新型钢管混凝土板柱节点弹性有限元受力分析.pdf

第4 期 2 O 0 8 年4 月 广东 土木与 建筑 GU ANGD0NG ARCHI T E C TU RE C I VI L E NGI NEE RI NG No 4 AP R 2 加8 新型钢管混凝土板柱节点弹性有限元受力分析 刘付钧 蔡健 ( 华南理工大学土木工程 系 广州 5 1 0 6 4 1 ) 摘要 ： 对 于节点区内柱钢管不连通式钢管混凝土柱一 平板节点这一新型节点型式 采用 A B AQ U S软件 对其轴压 和偏压性能进行 系统的分析 ， 研 究节点在 轴心 受压和偏 心受压情况下的应 力分布 。 探讨 不同构造方式对节点受力 性能的影响及节点的受力机理 ， 为其实际应 用提供参考。 关键词 ： 钢 管混凝土柱 ；板柱节点；受力机理 ；有限元 分析 1 引言 钢管混凝土柱一 平板结构既能发挥板柱结构在 使用功能上 的灵活性 又可利用钢管混凝土柱在承 重方面优异 的力学性能 故 日渐受到结构工程师的 青睐 ” 。目前国内外关于钢管混凝土柱一 平板节点的 研究不多 现有的板柱节点 的思路均是保持钢管混 凝土柱沿全高贯通成整体 楼盖平板只能从柱子侧 面与其连接 主要依靠加强环板或连续钢筋来 实现 弯矩传递 ， 而通过 牛腿 、 抗剪销等钢构件进行剪力传 递 ， 节点构造较复杂 且对结构灵活布置的适应性较 差 。对预应力平板结构而言 ， 还须在节点钢管上开 洞 ， 以保证一定数量的预应力筋正交穿过节点 2 3 进 一 步加 大 了施 工难 度 本文提出的节点区柱钢管不连通式钢管混凝土 柱一 平板节点 其思路是保持混凝土平板楼盖的连 续性 各层楼盖在板柱交接处 的板面和板底与钢管 混凝土柱连接 为了避免节点区由于钢管不连通而 受到削弱 在柱头附近局部加厚楼板形成柱托板 。 通 过托板 内的混凝土和环 向钢筋约束节点核心混凝 土， 使其承载力达到或超过相应的钢管混凝土柱。 鉴 于该节点型式为新的设计思路 其结构受力性能较 复杂 笔者在前期试验研究的基础上 ， 利用大型通用 有限元 软件 A B AQ U S对此新型节点在轴压和偏压 两种情况下 的受力性能进行有限元数值模拟分析 。 弥补了试验中无法获得 的节点内部应力分布规律 并对节点的受力机理进行 了详细分析 。 从而进一步 明确钢管混凝土板柱节点的力学性能 。 其分析结果 可为该类节点设计提供有益的参考 2分析 模型 介绍 我们确定 了 7个节点分析模 型( 如 图 1 ) ， 编号 分别为 A1 A 7 其主要变化参数有钢管在节点区构 造 、 下柱钢管是否深入节点内部 、 是否有钢筋 、 荷载 偏心率等。试件参数见表 1 。 ( a )试件平面 ( b )1 - 1 剖面( A 5 ) 图 1节点模 型示意图 表 1 模型 设计参数 注 )1 、 钢管截面 D t = 2 1 9 x 6 ( m m) ， 节点直径 5 7 9 m m； 2 、 试件 A 3 、 A 5 A 7的下柱钢管插入节点中 7 6 ram。 3节点 的有 限元模 拟及 结果 分析 3 1 模型的建立与求解 有限元模型中钢管柱和混凝土采用三维实体单 元( C 3 D8 R) ， 柱身与节点区的钢筋采用嵌入式桁架 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/ 2 0 0 8 年4 月 第4 期 广东 土 木与 建筑 A P lR 2 0 憾 N o A 对本文研究的新型板柱节点而言 由于柱钢管在 节点区内不连通 ，这种约束力就主要靠柱帽和间接 钢筋来提供。为了研究钢管与柱帽对节点核心区混 凝土约束的强弱关系 本文以模型 A1为基础进行 了两种情况的有限元分析。采用平面应变、 二维实体 单元 ， 套箍指标 0 = 1 8 3 ， 钢材弹性模量 E s ： 2 0 0 G P a ， 泊松 比 v = 0 3 ； C 2 5混凝土弹性模量 = 2 8 G P a ， 泊松 比 = 0 2 。 紧箍力 2 0 MP a ， 采用显示中心差分法分 析 ， 计算时问为 0 0 5 s ， 远大于结构 自振周期 ， 不计动 力影响 ， 计算简图如图 4所示。 ( a )钢管 ( b )柱帽 图 4 约束核心混凝土计算简图 B 点 ( 1 )钢管对核心混凝土的约束程度 钢管紧箍力与钢管径向变形值的比值为 ： A点： 0 = p d = 2 0 0 0 1 7 2 x 1 0 - 4 = 1 1 6 x 1 0 k N m 3 B点： 0 = p d = 2 0 0 0 1 6 8 x 1 0 - 4 = 1 1 9 x 1 0 k N m 3 ( 2 )柱帽对核心混凝土约束程度 核心区混凝土受到柱帽约束 柱 帽紧箍力与径 向变形值的比值为 ： A点： O = p d = 2 0 0 0 1 1 x 1 0 - 4 = 1 8 2 x 1 0 k N m B点： 0 = p d = 2 O O O S 8 x 1 0 -4 = 3 4 5 x 1 0 k N m 3 以上两种约束状况分析结果表 明， 柱帽径 向紧 箍力与相应径 向变形的比值 即径向刚度高于钢管 ( 本算例套箍指标 = 1 8 3 ， 而工程上应用的钢管混凝 土柱 其套箍指标 通常为 0 7 1 6之间， 说明此结 论适用于工程中应用的钢管混凝土 ) ， 说明了在弹性 阶段节点区柱帽对核心混凝土的约束程度是高于柱 身钢管 的。 在非弹性阶段 ， 柱身钢管发展塑性 ， 应力 在屈服面上流动。随着对核心混凝土约束 的增加 ， 钢管承担的竖 向荷载逐渐减小 ， 且对核心混凝土约 束刚度远小于其处于弹性 的情况 ， 而对于节点区来 说 核心混凝土外 围的混凝土发展非线性后， 荷载可 由问接钢筋和开裂混凝土外围的混凝土继续承担 ， 仍可对核心混凝土继续提供侧 向约束 ， 因此在合理 配筋 的前提下 节点区柱 帽对核心混凝土的约束程 度是高于柱身钢管的。 2 2 5结论 本文利用 A B A Q U S软件对节点区柱钢管不连 通式钢管混凝土柱一 平板节点进行了弹性有限元分 析 ，考察了节点区的应力分布情况以及不同的节点 构造形式对其受力的影响 ， 从 而得到以下结论 ： 5 1 在轴心受压工况下 节点区受力机理可理解为 钢管混凝土构件对节点区产生的整体局部承压作用 与钢管对节点区产生的局部冲切作用相叠加 钢管 的局部 冲切作用在节点区产生应力集中现象 对节 点的开裂荷载及开裂后刚度影响较大而节点的极 限承载力主要受整体局部承压作用控制 而在偏心 受压工况下 ， 节点区应力沿弯矩方向呈梯度变化 ， 受 力机理可理解为钢管混凝土构件对节点区产生的整 体偏心局部承压作用与钢管对节点区产生的偏心局 部冲切作用相叠加 5 2 在轴心受压工况下 节点核心区的应力分布可 以分为 3 个区域 I区为传递柱身核心混凝土轴向力 的主要区域 ， 处于高围压状态 。 在受力过程中基本不 会发生破坏 ：区在柱身混凝土及柱身钢管轴 向力 作用下均产生轴向压应力 ， 且上 、 下表面与钢管接触 面处存在应力集中现象 ， 是节点的薄弱部位 破坏型 式为受压破坏 ： 区主要受力特征为环向受拉 ， 最大 拉应力位于区域上、 下表面位置 ， 也是节点的薄弱部 位 ， 破 坏 型式为 受拉 破坏 。 5 - 3 设 置柱脚可以缓解 钢管与节点区接触 面处的 应力集中现象 ， 下柱柱脚伸人节点区内部可以有效降 低下部节点区应力 但两者对节点区其它部位应力影 响不大。 5 4对 于节点 区柱钢 管不 连通 式 钢管 混凝 土 柱一 平 板节点 ， 在合理配筋的前提下 ， 节点 区柱帽对核心混 凝土的约束程度是高于柱身钢管的 参考文献 1 蔡绍怀 钢管混凝土结构 D 中国建筑科学研究 院， 1 9 9 2 2 J G J T 9 2 9 3 无粘结预应力混凝土结构技术规程 s 维普资讯 http:/