方钢管混凝土柱梁穿筋式节点数值分析.pdf
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1、5 2 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 8 期( 总第 1 9 4期) 方钢管混凝土柱梁穿筋式节点数值分析 庞树涛 , 殷福新 ( 大连理工大学建设工程学部 土木工程学院 。 辽 宁 大连1 1 6 0 2 4) 【 摘要】 对钢管混凝土柱 一 穿筋钢梁节点的受力性能进行 了考虑几何非线性、 材料非线性及接触非线性 的多重非线性有限元分析, 试验数据验证了模型精度和可靠性, 并分析了方钢管混凝土 一工字钢梁穿筋节点的滞 回性能及钢梁腹板削弱和贯穿腹板后的性能改善 , 并与加强环式节点对比, 表明穿筋节点具有更好“ 性价比” 。 【 关键词】 方钢管混凝土结构; 节点 ; 抗震性能; A B
2、 A Q U S 【 中图分类号】 T U 3 9 2 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 5 2 0 4 钢管混 凝 土 结 构 因 其 具 有 承 载力 高 、 塑 性 韧 性 好、 制作和施工方便、 耐火性能好、 经济效果好等优 点 , 工程应用越来越普 遍 。钢管截 面形式 主要有 圆 形、 矩形、 方形及多边形等, 圆形和矩形钢管应用最为 广泛, 例如杭州瑞丰 国际商务大厦、 武汉国际证券大 厦、 台北 国际金融中心、 大连 国际贸易中心及广州南 航大厦等工程 。 梁柱节点一直是 钢管混 凝土结 构 的研究
3、重 点 , 钢 梁 主要节 点形 式有 外加 强 环式 、 内隔板式 、 隔板 贯通 式、 外肋环板式、 穿芯高强螺栓 一 端 ( 肋) 板式、 T型板 锚定式、 贯穿钢管式等, C E C S 1 5 9 : 2 0 O 4 推荐的内 隔板式和 外隔 板式 节 点 的 工程 实践 较 为广泛 。上述 部分节点按 刚接考 虑 , 但 实际工 程 中并不 存在 绝对 刚 性节点 , 若转动约束 能力 达到理 想刚接 的 9 0 就认 为 刚性连接。贯穿式钢梁节点具有较强的刚度, 明确的 l Pq趁 1 l I二 : 工= J I 百 I 传力路径, 其穿心构件有钢梁、 腹板、 翼缘、 钢筋、 弯
4、起 钢板等, 我国新修订实施的 C E C S 2 8 : 2 0 1 2 将钢管 混凝土柱与连续钢 梁贯穿节 点作 为推荐形 式 之一 , 此 类节点的刚度特性能够满足刚性连接的要求 。 本文应用 A B A Q U S分 析 反复 加 载下 贯 穿钢 筋 节 点的受力性能, 有限元模型得到试验验证 , 并建模分 析 了方钢 管混凝 土柱 与工 字 钢梁 的穿透 式 节 点 区应 力及破坏形式 , 承 载力 、 延性及 耗 能等 , 并 与外 加强 环 式节点性 能对 比。 1 有限元分析模型 ( 1 ) 试验概述。基于文献 5 中方钢管混凝土 柱与箱型钢梁试件 t s 一3建立有限元模型,
5、 研究穿筋 节点低周反复加载下的力学性能, 采用的箱型钢梁为 I 1 6工字钢梁补焊腹板 , 详细构造见 图 1 ( a ) , 混凝 土和 钢材材料特性采用试验实测值。 50 0 I 8 o 1 9 I 8 05 0 0 l I I I 4 l ,f 曹 一 8 0 5 0 0 8 0 1 0 01 9 5 1 0 0舳5 0 0 8 0 8 o 5 0 O 8 O 5 0 1 9 55 08 0 5 0 0 8 0 、 o厂rr1TrrT 蚕 畦五蟊荤莹 兰蛋 厂 r T 1 r T T I _ E = =卫 j ( b ) P B C 图1节点构造配置详图 ( 2 ) 材料 本构关 系选
6、 择 。 钢材 往复加 载下应 用 双线 性随动 强 化模 型 , 弹 塑性 阶段 之后 , 钢 材强 化 阶 段模量为 E , O t 建议取 O O 1 , 试验中钢管内核心混凝 土采用 C 6 0 , 测得立方体抗压强度为 7 0 8 MP a 。 混凝土 受压本构关系采用韩林海等提出的适用于方钢管中 受约束混凝土的本构计算公式( 1 ) , 采用的圆柱体抗 5 0 0 l 8 o l 9 1 _ f 1 8 0 5 0 0幻 l l I l I 1 1 i 一 压强度 与实测立方体抗压强度换算系数采用欧洲混 凝 土协会标 准 0 8 3 3 。 混凝 土受拉应力 一 应 变关 系采用
7、规范 C 2 3推荐模 型。 2 2 3 0 ( 一1 ) + 1 1 ( 1 ) 庞树涛等: 方钢管混凝土柱梁穿筋式节点数值分析 5 3 式 中, 占 0 , =o - or 0 , 0= , 占 0= + 8 o 0 1 0 一 = ( 1 3 o 0+1 2 )X 1 0 - 6 , = f 、 0 0 L 6 + 1 5 x, 式中 。 和 分别为混凝土轴心抗压强度标准 值 、 圆柱体抗压强度; A 和 A 。 分别为钢管和混凝土的 横截面面积 为钢管屈服强度 ; 为约束效应系数。 混凝 土采 用 程 序提 供 的损 伤 塑性模 型 模 拟循 环 加载下的弹塑性行为, 受压、 拉损伤因
8、子 d 、 d 。 计算采 用 ( 2 ) 式 。 d :1一 ( 2 ) E e ( lr b e O - r e 0+ ) da 。: 1一 ( 2 b ) : l一一 I Z D) Ec( - E - +s ) 式中, 。 、 。 、 O r 分别为压应力、 拉应力、 峰值 压应力 、 峰值拉应力 ; 。 分别为压应变、 拉应变; n 、 1 7, 。 分别为混凝土受压、 受拉损伤指标系数; E 为混凝 土初始 弹性模量 。 ( 3 ) 有限元建模计算。钢管及钢梁均采用四边 形线性减缩 积分壳单元 ( S 4 R) , 9个截面点 S i mp s o n ( 辛普森) 算法, 钢筋应用
9、桁架杆单元( 1 3 D 2 ) , 混凝土 采用线性减缩积分实体单元( C 3 D S R ) 。应用“ E m b e d d e d ” ( 嵌入) 约束将钢筋嵌固于混凝土中, 构件焊接均 通过“ T i e ” ( 绑定 ) 约束实现, 忽略钢筋与混凝土问粘 结 滑移 。钢 管 与 核 心 混 凝 土 的 接 触 法 向行 为 采 用 “ 硬” 接触 , 切 向行为采用库伦摩擦模型, 摩擦系数 肛 取 0 5 5时 , 能取得较好计算效果。程序采用增量迭代 混合法, N e wR a p h s o n ( 牛顿) 迭代算法。 昌 E d t z = lf 7 l v v v v -
10、1 图2 t s 一 3 加载曲线 试验采用荷载 一位移联合控制的反对称循环荷 载, 由于数值分析的局 限性, 为尽可能模拟试验加载 制度 , 以试验屈服 位移 为依 据 , 采 用 图 2位移 加载 曲线。柱端放置 刚度较 大垫块 , 垫块 的加均 布面荷 载 实现了对柱施加轴 向压力 。 昌 翅 Jf 。 V V 0 】 V V 图3 P B c 加载曲线 图4 I s 一 3 节点破坏形态对比 2有 限元分析结果与试验对 比 ( 1 ) 应力及破坏形态分析。试件采用箱型钢 梁, 试验时发生节点剪切破坏, 例如 t s 一 3试件加载后 期梁端荷载及位移分别为9 0 2 7 k N、 5
11、0 3 9 m m时, 钢管 与混凝土分离并形成平均约 1 2 ra m的“ 鼓凸” , 两侧牛 腿的受拉翼缘将钢管撕裂, t s 一 4情况类似。现对比计 算与试验的破坏形态( 图 4 ) 可知 , 高应力 区域集 中于 现在节 点域 钢管 管壁 , 钢梁 应力 相对 较 小 , 表 明试件 节点核心区钢管塑性 变形较严重, 钢梁处于弹性状 态 , 试 验后期钢 管外 凸 1 5 2 0 m m左 右 , 有限元分析显 示 , 各节点钢管“ 鼓曲” 平均值为2 8 6 3 ra m。 ( 2 ) 骨架曲线分析。图 5为试验与数值分析得 到骨架 曲线对比, 曲线吻合较好 , 计算的荷载值和初
12、始刚度略高于试验值, 且弹性阶段节点刚度均较大表 明此类节点刚度特性较好。 1 3 U 1 00 50 。- 5 0 v ) 5 0 1 一 试 一FE - 2 0 0 mit t ( a )t s 一 3 1 0 O 5O t o 一 5 0 - 5 0 C 5 0 1 0 Q 一 试验 一 F E M : ram ( b )悖 一 4 图5 P _ 骨 架 曲线 对 比 采用图解法 确定骨架曲线的屈服点, 破坏荷载 定义为最大荷载的8 5 , 由于有限元模型计算结束曲 线未下降至极限荷载 8 5 所以取最后一环滞回曲线 计算试件的耗能能力, 各 阶段荷载及延性 、 耗能指标 列于表 2 。
13、由数 据 可知 , 试 验 及数 值分 析 的试件 耗 能 舳 如 O 加 0 O O O 0 O O O 7 5 3 5 4 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 8 期( 总第 1 9 4 期) 均较高 , 耗能比均大于 0 9 , t s 一 3 、 t s 一 4的屈服位移计 算值与试验值之 比分别为 1 0 8 、 1 1 9 , 屈服荷载比为 1 0 6 、 1 1 7 , 最大承载力之比为 1 1 3 、 1 1 6 , 延性系数之 比为 I 3 5 、 1 1 3 , 计算值与试验值的误差相对较小, 应 力及破坏形态与试验较吻合 , 表明分析模型具有较好 的精度和适用性。 表 1
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