装配式中空夹层钢管混凝土构件节点有限元模拟研究.pdf
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1、第 51 卷 2023 年 第 2 期广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTUREVol.51 No.2,2023装配式中空夹层钢管混凝土构件节点有限元模拟研装配式中空夹层钢管混凝土构件节点有限元模拟研究究周书东1,麦镇东1,彭皓琨2,何春保2(1.东莞市建筑科学研究院有限公司,东莞 523710)(2.华南农业大学水利与土木工程学院,广州 510642)摘摘要要:为研究基坑内支撑应用中空夹层钢管混凝土构件下的节点连接方法,设计了一种新型的节点结构形式。本文利用有限元软件建立节点的力学模型,并对其施加实际工程所受荷载,最后进行数值分析,以探究在实际工程应用下节点构件以及各部件的承载能
2、力与变形幅度。结果表明:对节点施加中空夹层钢管混凝土构件极限承载力的情况下,变形最大位置为侧向钢板处,其变形数值达到容许值的 86%;应力最大位置为中部钢板处,达到钢材屈服应力的 90%,证明节点可以满足承载力的需求并晚于构件破坏。此种节点设计的研究成果可为中空夹层钢管混凝土构件在基坑内支撑中应用提供参考。关键词关键词:中空夹层钢管混凝土;节点设计;承载力;变形;有限元模拟中图分类号中图分类号:TU398文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1671-2439(2023)02-001-04作者简介作者简介:周书东(1979),男,硕士研究生,高级工程师,主要从事岩土地基工程技术研究,E-m
3、ail:。FiniteElementSimulationStudyofNodesofAssembledHollowSandwichSteelPipeandConcreteMembersZHOU Shu-dong1,MAI Zheng-dong1,PENG Hao-kun2,HE Chun-bao2(1.Dongguan Institute of Building Research Co.,Ltd,Dongguan 523710)(2.College of Water Conservancy and Civil Engineering,South ChinaAgricultural Univer
4、sity,Guangzhou 510642)Abstract:Anewnodalstructureformisdesignedtostudythenodalconnectionmethodundertheapplicationofhollowsandwichsteelpipeconcretemembersforsupportinthefoundationpit.Thispaperusesfiniteelementsoftwaretoestablishthemechanicalmodelofthenode,andappliestheactualengineeringloadtoit,andfin
5、allyconductsnumericalanalysistoinvestigatethebearingcapacityanddeformationmagnitudeofthenodemembersandcomponentsundertheactualengineeringapplication.Theresultsshowthatthemaximumdeformationisatthelateralsteelplate,whichreaches86%oftheallowablevalue,andthemaximumstressisatthemiddlesteelplate,whichreac
6、hes90%oftheyieldstressofsteel.Theresearchresultsof thisnodedesigncanprovidereferencefortheapplicationofhollowsandwichsteelpipeconcretemembersinthefoundationpitsupport.Keywords:hollow sandwich steel pipe concrete;node design;load capacity;deformation;finite element simulation0 引言引言中空夹层钢管混凝土本质是在内外钢管夹层
7、浇筑混凝土从而共同形成的一种构件1-3。与实心钢管混凝土相比,其具有抗弯刚度大、自重轻、施工简便等优点。国内外针对中空夹层钢管混凝土构件的节点研究较多,较为传统的做法是仅在外钢管端部布置一圈螺栓,使用刚性法兰连接4-5。陈哲等6对法兰节点进行了受弯性能的研究,说明钢管混凝土使用法兰节点可以达到较好的抗弯效果;Cao 等7针对传统法兰节点提出了计算螺栓拉力的具体承载公式;孙涛8通过试验结果表明,随着中空夹层钢管混凝土构件空心率增大,节点的承载力有所下降,吴顺成9讨论了多种不同的构造措施对圆套圆中空夹层钢管混凝土柱半刚性组合节点的影响。以上节点研究主要针对竖向受力柱节点,对于建筑基坑支护内支撑构件
8、的水平连接节点应用较为欠缺,内支撑目前主要为混凝土支撑或钢管内支撑形式10(图 1、图 2),混凝土支撑刚度大,控制变形能力强,但施工进度慢,造价高;钢管内支撑虽然相比混凝土支撑自重轻、施工快捷,但承载力较低。针对以上特点,为了便于中空夹层钢管混凝土构件在基坑内支撑支护中应用,需要解决节点连接问题。-1-1-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期图图 1 钢管内支撑图钢管内支撑图图图 2 混凝土内支撑图混凝土内支撑图由于目前针对中空夹层钢管混凝土的节点研究主要集中于法兰连接方面,此种连接方式仅仅满足一个方向上两个中空夹层钢管混凝土的连接,而已知的有关中空夹
9、层钢管混凝土柱梁节点无法满足与内支撑立柱交接处的连接要求。针对以上问题,本文设计了一种可满足三个不同方向均可连接中空夹层钢管混凝土构件的节点,可以满足装配式施工要求,并通过有限元对此节点进行模拟分析,为中空夹层钢管混凝土作为基坑支护内支撑构件的工程应用提供理论依据。1 有限元模型有限元模型本文采用有限元模拟的方法建立了中空夹层钢管混凝土节点构件。考虑了节点的材料本构关系、单元划分、接触方式和网格划分等方面对模拟的影响。1.1 材料模型材料模型节点模型所用材料均为钢材,主要为 Q355 和Q390 两种材料,具体参数如表 1。材料本构关系均采用二次流塑模型11,其表达式如式(1)。2112223
10、32310.61.6seeeyeeeyeeeeeEABCfff(1)式中,和分别表示钢材的弹性模量和屈服强度。0.8/eysfE,11.5ee,2110ee,31100ee,210.2/()yeeAf,12eBA,20.8()yeeCfAB表表 1 钢材参数表钢材参数表材料种类弹性模量泊松比屈服强度Q355206GPa0.25355MPaQ390206GPa0.25390MPa1.2节点设计节点设计该节点是由中空夹层钢管混凝土构件与钢节点螺栓连接而成,如图 3 所示,节点具体组成如下:中心钢管:节点中心为直径 540mm,壁厚10mm,高度 680mm 的 Q355 钢管;中部钢板:沿钢管高度
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