方钢管混凝土柱——削弱钢梁端栓焊连接节点受力性能.pdf
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1、第 3 1卷第 3 期 2 0 0 9年 6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 1 No 3 J u n 2 0 0 9 方钢管混凝土柱 削弱钢梁端栓焊连接节点受力性能 周天华 , 聂少锋 ( 1 长安大学 建筑工程 学院, 西安 7 1 0 0 6 1 ; 王秀梅 , 郭军庆 2 北京中建建筑设计 院 六所, 北京 1 0 0 O 2 0 ) 摘 要 : 采 用三 维 实体 单
2、元 , 对 “ 带 内隔板 的方钢 管 混凝 土柱一 削弱 梁 端钢 梁栓 焊连接 框 架 节点” 建 立 了考 虑几何 非线性 、 材 料非 线性和接 触非 线性的有 限元理 论分析 模 型 , 将 有 限元模 型 与试验 模 型 进 行对 比分析 , 规律 方 面吻合较好 , 进 而对“ 框 架节点” 在 单调 和低 周反 复荷 载作 用 下的 受力性 能进 行 了数值分析, 深入研究 了其荷栽一 位移曲线、 节点区梁端的应 力分布规律、 耗能能力及破 坏特征。 研 究表 明 : 各种 梁端 削弱 节点 P _ 曲线 的初 始 刚度 和 梁端无 削弱节点 的初始 刚度基 本相 同; 梁端
3、削 弱节点的承载力比梁端无削弱节点的承载力有所降低 , 但 降低幅度不大; 梁端削弱节点均能够将塑 性铰外移致梁端削弱区域 ; 各种削弱形式的梁端削弱节点均表现 出良好的延性及耗能能力, 具有较 好 的抗震性 能 。 关键 词 : 方钢管 混凝 土柱 ; 梁柱 节点 肖 4 弱 梁端 ; 有 限单元 法 中图分类号 : T U3 7 8 文献标 志码 : A 文章 编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 0 9 ) 0 3 0 0 3 4 - 0 8 Me c h a n i c a l Be h a v i o r o f Bo l t - - we l d J o i nt
4、s b e t we e n S q u a r e Co n c r e t e f i l l e d Tu b u l a r Co l u mn a n d Re d u c e d Be a m S e c t i o n ZHOU T i an h u a ,NI E Sh ao 。 f a n g , ( 1 Sc ho o l of Ar c hi t e c t ur a l Eng i n e e r i n g,Cha ng a n Un i v e r s i t y, I n s t i t u t e B e i j i n g C o ,L t d,B e i j
5、 i n g 1 0 0 0 2 0,P RCh i n a ) WANG Xi u mei 。,GUO J u n q i n g Xi a n 71 0 06 1,P R Chi n a;2Chi na Ar c h i t e c t ur e De s i gn Ab s t r a c t :W i t h t h e a c t u a l t hr e e d i m e ns i o n e l e m e nt , t he n o nl i n e a r f i n i t e e l e m e nt a na l y t i c mo de l s we r e e
6、s t a b l i s h e d f o r b o l t we l d i o i n t s b e t we e n s q u a r e c o n c r e t e f i l l e d t u b u l a r ( C FT)c o l u mn a n d r e d u c e d b e a m s e c t i o n wi t h i n ne r s e p a r a t e s , c o ns i d e r i n g g e o me t r i c l a r ge de f o r ma t i o n, ma t e r i a l s
7、 n o nl i n e a r a n d c on t a c t n o n l i ne a r Co mpa r e d wi t h f i n i t e e l e me nt m o d e l a n d e xp e r i me nt a l mo d e l , i t wa s i n g o o d a g r e e me n t i n D r i n c i P l e And t he c h a r a c t e r i s t i c s of l oa d d i s p l a c e me n t ( P_ )c u r v e s,t he
8、 s t r e s s e s d i s t r i bu t i on o f b e a m ,t h e d i S S i pa t i n g e n e r g y a b i l i t y a n d d e s t r u c t i o n f or m we r e ma d e wi t h n u m e r i c a l a na l ys i s f o r be a r i n g b e ha vi o r of b oI t we l d i 0 i n t s b e t we e n s q ua r e CFT c ol u m n a n d
9、r e du c e d be a m s e c t i o n I t wa s s ho wn t ha t t he i n i t i a l s t i f f n e s s o f i o i n t wi t h r e d u c e d b e a m s e c t i o n wa s c l o s e t o t h a t o f n o n r e d u c e d b e a m s e c t i o n j o i n t Th e be a r i n g c a p a c i t i e s of o i n t s wi t h r e d u
10、c e d be a m s e c t i o n we r e a 1 i t t l e bi t l o we r t ha n t ho s e o f n o n r e du c e d be a m s e c t i o n j o i n t Th e p l a s t i c h i n g e i n t h e j o i n t wi t h r e d u c e d b e a m s e c t i o n mo v e d t O t h e r e d u c e d b e a m r e g i o n The s t ud i e d o i nt
11、 s d i s p l a y e d a be t t e r du c t i l i t y,e ne r gy d i s s i pa t i o n a nd g o od s e i s mi c b e h a v i o r me t h od 带内隔板的矩形钢管混凝土柱与钢梁连接节点 为 矩 形 钢管 混凝 土 结 构技 术 规 程 ( C E C S 1 5 9 : 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 2 1 5 基金项 目: 陕西省 自然科学基金资助项 目( 2 0 0 4 E 0 5 ) 作者简介 : 周天华( 1 9 6 3) , 男 , 教授 , 博士生导师 ,
12、 主要从事轻钢结构 、 组合结 构理论与工程应用研究 , ( E ma i l ) z h o u t h l 6 3 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 周天华, 等 : 方钢管混凝土柱一 削弱钢梁端栓焊连接节点受力性能 3 5 2 0 0 4 ) 1 推 荐形 式 之 一 。 自美 国 N o r t h r i d g e和 日本 Ko b e地 震 以后 , 美 国 F E MA( F e d e r a l E me r g e n c y Ma n a g e me n t Ag e n c y ) 等 研 究 机
13、构 进 行 的 大 量 试 验 研究表明: 通过梁翼缘的局部削弱 , 迫使大震作用下 塑性 铰偏 离脆 弱 的节 点焊 缝 区 , 出现 在 具 有 很 大 延 性 的 梁 上 , 可 以 不 同 程 度 地 改 善 节 点 的 抗 震 性 能 。因此 , 考 虑抗震 设计 时传 统 连 接方 式 的梁 柱 连 接处 梁 截 面 无 法 达 到 “ 等 强 ” 连 接 的 要 求 , ( GB 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 建筑 抗震 设计 规 范 建议 在 8度 设 防 、 类场地 和 9度设 防 时 , 柱 与钢 梁 的刚 性 连接 宜采 用“ 塑性铰 ” 外 移 的骨形连 接
14、。 已有研 究 的重 点 主要集 中在 削弱梁端 的纯钢框 架 节点 以及 考 虑混 凝 土楼 板作 用影 响上 , 然而 , 对 方钢 管 混凝 土 柱一 削 弱钢 梁端 节点 的研究 还 较少 。文 献 9 1 1 在 总结 相 关研究的基础上, 提出了几种削弱梁端 的构造方式, 有效 地增 强 了节 点 的延 性 和 耗 能 能 力 , 而 且 对 节 点 的承 载力 影响较 小 。 该文 利用 ANS YS有 限元 程序 , 建立 了同时考 虑几何非线性 、 材料非线性 和接触非线性的有限元 分析模型 , 结合试验和有限元理论 1 , 对方钢管 昆 凝 土柱- I 1 弱钢 梁 端 钢
15、 粱栓 焊 连 接 框 架 节 点 在 单 调 荷载 和低 周反 复荷 载作用 下 的受力 性 能进 行 数值 分 析 , 以研究 不 同梁 端 削 弱对 节 点 承 载 力 和 刚 度 的 影 响 以及 节点 核心 区和削弱 梁端 的应 力分 布 。 1 有 限元模 型 1 1 试 件选取 及 有限元 模型 的建 立 为方便 比较, 有限元分析试件基本尺寸选用文 献 1 2 中 J D - 3 A 节 点 试 验 足 尺 模 型 , 钢 材 为 Q3 4 5 B, 管内混凝土设计标号为 C 4 0 , 方钢管截面尺 寸均 为 5 0 0 2 5 mm, 梁截 面 尺寸 均为 5 0 0 2
16、5 0 8 1 6 mm, 内隔 板 厚 为 2 8 mm, 内隔 板 的大 孔 径 为 2 5 0 mm、 小 孔 径 为 2 5 mm, 连 接 板 为 1 9 03 5 0 8 mm, 螺栓规格 为 M2 7 , 1 0 9级 摩擦 型高 强螺 栓 ; 试 件 连接形式为栓焊连接, 主要材性指标选取文献E l e 中 试验值。该文研究的钢梁梁端削弱形式见图 l 。 两 两 ( a )“ 狗 目 试 ”削弱 ( b )翼缘开 排 不同径 孔 ( t )腹板开 网孔 )粪缘歼I I f= -V I L 、 腹板开卿孔或长网孔 图 1 梁端 削弱节点类型 节点模型 的几何尺寸见 图 2 。模型
17、采用三维实 试件有限元模型见图 3 。 体 建模方 法 , 模 型建 立 时采用 如下 处理方 法 : 1 ) 弹塑性本构模型 : 采用 Vo n Mi s e s屈服条件 和运 动 强 化 准 则 , 混 凝 土 采 用 弹 塑 性 本 构 模 型 和 w 1 l i a m Wa r n k e五参 数 破 坏 准 则 ; 2 ) 单 元 的 选 取 : 远离 节点域 的梁 柱选 用 s o t i d 4 5单元 , 形 状 复杂 的 节 点域 为 s o l i d 9 2 单 元 , 管 内混凝 土用 s o l i d 6 5单 元 , 高 强螺栓 连接 的 面面接触 对 中可将
18、与柱 壁 焊接 的小 牛 腿、 螺栓帽、 螺栓头 、 螺栓孔壁接触的面定义为 目标 面 , 而 相应 的腹板 面 、 螺栓 帽接触 的钢 板 面 和螺 栓杆 表 面设 为接 触面 。 目标 面采 用 t a r g e t 1 7 0单 元 , 接触 面采用 c o n t a c t 1 7 4单元 。高强螺栓 的预拉力可采用 预拉力 单 元 p r e t e n s i o n 1 7 9单 元 来 实 现 ; 3 ) 简 化 处 理 : 该文模型节点域 的混凝土因内隔板的存在处 于 理想的三向受压状态 , 外荷载作用下 钢管壁与混凝 土的滑移影响较其他钢管混凝土构件要小得多 , 故 采
19、用“ g l u e ” 命令将管内混凝 土与管壁和内隔板粘接 在一起 , 忽略管壁与混凝 土问的相对滑移。建立 的 署 图 2 节点模型的几何尺寸 景 图 3部分 节点 有限元模 型 塞 二 二 菩 一 十l 罐 鹊皿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 1卷 1 2 加载 与求解 研究的节点模型均为框架梁柱反弯点间的十字 形 节点 。节 点模型 的加 载及 变 形简 图见 图 4 。几 何 建 模时 , 按 图 5所示进 行分块 。将柱 底部约 1 0 0 mm 长柱段定 义为 刚性 体 ( 如 E一 1 0 MP a
20、, 厂 一1 0 MP a , 避免此处 因应力 集 中而先 出现 破坏 ) , 柱 底 铰 接 , 通过在 柱底截 面 中 间分 界线 上 施 加 三 向线 约 束 来 实现 ; 为 防 止侧 向失稳 , 在梁 端 A 区上 下 翼 缘边 上 对称 四条线 段 “、 b上施 加 Z向约束 ; 为保 证 系 统 的稳 定 , 在 柱顶施 加轴 力 时 , 先 对 钢梁端 面 M 施 加 X 向水平 约束 ; 施加 柱 顶水 平 荷 载 P 时 , 将 钢 梁 端面 M 上的 x 向约束改为 Y向约束 以保证水平 力作 用下 梁 端 沿 X 向 可 自 由移 动 , 而 竖 向没 有 位 移 。
21、柱顶轴力 N 以节 点 荷 载 的形 式 平 均 施 加 在 柱 顶 面 S上 的各单元节 点上 ; 柱 顶水平 荷 载 P 以位移 控制 加载 , 加 载前先将 S面 上所 有节 点 的 X 向位 移 耦合在 一个 关键 点上 , 施 加 的位 移 只需 加 在 此 关键 点 的 X 向上 即可 。求 解 时采 用 全 Ne wt o n R a p h s o n 增量迭代法 , P C G 求解器 ( 预置条件共轭梯度求解 器 ) , 程序运行 和收敛性 较好 。 R r 一 + P Lv l ! l l 6 一 吝 一J 图 4 加载及变形简图 图 5 模型分块示意 1 3有 限元模型
22、 的验证 为了验证有限元模拟分析 的可靠性 , 首先对文 献 1 2 中无 梁 端 削 弱 的 基 本试 件 J D 3 A 依 据 前 述 建 模方法 , 建立三 维实体有 限元模 型进 行模 拟 分析 , 行将数值模 拟结 果 与试 验 结 果进 行 比较分 析 , 加 载 方式同文献 1 2 。有限元计算结果骨架曲线和试验 曲线 的对 比见 图 6 , 试 验 与 有 限 元 模 型 梁端 的最 终 破坏特 征对 比见 图 7 。节点 域 内隔 板 和混凝 土 的破 坏特征及受力特点详见文献 9 , 1 4 。 I J U 6 0 0 : 一 4 0 0 。 0 2 0 O 一 | 1
23、, d m T , 0 0 0 5 0 5 0 l 一 2 。 试验结果 。 一一有限元结果 6 0 0 图 6 有 限元 分 析 与试 验 骨 架 曲线 的对 比 图 7试 验 与 有 限 元模 型 梁 端 破 坏 特征 比较 由图 6 知 , 试验 曲线 与 有 限元 计 算 结 果 曲线 吻 合 较好 。有 限元 计 算 结果 的初 始 刚 度 、 屈 服荷 载 和 最大荷 载略高 于试验 值 , 相差 均 在 8 以 内。由 图 7 知 , 试验模 型与 有限元 模型 的破坏 特征 基本 相 同 , 两 者均在梁端右侧上翼缘 和左侧下翼缘出现了局部鼓 屈 。综 上所述 , 该 文 的有
24、 限 元模 型 能 够 较 准确 地 反 映结构 的受力 状态 。从 而证 明 了该 文有 限元 分析 方 法 的正 确性 。在上述 梁端 削弱节点 模 型非 线性有 限 元 分析 的基础 上 , 建立 了 1:1 尺 寸的有 限元 模 型进 行分析 , 研究不 同梁 端 削弱 类 型及 不 同加 载 方式 下 方钢管 混凝土 柱一 削 弱钢 梁 端 栓焊 连 接 节 点 的受 力 性能 。各模型 参数见 表 1 。 表 1 有限元模型参数 2单调荷载下的数值分析 2 1 荷 载与位 移 ( ) 曲线 按照上述建模方法及求解过程 , 对表 1中不同 梁端削弱 类型 的节点模 型 ( 1 C J
25、 7 C J ) 进 行 单调 加 载的有限元模拟分析 , 柱顶轴压力为 1 0 0 0 k N( 轴压 比为 0 0 5 6 ) , 其柱顶 水平 P 曲线 见 图 8 ( a ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 周天 华 , 等 : 方钢 管 混凝 土柱 削弱 钢 梁端栓 焊连接 节 点 受力性 能 3 7 由图 8 ( a ) 知 , 7 C J节 点 和 1 C J节 点 的 P _ 曲 线基 本 重合 , 5 C J和 6 C J节 点 的 P 一 曲线 基 本 重 合 , 2 C J节 点 的 承 载 力 最低 ; 各 节 点 P _
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