验的滞洄 曲线， 由滞洄曲线 可以得 到试件 的屈服荷载为 1 2 6 ． 9 k N， 屈服位移为 2 5 ． 5 1 mi i 1 ， 极 限承载 力为 1 9 2 k N， 极 限位移 为 8 2 ． 9 1 mm， 据 此 可 以得到节点的位移延性系数为 3 ． 2 5 。 通过试验可 以看出， 钢管混凝土柱一 钢梁隔板贯 通式节点承载能力较强 ， 以至距节点 区较远 的钢梁 对接焊缝出现裂缝 ； 钢梁与隔板连接处钢梁屈服后 ， 试验试件主要通过该处塑性 变形耗 能， 钢梁对接焊 缝 处 裂缝 不再 扩 展 。试 件 滞 洄 曲线 饱 满 ， 该 种 节 点 具有 良好的耗能性能。综上所述 ， 中海广 场钢管混 凝 土 柱一 钢 梁 隔 板 贯 通 式 节 点 的 刚 度 、 强 度 、 延 性 均 能满足设计要求 。 2 数值 分析模 型 建立钢管混凝土柱一 钢梁隔板贯通式节点 的数 值分析模型 ， 然后通过与试验结果对比， 验证数值模 型的有效性 。 2 ． 1 数值模型的建立[ 1 数值分析采用 A NS YS软件进行 。钢管中混凝 土选用 S o l i d 6 5单元模拟 ， 考虑到钢管} 昆凝土结构中 混凝土材料在实际结构中的受力状态 ， 采用三 向受 力状态下的本构关系。钢管、 钢梁 、 加劲肋、 隔板采用 s h e l l l 8 1 单元模拟。钢材采用理想弹塑性模 型， 弹性 模量为 2 ． O 6 1 0 5 N／ mm2 ， 泊松比为 0 ． 3 ， 屈服强度为 3 5 3 ． 6 MP a ， 满足 V o n - Mi s e s 屈 服准 则 。为 了提 高 计 算效率， 对节点核心区的网格进行加密( 图 6 ) 。 图 6数值模型 在钢管混凝土柱柱底截面施加 3个方向平动和 3个方向转动 自由度约束； 在柱顶截面， 除允许其发 生竖向位移外 ， 约束其他方 向位移和转角 。试件 的 加载与试验保持一致 ， 并采用牛顿一 拉普森方法进 行迭代求解 。分析中考 虑了初始缺 陷、 大变形等非 线性因素的影响。 2 ． 2 数值模型的有效性 图 7给出了试验试件与数值模型梁端加载点荷 载一 位移滞洄曲线及骨架线对 比图。可以看 出， 试件 屈服前 ， 数值模拟结果与试验结果 吻合较好 ； 试件屈 服后 ， 由于数值模型 中采用 了是基 于试件材性试验 的理想弹塑性模 型， 以及 ANS YS分析软件对 材料 本构关系下降段模拟的不足_ I ， 导致 两者之间存 在 一 定差别 。但是 ， 试件的屈服状态是研究 的重点， 因 此 ， 可以认为采用的数值模 型能够较好 的模拟钢 管 混凝土柱一 钢梁贯通式节点 的整体性能 。 位移／ n l m 注： 一试验研究 ⋯ 数值模拟 f a ) 滞涸曲线 注： 一试验研究 数值模拟 ( b 1 骨架线 图 7荷载一 位移 曲线 图 8给 出了 不 同加 载 阶段 ， 隔 板 典 型测 点 的 应 力分布 。可以看 出， 数值分析结果 和试 验结 果基本 一 致 ， 这说明， 可 以采用本文所建立 的数值模拟来研 究钢管混凝土柱一 钢梁贯通式节点隔板 的力学行 为。 另一方面， 隔板上的应力分布很不均匀， 随着离钢梁 距离的增加 ， 隔板上应力快速衰减。由于布置 的测 点数量有限 ， 无法得到节点 区应力分布 。 加 载端荷 裁／ k N 注：+测点A ( 试验研究) + 测点B ( 试验研究) 0一测点c ( 斌验研究) 廿测点A 【 数值模拟) — 测点B ( 数值模拟) — △ - 测点c (数值模拟) 图 8隔板应 力分布 z 挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 4 卷 b e h a v i o r o f i n n e r — s t i f f e n e d C FT c o l u mn t O b o x b e a m j o i n t [ J ] ．J o u r n a l o f X i ’ a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y： Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 1 0， 4 2 ( 1 )：1 5 - 2 1 ． [6 ]陈以一 ， 李刚 ， 庄磊．H形钢梁与钢管柱 隔板贯通式 连 接节点抗震性能试验[ J 3 ．建筑钢结构进展 ， 2 0 0 6 ，8 ( 1 )：2 3 - 3 0 ． CHEN Yi y i ，LI Ga n g， ZH UANG Le i ． Expe r i me nt a l s t u d y o n t h e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f d i a p h r a g m t h r o u g h t y p e j o i n t c o n n e c t i n g H b e a m a n d t u b e c o l u mn i n s t e e l f r a me [ J ] ．P r o g r e s s i n S t e e l B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6 ， 8 ( 1 ) ：2 3 - 3 0 ． [ 7]姜忻良， 苗继奎，陈志华．方钢管混凝土柱一 钢梁隔板 贯通节点抗震性能研究[ J ] ．天津大学学报，2 0 0 9 ， 4 2 ( 3 ) ：1 9 4 - 2 0 0 ． J I ANG Xi l i a n g ， MI AO J i ku i ， CHEN Z h i h u a ． Ex p e r i me n t o n s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f d i a p h r a g m t h r o u g h j o i n t b e t we e n c o n c r e t e — f i l l e d s q u a r e s t e e l t u b u l a r c o l u mn a n d s t e e l b e a m E J ] ．J o u r n a l o f T i a n j i n g Un i v e r s i t y ，2 0 0 9，4 2 ( 3 )：1 9 4 — 2 0 0 ． [ 8]王砾瑶 ，张勇 ， 边永丰．钢管混凝土柱与钢梁隔板贯通 式节点抗 震 性 能研 究 E J 3 ．建 筑 结 构 学 报 ，2 0 1 0 ，3 1 ( S1 )：3 9 8 — 4 0 3 ． W ANG L i y a o， Z HANG Yo n g， BI AN Yo n g f e n g ． S t u d i e s o n s e i s mi c b e h a v i o r s o f s t e e l b e a m t O c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn c o n n e c t i o n s wi t h t h r o u g h d i a p h r a g ms E J ] ．J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s ，2 0 1 0 ， 3 1 ( S 1 )：3 9 8 — 4 0 3 ． [9]邱法维 ， 钱稼茹 ，陈志鹏．结构 抗震试验方 法I- M] ．北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 0 ． E l o 3 S i l v a n a D N，D e b s E，L u c i a H C ．An e x p e r i me n t a l s t u d y o f c o n n e c t i o n b e t we e n I - b e a ms a n d c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s [ J ] ． S t e e l a n d C o mp o s i t e S t r u c t u r e s ，2 0 0 4，4 ( 4 ) ：3 0 5 — 3 1 5 ． [ I I ] Ka n g C H， S h i n K J ，O h Y S ．Hy s t e r e s i s b e h a v i o r o f C FT c o l u m n t O H— b e a m c o n n e c t i o n s wi t h e x t e r n a 1 T— s t i f f e n e r s a n d p e n e t r a t e d e l e me n t s[ J ] ．E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ．2 0 0 1 ，2 3 ( 9 ) ：l 1 9 4 — 1 2 01 ． [ 1 2 3 Ha n L H，Wa n g W D，Z h a o X L ．B e h a v i o u r o f s t e e l b e a m t O c o n c r e t e - f i l l e d SHS c o l u mn f r a me s ： f i n i t e e l e me n t mo d e l a n d v e r i f i c a t i o n s [ J ] ． E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 0 8 ，3 0 ( 6 ) ：1 6 4 7 — 1 6 5 8 ． [ 1 3 ]Ya ma d a M ， Ha y a s h i A， N o z a wa S H． Ul t i ma t e s t r e n g t h o f T- s h a p e d s o c k e t j o i n t s b e t we e n s t e e l b e a m a n d c o n c r e t e-f i l l e d t u b u l a r c o l u mn [ J ] ． S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g a n d Ea r t h q u a k e En g i n e e r i n g， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 2 ) ：1 2 1 - 1 3 6 ． [ 1 4 ]Mo a v e n i S ． F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n w i t h a n s y s( t h e 3 r d e d n ) [ M] ．Ne w J e r s e y ： Pr e n t i c e Ha l l ，2 0 0 7 ． [ 1 5 ]L i B，Y a n g Q，Y a n g N．An i n v e s t i g a t i o n o n a s e i s m i c c o n n e c t i o n wi t h o p e mn g i n b e a m we b i n s t e e l mo me n t f r a me s [ J ] ．A d v a n c e s i n S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，2 0 1 1 ，l 4 ( 3 ) ： 5 8 3 — 5 9 5 ． [ 1 6 ]Qi u F W ，Q i a n J R，C h e n Z P ．S t r u c t u r e s e i s mi c t e s t me t h o d[ M] ．B e ij i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 0 ． ( 编辑 胡 玲) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m