柱截面改变时方钢管混凝土柱与H型钢梁节点性能研究.pdf
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1、浙江建筑 , 第 2 8卷 , 第 7期, 2 0 1 1年 7月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n , V o 1 2 8 ,N o 7 ,J u 1 2 0 1 1 柱截面 改变 时方钢 管混凝土柱与 H 型钢 梁节点性能研究 On J o i n t s o f Co n c r e t e - F i l l e d Sq u a r e S t e e l Tu b e a n d H- - Sh a p e d S t e e l B e a m Co n s id e r i n g Va r i a t i o n o f t h
2、e Tu b e S Cr o s s Se c t i o n 赵 滇生 。 , 应 志慧 , 沈诚 。 ZHAO Di an s he n g,Y I NG Zhi hu i ,S HEN Che n g ( 1 浙江 工业大 学建筑 工程学 院 , 浙江 杭州 3 1 0 0 3 2 ; 2 浙江杭州城建设计研究 院有 限公司 , 浙江 杭州 3 1 0 0 0 1 ) 摘 要 : 对 国家标准图集 中方钢管混凝土柱与 H型钢梁外环板刚接节点及由其衍生的 3种方 钢管混凝 土柱变 截面节点 , 建立 了同时考虑几何非线性和材料非线性 的有 限元模型 , 分析 了 4种形式节点在单调加载和
3、低周反复加 载时的受力性 能 , 并研究 了外 环板宽度对节点力学性能 的影响 。结果表 明: 4种形式节点在单调加载 时 , 受力性能 差别 不大 ; 各节 点模型滞 回曲线 比较饱满 , 具 有较好 的延性和耗能能力 , 没有 明显 的强度 和刚度退化 ; 随着 外环板 外伸 宽度的减 小, 节点 的弹性极 限承载力相 应降低 , 现有标 准 节点偏于保守 , 外环板外伸 宽度可减 小约 2 5 。 关键词 : A N S Y S ; 有限元 ; 外环板 ; 方钢管混凝土柱 ; H型钢梁 ; 变截面 中图分 类号 : T U 3 7 5 文献标识码 : A 文章编 号: 1 0 0 83
4、7 0 7 ( 2 0 1 1 ) 0 70 0 1 4 0 4 方 ( 矩 ) 形钢管混凝 土结 构具有 外形 美观 、 节点形 式简单 、 承载力高、 抗震性能好等特点, 与钢一 混凝土组 合楼盖体系相结合 , 在多高层建筑上得到推广应用, 势 头迅猛 。但在高层建筑中, 往往根据轴力 自上而下逐 渐增大的规律 , 柱截面也分段逐步变小 , 以有效地节省造 价。而柱截面的改变势必影响梁柱节点 的受力性能。 目前 国内外学者对方钢 管混凝 土柱节 点的受力性 能做 了大量 的理论 和实 验研究 , 但 对柱截 面改变 形式 及其对节点受力性能的影响研究甚少。方钢管混凝土 柱与 H型钢梁外环板
5、刚接节点施工简单, 传力明确 , 可 简化焊接工艺, 柱内混凝土易浇灌且不受钢管边长的 限制, 是 矩形钢管混凝土结构技术规程 ( C E C S 1 5 9 : 2 0 0 4 ) 推荐的节点形式之一。本文利用 A N S Y S通用 程序, 建立国家标准设计图集中的方钢管柱与 H型钢 梁外环板刚接标准节点有限元模型, 以及 由其衍生的3 种方钢管柱变截面节点模型, 分析它们在单调加载和 低周反复荷载作用下的受力性能, 并探讨了合理的环 板外伸宽度 , 以期为实际工程设计提供参考依据。 1 有 限元分 析模 型 1 1 试 件 选取 国家 标 准 设 计 图集 S G 5 1 9 对 方 钢
6、 管 柱 与 H 型钢 梁外 环板 刚接 节 点 有 明确要 求 , 见 图 1 。 收稿 日期 : 2 0 1 1 0 32 2 作者简介 : 赵滇生( 1 9 5 7 一 ) , 男 , 浙江义乌人 , 副教授 , 研究方 向为钢结构和空 间结构 。 图 1 国标图集外环板刚接标准节点 第 7期 赵滇生等: 柱截面改变时方钢管混凝土柱与 H型钢梁节点性能研究 l 5 ( i ) 外 环 板外 伸 宽 度 b 。 0 7 b , b 为 钢 梁 的 翼 缘 宽度 ; ( 2 ) 外 环板外 伸 宽度 b 与 外 环 板 板 厚 t 的 比值 , 根 据 不 同 地 震 烈 度 、 结 构 层
7、 数 均 有 相 应 要 求 。 本 文模 型 采 用 6度 区 、 1 2层 框 架 钢 结 构 节 点 , 控 制条 件 : 6 。 t 。 1 5 , 外环 板外 伸 宽 度 b 取 1 8 0 m m, 外环板板厚 t 取1 2 m m。梁长 和 柱高 均按 近 似反 弯点位置进行选取 , 柱上下各取1 5 0 0 m m, 梁长均取 口 4 0 04 0 01 2 J _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ l l H4 0 02 5 0 一 _0 II 1 5 0 0 4 O 1 5 0 0 a 1 J D 1 口 3 0 03 0 01 C 厂一 、 l | H 4
8、0 0 x 2 5 0 x 口 4 0 04 0 0 I 2 J , 。 一 1 5 0 0 m m, 见 图 2 。H型钢 梁截 面为H 4 0 0 m m 2 5 0 m m 8 m m 1 2 m m, 上 柱 截 面 为 口3 0 0 m m 3 0 0 m r r i 1 0 mm, 下柱截面为口4 0 0 m m4 0 0 m m1 2 m m, 模 型 J D 2与模型 J D 3柱变截面段斜率根据 国标 图集取 1 : 6, 其 中模型 J D 2下柱伸出环板1 0 0 m m。钢材均选 用 Q 2 3 5钢 , 屈 服强度 = 2 3 5 N m m , 弹性模 量 E= 2
9、 0 61 0 MP a , 泊松 比 =0 3 ; 混凝 土 强度 等 级 采 用 C 3 5 , 弹性模 量 E=2 0 01 0 MP a , 泊 松 比 = 0 2 图 2模型尺 寸 1 2 本 构 关 系的 选 用 1 2 1 钢材 的本 构关 系 节点 钢材可 以认为是 理想 的弹塑性材料 , 服从 V o n M i s e s 屈服 准则 , 单调加 载下 钢材 的应力一 应变关 系有双 折线模 型、 三折 线模型 。考 虑到实际工程中, 对节点的变形有着较高要求, 当钢材 经过屈服强化阶段, 其变形已经很大, 本文采用双折线 模 型加 以模拟 , 在 A N S Y S中采用
10、双线 性随动强化 准则 ( B K I N ) , 能反应 循环加 载的 B a u s c h i n g e r 效应 。 1 2 2 混凝土的本构模型在循环荷载作用下 , 混 凝土应力一 应变滞回关系 曲线基本上接 近于单调加 载时的应力一 应变曲线 , 所以可以采用单调加载时的 应力应变 曲线 。本文采用混凝 土在单调加 载下 的弹塑性模型 , 用多线性等向强化准则 ( MI S O) , 破 坏准 则采 用 Wi l l a m- Wa mk e 五参 数破 坏 准则 。 _ 口 3 0 03 0 01 J _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。一 _ 叶 2 。
11、 、 Il H 4 0 0 2 5 0 : 口 4 0 04 0 0l : _ _ _ s 。 8 1 1 l 0j ! 1 4 s o b 1 J D2 ,-4 - 口 3 0 03 0 01 ( f _ 。- _ 。 - - 。 一 、 I H4 0 02 5 0 口4 0 0 4 0 0 1 2 5 o 0 l ! l JI d 1 J D4 1 3 单元 的选择 与划 分 钢柱、 钢梁以及外环板均选用 S O L I D 9 2单元模 拟 , 柱 内混凝土 采用 S O L I D 6 5 单 元模 拟 。S O L I D 9 2有 二次方 位移 , 能 很好 划 分 不规 则 的
12、网格 , 能够 满 足梁 柱节 点 区复杂 构 造 的单元 划 分 ; 并 且 具 有可 塑 性 、 蠕 动 、 膨 胀 、 应 力 刚化 、 大 变形 和 大 张力 的 能力 。S O L I D 6 5单 元用 于 含钢 筋 或 不 含 钢筋 的三 维 实体 模 型 , 使实体模型具有拉裂与压碎的性能。对于钢管壁与 混凝土之间的粘结模拟 , 有研究者在钢管与混凝土单 元之间加入接触单元 , 结果表明考虑滑移性能对钢管 混凝土结构的整体受力性能影响不大 。因此 , 本文 假定钢管与混凝土之间完全粘结。考虑到节点构造的 复杂性 , 单元网格划分采用 自由网格划分。主要研究 的梁柱节点区域网格均
13、加密处理 , 单元划分见图 3 。 5 1 6 浙江建筑 2 0 1 1 年第 2 8卷 b 、 J D2 水 c J D3 d 1 J D4 图 3 模型 边界 条件及加载方式 1 4边界 条件 的模 拟 与加 载方 式 柱高近似按反弯点选取 , 根据力学计算简图, 柱 顶和柱脚设为铰接 , 因此模型 中的方钢管混凝 土柱 底部约束 , Y , 三 向线位移 , 柱顶部约束 , Y双向 线位移 , 模拟柱两端的铰接 ; 为防止加载点局部屈 曲 失 稳 , 在 梁端 部 加 载位 置 各增 设5 0 m m厚 的刚 性板 , 同时约束其侧向位移。轴压 比对外环板节点性能的 影响不 大, 故 在
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