钢管混凝土柱-钢梁环板节点抗剪性能数值模拟.pdf
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1、第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u rna l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 28 No 3 S e p 2 0 1 1 钢管混凝 土柱一 钢 梁环板节点抗 剪性能数值模 拟 史艳莉, 谢 娜, 王文达, 张鹏鹏 ( 兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ) 摘要: 为了研究钢管混凝土柱一 钢梁环板节点的抗剪性能 , 采用 A B A Q U S软件对节点进行了数值模拟。通过 对大量的典型算例进行数值模拟, 验证模型的合理性。在此基础上
2、, 依据规范所规定的节点设计的一般原则, 建立钢管混凝土柱一 钢梁环板节点的有限元典型试件模型, 并对该模型进行单调加载下的全过程分析。依据所 得到的有限元数值模拟结果, 分析节点宏观的破坏形态以及微观的剪力一 剪切变形关系, 以此来明晰节点的受 剪机理 , 从而为抗剪设计提供一定的依据。 关键词 : 钢管混凝土; 环板节点; 数值模拟; 抗剪性能 中图分类号 : T U 3 9 8 9 文献标 识码 : A 文章 编号 : 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 -0 1 8 3 -05 近年来 , 随着钢管混凝土结构的发展 , 其在工 程上的应用越来越多, 随之
3、对其理 论的研究也越 来越多。目前 , 国内外 的研究人员对节 点的抗震 性能进行了一定的实验研究 和理论研究 , 但是对 节点的抗剪性能研究还不成熟 , 有待于完善 , 主要 还存在以下几个方面 的问题 : ( 1 )由于钢管混凝 土节点 的抗剪机理比较复杂 , 再加上存在加强环、 钢牛腿等构件 , 使得节点受力更加复杂 ; ( 2 ) 以前 的节点分析大多数是将钢管和混凝土分开考虑 , 没有充分考虑两者的协同作用 ; ( 3 )在梁端变形 分析中, 节点 的剪切变形是重要的组成部分 , 而以 前的研究人员对节点 的剪切变形研究相对较少。 本文考虑这几个方面的问题 , 对钢管混凝土柱一 钢
4、梁环板节点的抗剪受力进行 了数值模拟 , 以此来 明晰节点 的受剪机理 , 从而为以后的研究工作提 供一定的依据。 节点 抗剪的研 究概 述 目前 , 国内外研究人员对钢管混凝 土梁柱节 点的抗剪性能进行了一定 的研究 。国内主要有 : 周天华等对 内隔板式节 点进行 了理论 和有 限 元分析, 并给 出了节点受 剪承载力公式 ; 范晓燕 等 对高层钢 管混凝 土梁柱节 点进行 了理论分 析 , 提出了节点 的抗剪承载力公式 ; 徐梦琴和许成 祥 探讨了影响节点抗剪承载力 的主要因素 , 提 出了圆钢管混凝 土节点抗 剪承载力公 式, 并进行 了有 限元分析; 肖万松 等 对带 内隔板的矩形钢
5、 管混凝土节点进行 了理论 和有 限元分析 , 并推导 了节点的受剪承载力公式 ; 高春彦 等 对内隔板 式节点进行了分析计算 , 推导 了其 受剪承载力 的 叠加公式 ; 聂建国和徐桂根 建立 了方钢 管混凝 土节点抗剪受力模型 , 并进行 了有 限元分析 , 结果 证明与实验曲线吻合 良好 。 国外主要有 : C h e n g和 C h u n g 对 5个十字型 的钢管混凝土梁柱连接节点试件进行试验分析, 考虑了轴力对受剪性能 的影响 ; N i s h i y a m a等 对 影响节 点抗 剪 的 因素进 行 了分析 ; F u k u m o t o和 Mo r i t a 对节
6、点进 行 了实验研 究 , 提出 了基 于叠 加原理的抗剪承载力计算方法。 2 钢管混凝土梁柱节点受剪状态 在荷载作用下, 钢管混凝土柱一 钢梁节点与普 通混凝土框架节点 的受力情况是相似 的lL j , 它不 仅要承受 由柱端方 向传来 的轴力 、 弯矩 、 剪力 , 而 且要承受梁端方向传来 的弯矩及剪力 , 由于梁承 受的轴力较小 , 可以忽略不计 。方钢管混凝 土一 钢 梁节点的剪力 由混凝土和钢管壁共 同承担 , 节点 在水平剪力作用下产生剪切变形 , 其受力变形 如图 1 。 节点的剪切变形为 : 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 7 2 7 作者简介 :史艳莉 ( 1 9
7、7 7 ) , 女 , 河北涿州人 , 副教授 , 硕士 , 研究方 向为钢与混凝土组合结构 ( E ma i l : c e s h i y l 1 6 3 c o n 1 ) 基金项 目:甘肃省高等学 校基本科 研业务费( 0 9 0 4 Z T BI 4 7) ; 兰州理工大学科研发展基金 ( 2 0 1 0 0 2 ) 1 8 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 一 I I I ( a )受力示意图 4 ( b)节点域变形示意图 图 l 钢管混凝土节点受力变形示意图 : : : V b + b 2 ( 1 ) 其中h 为节点域沿梁方向的高度, b 为节点域宽 度, 为节点域沿对角
8、线方向的平均变形 : = ( 2 ) 由节点静力平衡方程可得节点剪力为: : ( 3 ) 其中, 柱端方向的弯矩为: M : ( 4) = ( 4) 3 算例分析 3 1 模型的建立 基于 A B A Q U S建立本 文数值模 拟模型。钢 材选用弹塑性模 型, 混凝土选用塑性损伤模 型。 钢材应力一 应变关系采用二次塑流模型 , 曲线分为 弹性、 弹塑性 、 塑性 、 强化 和二次塑流 五个 阶段 。 混凝土的应力 应变关系曲线采用韩林海 提出 的模型 , 该模型考虑 了混凝土强度和约束效应系 数的影响。 混凝土及加载板采用三维 8节点单元 C 3 D 8 , 钢管和钢梁采用 4节点壳单元
9、S 4 。在节点的抗 剪分析 中, 对柱底约束 1 、 2、 3方向的线位移 , 对梁 端约束 1 、 2方 向的线 位移 ( 在梁 端加竖 向荷载 时) 或者是 2 、 3方 向线位移 ( 在柱顶加水平荷载 时) , 柱端只约束平面外的 2方向线位移。 单元 的接触在 I n t e r a c t i o n功能模块 里定义。 钢管与混凝土采用面椅接触; 钢管和钢梁采用绑 定约束; 混凝土和加载板采用绑定约束; 加载板和 钢管采用壳体一 实体耦合约束。 环板处有转角 , 会导致应力集 中, 在划分网格 时应将环板处切割成几部分 , 使 网格更均匀。加 载分为两个步骤 , 第一步先加柱顶的轴
10、力 , 第二步 在左右梁两端加竖 向反对称位移。 3 2 算例对 比 选取了杜培源 的方钢管混凝土 中柱节点 S J - 0 1 c试件进行算例 比较。加载方式为柱顶施加 恒定轴力, 再在梁端加竖向反对称荷载。计算结 果与试验结果比较如图 2所示 , 可见 曲线吻合 良 好 。 至 藕 挺 释 柱 :口f = 2 0 0 X8 mm 梁:H2 4 8 1 2 4 5 8 n = 2 3 5 N mm 。 , f c = 2 0 N mm 彳 试 验 、 ,夕 一 计 算 粱端位移 ram ( a)梁端荷载 梁端位移 曲线 柱 :口t = 2 0 0 X8 ram 梁 :H2 4 8 1 2 4
11、 5 8 n = 2 35 N mm f , ,= 2 0 N mm 试验 一 计算 r j x0 0 0 1 t a d ( b)剪力_ 剪切变形 曲线 图2 节点 S J - O I c的实验值与有限元值比较 选取了王文达等 。 的钢管混凝土 中柱节点 试件 C J - 2 1 、 C J - 2 2 、 S J 一 1 3 、 S J 一 3 3进行算例验证。加 载方式为在柱顶加恒定轴力 , 再在柱顶加水平荷 载。计算结果与试验结果比较如图3所示, 可见 计算结果与试验曲线吻合 良好。 斗,叫_ 1 L 第 3期 史艳莉等 : 钢管混凝土柱一 钢梁环板节点抗剪性能数值模拟 1 8 5 粱
12、 :HI 5 0 7 0 3 5 3 3 f y = 2 8 9 N mm 。 柱 :DXr : 1 4 0 X2 1 3 ram =27 2 3 N r a m f o = 6 0 N mm 一 C J 2 1 试验 。C J 一 2 1 计算 一C J 一 2 2 试验 。 。 。 。C J 一 2 2 算 A mm ( a)圆钢管混凝土梁柱节点 梁 :H1 6 0 8 0 3 5 3 3 = 28 9 N mm 柱 : f = 1 2 0 3 4 6 ram = 39 0 N mm u = 60 N mmz 、 1 S J 1 3 试验 。 S J 1 3 计算 一S J 3 3 试 验
13、 。 S J 3 3 计算 ( b)方钢管混凝土梁柱节点 图 3 钢管混凝 土节点的 P 曲线 4 数值分析 4 。 1 典型试件选取 依据 钢 管 混凝 土结 构 技术 规程 ( D B 6 2 T 2 5 3 0 4 1 2 0 0 9 ) , 并 参考工 程常 用参数 , 设 计 了外加强环式节点。根据节点在受力下反弯点的 位置 , 截取框架的中柱节点 , 取钢梁的跨度为6 0 0 0 mm, 层高为3 0 0 0 mm。方钢管混凝土节点 和圆钢 管混凝土节点的基本信息如下 : 钢梁尺寸为 H= 4 0 0 m lT l 2 0 0 m m 8T I L T 1 0 mm, 钢管尺寸为
14、D ( B)X t : 4 0 0 F i l m1 0 m m, 环板宽度 1 0 0 m m, 材 料分别为 Q 3 4 5和 c 4 o 。 4 2 节点剪力一 剪切变形曲线 对于钢管混凝土节点的剪力 剪切变形曲线 , 聂建 国和徐桂根 提出 了典型钢 管混凝土节点 剪力一 剪切变形曲线 , 把节点的抗剪受力过程分为 协同工作 、 共同工作 、 屈服强化和极限变形 4个 阶 段 。 典型圆钢管混凝土节 点, 轴压 比为 12= 0 4 , 轴压 比定义为 n=N o N , 其 中 , v 0为加在柱顶的 轴力 , 为极限承载力 , 含钢率为 O l = 0 1 , 含钢 率定义为 a
15、= A A , 其 中 4 和 A 分别为钢管 和 核心混凝土面积 。典型方钢管混凝 土节点 , 轴压 比为 n= 0 4, 含钢率 O L = 0 0 5 。 采用上述理论模 型进行数值模 拟 , 在单调加 载下节点剪力一 剪切变形 曲线如 图 4所示 。根据 文献 6 提出的典型节点剪力一 剪切变形曲线 , 将 该 曲线抗剪受力过程 分为 四个 阶段 : O A段 为协 同工作阶段; A B段为共 同工作阶段 ; B C段为屈服 强化阶段 ; C D段为极限变形阶段 。 图 4 钢管混凝土节点 的剪力一 剪切变形 曲线 由计算结果知 , 对于相 同尺寸和材料 的方钢 管混凝土和圆钢管混凝土
16、节点 , 在协 同工作 、 共 同 工作 和屈服强化 阶段 , 圆钢管混凝土节点 的承载 力低于方钢管混凝土节点 ; 在极限变形阶段, 圆钢 管混凝土节点的最大受剪承载力稍高于方钢管混 凝土节点 ; 方钢管混凝土节点的剪切变形和圆钢 管混凝土节点接近 。 4 3 钢管混凝土节点的应力分布 为了分 析节点的应力 变化规律及 节点 的变 形 , 以明晰微观的应力状态和宏观形态 , 列出了节 点各部分的 M i s e s 应力 , 如图 5图 8所示 。从图 l 。 S S (J ( a )圆钢管混凝土节点 S ( ( b)方钢管混凝 土节点 图 5 钢管混凝土节点的 变形 1 8 6。 土木工程
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