方钢管混凝土柱穿芯螺栓端板节点性能的非线性有限元分析.pdf
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1、第 3 9卷第 1 期 2 01 2年 1月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c h n i q ue De v e l o pme n t Vo 1 3 9。 No 1 J a n 2 0 1 2 方钢 管混凝土柱穿芯螺栓 端板 节点性能的 非线性有限元分 析 许剑徐伟 良陈佳弟 ( 浙江工业大学建筑工程学院, 杭 州3 1 0 0 3 2 ) 摘要 用 A N S Y S有限元程序对方钢管混凝土柱 一钢梁穿 芯螺栓端板半 刚性 节点 的非线性 性能进行 了理论 分析 , 并 将 计算 结果与试验结果进行 了比较 , 两者吻合较好 。通过对 6个 系列 共 1 3个方 钢管
2、混凝土柱 一钢梁穿芯螺 栓端板连接试件的非线性有 限元分析 , 重点探讨了连接 的各类组件对节点力学性 能的影响 。结果表 明 : 端板 加劲肋和高强螺栓预应力对节点力学性能有较 明显 的影 响 , 端板 厚度 和轴压 比对 节点力 学性能有一 定 的影 响 , 螺栓直径及排列 间距对 节点力学性能的影响较小 。 关键词 方钢管混凝土柱 ; 穿 芯螺栓 端板 节点 ; 非线性分析 ; F一 曲线 中图分类号 T U 3 1 1 4 1 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 1 - 5 2 3 X( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 1 0 5 NoNLI NEAR FEM ANALY
3、S I S OF THROUGH END PLATE BOLTED CoN NE CT I oNS F oR C oNC R E T E F L E D S QU AR E S TEEL TUBULAR CoLUM N S TEEL BEAM A b s t r a c t Ke y w o r d s Xu J i a n Xu We i - l i a n g C h e n J i a - d i To an a l y z e t h e n o n l i ne a r be h a v i o r s o f t h r o u g h e n d- pl a t e b o l
4、t e d s e mi r i g i d c o n n e c t i o n s f o r c o nc r e t e fil l e d s q u a r e s t e e l t u b ul a r c o l u mn s t e e l b e a m t he o r e t i c a l l y by ANS YS fini t e e l e me n t p r o g r a m a n d t o c o mp a r e t he r e s u l t wi t h t e s t i n g r e s u l t , w e fi n d t h
5、 e t w o r e s u l t s a r e i d e n t i c a 1 T h r o u g h a n a l y z i n g 6 s e r i e s o f t o t a l 1 3 t h r o u g h e n d p l a t e b o l t e d c o n n e c t i o n s a mpl e s b y fini t e e l e me n t a nd ma i n l y d i s c us s i n g t h e e f f e c t s o f s e v e r a l o f c o mpo n e
6、n t s c o n ne c t e d t o me c h a ni c a l i n flue nc e o n me c c ha ni c a l p r o p e r t i e s o f t he n o d e Th e r e s u l t s h o w t ha t t h e s t i f f e n i ng p l a t e o f e n d p l a t e h a s g r e a t i nflu e n c e o n me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f t he no d e; Th e
7、 t hi c k ne s s o f t he e n dp l a t e a nd t h e a x i a l l o a d r a t i o s h a v e a c e rta i n i n flu e nc e o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e n o d e; t he bo l t di a me t e r a nd s pa c i n g a r r a ng e me n t h a v e l e s s i n flu e n c e o n me c h a n i c a l
8、pr o pe r t i e s o f t h e no d e c o nc r e t e fil l e d s q u a r e s t e e l t u b ul a r c o l umn; t h r o u g h e n d p l a t e bo he d c o n ne c t i o n; n o nl i ne a r a n a l y s i s ; F- Ac ur v e 钢管混凝土结构是一种组合结构体 系, 它充分 发挥了钢管和混凝土两种材料各 自的优点 , 具有承 载力高 、 塑性和韧性好 、 施工方便等优点 , 被广泛 地应用于工业厂房 、
9、高层建筑 和桥梁等结构 。随 着我国经济的增长 , 以钢管混凝土柱与钢 梁形成 的 收稿 日期 : 2 0 1 11 0 1 5 作者简介 : 许剑 ( 1 9 8 7 一 ) , 男 , 安 徽绩 溪人 , 浙 江工业 大学 硕士 研究 生 , 研究方 向为钢结构及空间大跨度结构 。 通 讯作者 : 徐伟 良( 1 9 5 2 - ) , 男 , 教授 , 浙江工业大学硕士研究 生导师 , 研究方 向为建筑结构非线性分析的理论与应用。 组 合框 架结 构体 系在 工程 实践 中逐渐 得到 应用与 发 展 , 并取得了良好的经济效益和社会效益。钢管 混凝土柱 一梁连接的节点是设计的关键部位 ,
10、 其力 学性 能直接 影 响着 整 体结 构 的强 度 、 刚 度 和稳 定 性 等设计指标值。传统的设计和分析都是将钢管混凝 土柱 一梁 节点考 虑 成 刚度 为 无 穷 大 的 刚性 节 点 , 这 一 简化显然将节点的受力性能理想化了。它虽然能 够使计算更为简便 , 但却不能真实地反映实际结构 的受力性能。本文采用 A N S Y S程序对穿芯螺栓端 板半刚性连接节点的工作机理进行了非线性有限元 分析 , 并将计算结果 与文献 4 的试验结果进行 了 第 1 期 许剑 , 等 : 方钢管混凝土柱穿芯螺栓端板 节点性能的非线性有 限元分析 第 3 9卷 比较分析 , 验证了采用有 限元分析
11、方法来模拟试验 研 究 的 可行 性 。通 过对 6个 系列 共 1 3个方 钢 管 混 凝土柱 一 钢梁穿芯螺栓端板半刚性连接节点的有限 元理论分析 , 重点探讨了各类组件的参数变化对节 点非线性力学性能的影响。 1 有 限元模 型 的建立 1 1试件 设计 在非线性有限元分析 中, 模拟试件的材料和尺 寸选用与文献 4 的试验试件相同, 即所有钢材均 采用 Q 2 3 5 B, 其 中 C 1与 C - 2试件梁截 面尺 寸为 H 3 0 0 mm x 1 5 0 m m x 6 5 mm x 9 m m, 方钢管柱的截 面尺寸为 2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 8 m m
12、, 端板 的尺寸为 5 0 0 m m x 2 0 0 m m2 0 m i ll , 螺栓采 用 1 0 9级 M 2 4 的摩擦型高强螺栓, 方钢管内填充设计强度为 C 4 0 的混凝土, 两个节点试件按照轴压比 0 2 0 、 0 2 5施 加柱顶竖向荷载。钢材弹性模量为 2 0 61 0 MP a , 泊松比为 0 3 , 本构关 系选用适合于大多数金属材 料的多线性随动强化( K I N H) 模型 。节点构造详 图见 图 1 。 I 2 - 2 0 x 2 0 o 5 0 I T 、 1 : 2巾,M2 4 J -I N3 0 01 5 0 l 2 口2 5 0 x 2 5 0 8
13、 图 1 节 点构造详 图 1 2有限元分析模型 1 ) 主要研究穿 芯螺栓端板半 刚性连接节 点在 平面内的受力性能 , 不考虑其平面外特性 , 故可利用 结构的对称性 , 仅建立二分之一模型。 2 ) 建模 时将 螺栓视 为一个 连续体 , 螺 杆和 螺 母( 螺帽) 均近似按 圆柱体 处理 , 考虑板件 问接 触 面为紧密贴合 。采用“ 粘( G l u e ) ” 命令将钢管内混 2 凝土与管壁粘 接在一起 , 对于钢 管 内的混凝 土和 钢管壁受 荷 下 的粘结 关 系仍 然采 用完 全 粘结 的 假定 。 3 ) 混凝土采 用 Wi l l i a m Wa mk e五参数 破坏
14、准 则 , 采用实体单元 S O L I D 6 5 。远离节点域部位的 钢梁 、 柱壁板采用实体单元 S O L I D 4 5, 节点域及附近 部分的钢梁、 柱 壁板采用高 阶实体单元 S O L I D 9 2 。 高强螺栓的预拉力由 P R E T S I 7 9单元实现。采用三 维 目标单元 T A R G E 1 7 0和与之对应 的三维接触单 元 C O N T A1 7 4构成接触对。 4 ) 本文分析的节点模型, 模拟 的是框架梁柱反 弯点间的十字形受力形式 , 如图2 。 N P , ,一 一 j - - - 一 一 ! z I 图 2 模型加载与变形示 意 5 ) 柱底施
15、加固支约束 , 结构对称面施加对称约 束 , 两梁端断面节点约束竖向位移 U Z和侧 向位移 U Y。分析时先给螺栓施加预应力 , 再加柱顶竖向荷 载 , 最后施加柱顶水平荷载 P。荷载的施 加方式 为: 柱顶 的轴力 以面荷 载的形式施 加在 柱顶面 上; 柱顶水平力以位移形式施加 , 即耦合柱顶面所有 节点在 z向的 自由度, 施加位移荷载于耦合面的主 节点 上 。 6 ) 按照上述的 a n s y s 有限元建模方法得到有限 元模型如图 3所示。 图 3 节点有 限元模型 2有限元模型的验证与计算结果分析 2 1 非线性有限元分析与实验数据的比较 按照上述建模对文献 4 所做 的轴压
16、比为 0 2 冒 茸 第 3 9卷 许剑 , 等 : 方钢管混凝土柱 穿芯螺栓端板节 点性 能的非线性有 限元 分析 第 1期 和 0 2 5的实验模 型进行三维非线性有 限元分析获 得的低周反复荷载作用下的柱端水平荷载 一位移骨 架曲线如图 4所示。 JZU 卢 曩 9 0。 3 00 , 200 -90 -60 -30 0 30 6O 90 1: 。 柱 顶 位 移 ,触 图 4骨 架 曲线 试验得到的 P一曲线有 下降段 , 而有 限元计 算 的曲线没有下降段。这是由于程序中提供的材料 模型大多数是基于经典材料力学理论 的均质材料模 型 , 材料 的延 性较好 。 计算结果与试验结果 的
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