方钢管混凝土柱梁穿筋式节点数值分析.pdf

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 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， 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 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 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 - 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 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 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 。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 各阶段荷载及延性 、 耗能指标 3 工宇钢 梁穿筋节点滞回性能分析 试验及分析试件采用刚度较大 的箱型梁 ， 试件发 生了节点脆性剪切破坏 ， 不符合“ 强节点， 弱构件” 的 设计要求， 因此本节将工字钢梁与方钢管混凝土柱采 用上下翼缘外侧各配置 3 l 6钢筋穿透式连接并建立 分析模 型 P B C ， 同时对 P B C钢梁腹板削弱得到模型 P B CR B S ， 削弱方式为梁 腹板开孔 ， 孔径 为 9 0 m m， 开 孔中心至柱壁距 离为 1 2 0 m m； 将钢梁 腹板贯 穿钢 管得 到模型 P B WC， 以研究两类基于 P B C的构造改进后节 点的抗震性能变化， 并与外加强环式节点 S R C比较， S R C设计参照文献 9 中形式模型具体构造见图 1 ， 位 移加载幅值曲线如图3 所示。 图6给出各节点的梁端荷载 一位移滞回曲线， 如 图6所示 ， 梁端腹板削弱和将梁腹板贯穿均显著改善 了节 点的滞 回特性 ， 增强 节点耗 能 ， 与 P B C相 比 ， P B C R B S和 P B WC的滞回曲线更加饱满， 尤其是穿心腹 板节 点 ， 饱 满 度 接 近 于 S R C节 点 ， 呈 纺 锤 形 ， 无 明 显“ 捏 缩” 。 获取骨架曲线后确定屈服位移和屈服荷载， 计算 节点延 性 及 耗 能 指 标 列 于表 2中。 由表 可 得 ， P B C、 P B WC 、 S R C的屈服荷载和最大荷载值依次增大， 其中 P B C和 P B WC分别是外加强环板节点最大承载力的 8 5 2 、 9 0 ， 腹 板 削 弱 后 承 载 力 由 8 5 2 8 k N 降 为 7 8 1 2 k N， 降低 幅值 为 8 9 。尽管 P B WC和 S R C节点 的耗 能 能力 较好 ， 但延 性低 于 P B C节点 ， 而且 腹板 削 弱处理后显著 提高了节点的延性 ， 高达 7 2 3 。 4结 语 ( 1 ) 对文献 5 中t s 一 3 、 t s 一 4的非线性有限元 ： A mr ( a ) P B C 9 0 儒s o 俐 蛰 一 勋 ； 一 9 0 A mm ( b ) P B C R B S 0 lZU ( b ) P B WC 图6 各节点 P _ 滞回曲线 模型进行低周反复加载计算， 计算结果和试验结果较 吻合 ， 验证了有限元模型的精度及可靠性。 ( 2 ) 试验及数值分析均表明， 方钢管混凝 土穿 透式钢梁节点试件尽管发生脆性剪切破坏但仍具有 较 高的承载力及 抗震性 能 ， 延性 系数介于 3 3 4 4 9 1 之间 ， 耗能 比均 大于 0 9 。 ( 3 ) 穿筋工 字型钢梁与方 钢管混凝 土柱节 点 的 滞回性能分析表明： 贯穿钢梁腹板和削弱腹板均能显 著改善 P B C的滞回性能， 削弱后承载力略有降低但延 性提高明显， P B WC曲线更加饱满； 与 S R C相比， 穿筋 节点的承载力相差不大 ， P B WC的滞 回性能 接近它 ； 从 节点构造及性能分析， 构造更加简单， 传力 明确 ， 对柱 尺寸要求不高 ， 还可通过穿腹板改善滞 回特性， 比外 加强环式节点更节省钢 材 ， “ 性价 比” 更高 。 参 考文献 1 韩林海 ， 杨有福 现代钢 管混凝 土结构技术 M 第 2版 北 京： 中国建筑工业 出版 社 ， 2 0 0 7 2 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4 ， 矩形钢管混凝土结构技术规程 s 3 C E C S 2 8 ： 2 0 1 2 ， 钢管混凝土结构技术规程 s f 4 S c h n e i d e r S P ， A l o s t Y M E x p e r i m e n t a l b e h a v i o r o f c o n n e c t i o n s t o c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ，1 9 9 8 ， 4 5 ( 3 )： 3 2 1 3 5 2 5 刘士润 低周 反复荷载作用下穿透式钢管混 凝土节点 力学性 能研究 D 大连 ：大连理工大学 ， 2 0 1 1 6 1 G B 5 0 0 1 02 0 1 0， 混凝 土结 构设计 规范 s f 7 1 李威 圆钢 管混凝土柱一 钢粱外环板式框架节点抗 震性能研 究 D 北京 ： 清华大学， 2 0 1 1 C 一 冁 张睨等： 张拉式膜结构造型中的柔与刚 5 5 张拉式膜结构 造型 中的柔与刚 张睨 ， 曹炜 【 1 同济大学建筑设计研究院 ( 集 团) 有限公司 ， 上海2 0 0 0 9 2； 2 哈尔滨m, l l, 大学建筑设计研究 院。 哈尔滨1 5 0 0 9 0) 【 摘要】 从膜面的找形技术与边界处理， 对膜面的空间形态形成进行了细致剖析， 并总结出不同支撑形态 在建筑中的运用与表现效果， 论述张拉式膜结构中“ 柔” 与“ 刚” 的辩证关系， 并提供了这两种特质的表现手法， 为 建筑师进行张拉式膜结构设计奠定了理论依据。 【 关键词】 张拉式膜结构； 建筑造型； 柔刚 【 中图分类号】 T U 3 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 5 0 3 近年来 ， 张拉 式膜 结 构在 国内外得 到迅 速发 展 ， 其 自由轻盈的造型受到了建筑师们的一致青睐。 简 单的来说 ， 张拉式膜结构是由柔性的膜面材料以及刚 性的支撑构件协同作用组成的一种结构体系， “ 柔” 与 “ 刚” 的强烈对比使其具有较高的建筑表现力。然而 作为一种全新的结构形式， 张拉式膜结构的建筑表现 背后蕴含着很深的技术理论 ， 建筑师要想在创作过程 中有 所突破 ， 必须 首先对 张拉 式膜结 构 的技 术 内涵有 一 定 的了解 。 1 张拉式膜结构的技术 内涵 1 1 结构要 素 结构为了承受荷载和覆盖空间需具备三个要素 ： 拓扑、 外形与刚度。拓扑， 即指建筑在一定逻辑下所 具有的结构关系或构造关系， 与此同时， 在一定拓扑 关系下， 结构必须要满足其外形要求 以及连接要求 ， 不仅建筑功能如此 ， 结构受力也应该符合这样 的逻 辑。结构的拓扑和外形要素是结构的几何要素。结 构需承受荷载， 故其 自身也有一定的刚度要求 ， 但是 ， 并不是所有的几何体都具有刚度， 因此， 具有一定刚 度的几何形体才被称作是结构。 张拉式膜结构 同样 具有 拓 扑、 形 态 以及 刚度这 三 要素， 然而它与其他传统的结构形式的最大区别在于 使用的结构材料的刚度。梁柱、 拱、 桁架等这些传统 的建筑结构采用的是刚性材料 ， 结构可以直接从材料 中获取刚度。而张拉式膜 结构使用 的结构材料是膜 材 ， 膜材作为一种柔 性材料 ， 只能受拉 ， 不具有 受压 能 力， 必须通过施加预应力获取刚度， 来 围合成具有一 定拓扑关系的几何形态， 从而使其具有承受荷载的能 力。据此， 要想表现张拉式膜结构的技术特色， 必须 紧紧依膜材这一特性 ， 并将“ 柔” 发挥到极致 ， 来展现 其与传统的刚性结构不一样的风采。 1 2 力学特性 张拉式膜结构由于其受力状态 ， 需要满足一定的 几何要求 ， 即负高斯 曲面。在几何领域 中， 按照曲面 在两个 主曲率方 向上的 曲率乘 积 ， 可 以分 为正 高斯 曲 面、 负高斯曲面以及零高斯曲面。球面属于典型的正 高斯 曲面 ， 即曲面上 的每一点 的曲率半 径 的 向量积 为 整数； 而对于零高斯曲面， 曲面上每个点的曲率半径 的向量积是零 ， 柱面就是典型的零高斯曲面。负高斯 曲面上过每一点的两个主曲率半径的向量积为负数， 即曲率半径的符号相反， 如双曲面和锥面 ， 故此类曲 面也叫做互反曲面( a n t i c l a s t i e s u r f a c e ) 。 T T 图1 张拉式膜结构受力状态 如图 1 所示， 假设膜面上有一个极小点 A， 用两 条经过该点的互相垂直的两条索来维持平衡， 那么 ， 必然有一条索 向上弯 曲， 来承受 质点 A受 到 的向下 的 力， 也必然有一条索向下弯曲， 来承受质点 A向上的 力 ， 两根索互 为反 向 ， 受 力平 衡。 由此 类推 ， 要使 膜 面 上的每个点都保持平衡， 那么这个面必为负高斯 曲 0 0 0 000 0 00 o0 0 0 o0 00 0 厂 。 。 00 0o o0 O 0 oq oo 00 0o o 0 0o 00 00 0o 0O 00 0 o 00 0 0 00 0 0 o0 0 0 00 o 8 唐九如 钢筋混凝土框架节点抗震 M 南京： 东南大学出版 社 1 9 8 9 9 王文达， 韩林海， 游经团 方钢管混凝土柱 一 锕粱外加强环节 点滞 回性能 的实 验研 究 J 土木 工程 学报，2 0 o 6 。3 9 ( 9) ：】 7 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 2 1 作者简介 庞树涛( 1 9 8 8一) ， 男， 山东l临沂人 ， 硕士研究生 主要从事钢结构及钢管混凝土结构理论研究 。