局部钢管混凝土柱半刚性节点性能研究.pdf
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1、7 8 低温建筑技术 2 0 1 1 年第3期( 总第 1 5 3 期) 局部钢 管混凝土柱半刚性节 点性 能研究 姜延宏 , 张天德 , 胡彦飞 , 陈文 ( 1 杭州高新技术产业开发总公司, 杭州3 1 0 0 5 3 ; 2 浙江祥生房地产有限公司, 浙江绍兴3 1 0 0 0 2 ; 3 城市建设研究院福建分院。 福州3 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】 通过足尺试验和有限元模拟分析研究半刚性连接节点的弯矩和相对转角之间关系。通过试验得 到了描述这些试件弯矩和相对转角之间关系的数据、 试件的初始刚度及极限承载力。利用有限元软件 A N S Y S对 试验的二组半刚性节点试件进行了有限
2、元模拟分析, 考虑了材料和几何非线性。 【 关键词】 矩形钢管混凝土; 梁柱半刚性节点; 非线性有限元 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 7 8 0 3 钢管混凝土结构在国内外高层建筑中悄然兴起 , 成为高层建筑结构体系中的重要形式。随着组合结构 的不断发展, 方钢管混凝土柱以其稳定承载力高, 节点 构造简单、 连接方便、 抗弯性能好和不低于圆钢管混凝 土的耐火性能等优点而 13 益受到工程界的重视。但迄 今为止, 有关钢管混凝土节点工作性能的研究国内外 开展尚不多, 可供
3、选用的节点类型不多, 还没有专门的 设计计算方法, 在进行高层建筑受力分析时主要借用 钢结构的有关参数 , 这 自然是不合理的。与钢筋混凝 土结构相 比, 钢管混凝土结构具有优越的抗震性能, 为 了合理而安全地在地震区推广这类结构 , 对方钢管混 凝土结构抗震性能的研究就显得尤为重要。 1 节点模型试验 梁柱节点构造分为二种: 第一种为梁柱穿芯螺栓 N 呵 l | 5 , 浇 1, 、 一 r一 一 乙 叮 v v u N - , r n 一 1 n I : , 1 n , 巷 _ ,一” 一 加劲端板连接节点 B C J 。 1 , B C J - 2 , 先将钢梁用螺栓 连接在端板上 ,
4、再通过穿心高强螺栓连接于柱上; 第二 种是常规螺栓连接 ( B C J - 3 , B C J - 4 ) 节点, 钢梁翼缘与 柱用螺栓连接 , 腹板与竖向剪切板螺栓连接。B C J 3 和 B C J 4为 目前 常用 的 H型柱、 梁端外伸端板节点 ( B C J - 3在节点处设加劲肋, B C J -4未设加劲肋) 。 表 1 4个试件的试验尺寸t r i m 图1 初级数据 B C J 1 模型试件的钢管混凝土内部浇捣 C 4 0混凝 土, 设计配合比( 重量比) 为 : 水泥、 水、 砂、 碎石 =1 : 0 4 4 : 1 2 2 : 2 4 7 , B C J 2 模型试件的钢
5、管混凝土内部浇 1 , 一 , 1 ,- 17 耐, n 一 1 : J I , n 2 0 , - 一 ul , r N t T - W i t ! 捣 C 2 0混凝土, 设计配合比( 重量 比) 为: 水泥、 水、 砂、 碎石 =1 : 0 5 2 : 1 1 9 : 2 3 7 , 同时掺加一定量的微膨胀 剂。浇捣混凝土过程中注意振捣 , 保证混凝土的密实 姜延宏等: 局部钢管混凝土柱半刚性节点性能研究 7 9 性。浇捣钢管混凝土的同时制作混凝土标准试块, 数 量按混凝土材料检测标准进行 ; 养护条件保证与钢管 混凝土的养护条件的一致性。担2圆钢涂油穿孔, 混 凝土终凝后抽出, 形成螺
6、栓孔。 实验在 MT S多向动力加载系统上进行, 两只加载 器同步加载, 荷载图式为三角形波形, 循环荷载的第一 级荷载为 6 0 k N, 其余各级荷载峰值的级差均为 1 5 k N, 拟静力试验加载方案。 循环荷载作用下梁端的位移由位移传感器采集, 采集频率为 1 0 0次 s 。每级位移增量 MT S系统持荷 时间为3 ra i n , 然后进行应变数据采集约 2 m i n , 加载速 率为 l k N s 或 0 0 5 m m s 。实测的局部填充混凝土钢 管柱节点的力一梁端位移滞回曲线见图 1 。 2 有 限元模拟分析 对梁柱构件、 螺栓都用 S O L I D 4 5单元来建立
7、模 型, 其中的柱、 螺栓、 端板间存在大量的接触区, 采用覆 盖于 S O L I D 4 5实体单元表 面的三维 8结点的 C O N T A 1 7 4高阶四边形单元和三维 4结点 T A R G E 1 7 0目标 单元来定义接触对 , 对端板和柱间进行接触模拟 , 忽略 螺栓 与孔 壁 之 间 的 接触。高 强 螺 栓 预拉 力 采 用 P R E T S 1 7 9单元来施加预拉力。混凝土采用 S O L I D 6 5 单元( 八节点 3 D体单元) 。几何模型见图2 。 图2 B C J 一 1 构件A N S Y S 建立的几何模型 3 数 据整理与分析 整理试验及结果可得到
8、各组试件 的 一0 曲线 如图 3 所 示 。 Z 一 -BCJ 一1 _ -BCJ 一 2 图3 B C J 1 ,B c J 2 的j l f 一 曲线 进一步分析 比较了各个节点的 M一0 , 试验数据 和有限元模 拟数据 , 并 且利用试 验数据对 K i s h i 和 C h e n的幂函数模型进行了拟合 , 其幂函数形式为: M 1 0 一 F T R 1 M M “ ( ) ” “ 式中, R i 为连接初始刚度; 为连接的极限弯矩 承载力 ; n为曲线的形状参数。 +B C J - 2 实验数据 +B C J - 2 A N S Y S 效据 +拟合数据 图4 B C J 2
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