复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能有限元分析.pdf

安徽建筑中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0071-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0240引言随着建筑市场的发展需要和人们对建筑要求的日益提高，传统的混凝土结构已经不能满足建筑业的需求。钢管混凝土柱正被广泛用于建筑结构中，特别是高层建筑的建设。其与相同尺寸的传统钢筋混凝土柱相比，混凝土三向受压使得柱体承载能力和耐火性更高，并且其复合使用材料性能也得到了提高。复式钢管混凝土柱因其较小的截面尺寸和纤细的外观而受到建筑师的青睐1，与普通钢管混凝土柱不同，复式钢管混凝柱放置了双层钢管，钢管之间填充混凝土。由于这种新型双钢管混凝土组合截面的作用，混凝土的约束作用较普通钢管混凝土得到了增强。此外，抗火性能强、施工简便等优点让越来越多的建筑开始采用复式钢管混凝柱。目前，许多国内外学者开展了关于钢管混凝土柱力学性能的试验和理论研究。张冬芳等2分析了外方内圆复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点核心区水平端板、锚固腹板、竖向肋板以及内外钢管的应力分布，探讨了此类组合节点的传力机制。褚云朋等3设计了T型加劲板和加腋两种加强型连接方式，对复式钢管混凝土梁柱节点外层钢板进行连接，利用有限元软件ANSYS对节点进行了单调加载和往复加载的抗震性能对比分析。张兆强等4分析了内、外钢管对内层混凝土的双重约束作用以及钢管因环向受拉导致纵向应力降低的影响，得出了圆实复式钢管混凝土柱轴压极限承载力的计算公式，并分析了中间主应力等因素对极限承载力的影响规律。徐亚丰等5研 究 了 研 究 复 式 钢 管 混 凝 土 柱（CFST）与钢梁连接节点的抗震性能，得出实心高强复式钢管混凝土柱与钢梁节点在双向加载作用下的抗震性能较平面节点试件的抗震性能要差。王颖等6对低周循环荷载作用下的复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的抗震性能进行了有限元模拟，研究表明将钢梁用钢管混凝土梁替换仍可在一定程度上提高节点的抗震性能。由于复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点试验的复杂性，开展相关力学性能试验较少，制约了复式钢管混凝土柱在实际工程中的使用。为了研究梁翼缘对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能的影响，利用有限元软件ABAQUS建立了4个有限元模型，为此类节点的应用及理论研究提供参考。1有限元模型的建立1.1有限元模型设计本文针对目前工程上常用的复式钢管混凝土柱与钢梁连接的加强环式节点，模型设计参考文献5，建立4组复式钢管混凝土柱与钢梁连接节点，通过ABAQUS有限元软件，分析翼缘宽厚比对节点抗震性能的影响。T型节点由复式钢管混凝土柱和钢梁组成，二者通过加强环合为一体。模型尺寸设计图如图1所示，核心层混凝土直径为90mm，内钢管壁厚8mm，内外钢管之间的混凝土厚度为60mm，外钢管壁厚10mm，柱高1500mm，模型截面尺寸如图1所示。图1节点尺寸截面本文参考 热轧 H 型钢和部分 T 型钢（GB/T 11263-2017）7选 择 采 用HM20015069 型钢，设计了 4 个节点模型，模型编号及梁翼缘参数如表 1所示。表1模型编号及梁翼缘参数编号CBJ-6CBJ-8CBJ-10CBJ-12b150150150150t681012b/t25.0018.7515.0012.501.2 材料本构关系1.2.1混凝土本构关系模型混凝土本构选择 C40，弹性模量为32.5GPa，泊松比为0.2。当结构体系和外界受力情况不同时，数值模拟需要选取相适应的材料本构关系，避免有限元结果失真。混凝土被认为是一种复杂的非均质材料，在使用ABAQUS进行有限元建模时，软件材料属性中给了三种混凝土本构关系：混凝土塑性损伤模型、混凝土弥散开裂模型、混凝土脆性破裂模型。本文根据文献8中钢管混凝土框架中混凝土本构关系，考虑了低周荷载作用下钢管混凝土内部的损伤。因此选用塑性损伤模型（CDP）以期能够更好复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能有限元分析鲍宇1，孙梦2（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥230031；2.安徽工业经济职业技术学院，安徽合肥230051）摘要：为研究梁翼缘宽厚比对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的抗震性能的影响，运用ABAQUS有限元软件建立了4个有限元模型，对节点模型梁端施加低周往复荷载作用。结果表明，提高梁翼缘宽厚比能够提高复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的变形能力，并且随着翼缘宽厚比的增大，极限承载力和屈服荷载逐级增大，延性系数变化不明显，以及在大位移工况下，梁翼缘宽厚比对节点耗能影响较大。关键词：复式钢管混凝土柱；H型钢梁；翼缘宽厚比；抗震作者简介：鲍宇（1994-），男，安徽合肥人，毕业于安徽建筑大学结构工程专业，硕士，助理工程师。专业方向：钢结构设计及其理论研究。通信作者：孙梦（1995-），女，山东潍坊人，毕业于大连理工大学结构工程专业，硕士，助理讲师。专业方向：绿色建筑与装配式建造研究。建筑结构研究与应用71安徽建筑模拟混凝土在荷载作用下的受力状态，CDP模型引入了损伤参数，能够刚好的反映出低周荷载作用下混凝土低周荷载作用下的刚度退化过程，CDP模型的各项参数如表2所示。表2CDP模型参数膨胀角30偏心率0.1fb0/fc01.16K0.6667粘性参数0.005复式钢管混凝土柱的内部混凝土轴心受压时，混凝土在钢管内部属于三向受压的受力状态，为了简化模型、节约计算成本，有限元模型选用文献9中提出的受压本构关系，关系表达式如下。y=2x-x2(x1)x0(x-1)+x(x1)（1）根据上述应力应变关系公式得到混凝土应力应变曲线，如图2所示。图2混凝土应力应变曲线有限元模型中混凝土的受拉本构采用文献10中给出的单轴受拉本构关系公式得到，关系表达式如下。y=1.2x-0.2x6(x1)x0.312p(x-1)1.7+x(x1)（2）1.2.2钢材本构关系有限元模型肋板、H型梁以及环板均 采 用 Q345 钢 材，内、外 钢 管 采 用Q420钢材。材料本构关系采用三折线模型，如图3所示。1.2.3网格划分有限元模型梁柱节点结构比较复杂，通过对各部件切割划分网格，单元类型选择线性缩减积分单元 C3D8R。为了减少计算成本，梁柱节点处网格划分较密，能够大大节约计算时间，模型网格划分如图4所示。1.2.4相互作用、约束及及加载制度为了模拟钢材之间的焊接，柱钢管、H型钢梁等金属部件之间的相互作用选择绑定约束（Tie）。钢管与混凝土之间的相互作用分为两个部分：一部分是接触面法向作用力定义为硬接触；另一部分是接触面的切向作用力采用罚，摩擦系数取0.6。通过对复式钢管柱的柱顶、柱底和H型钢梁的梁端设置参考点，将参考点与对应的截面设置运动耦合，对柱底的参考点设置X、Y、Z三个方向的约束，对柱顶设置 X、Y 方向的约束，Z 方向设置竖向轴力。梁端参考点Z方向设置低周往复位移荷载，模型加载和加载制度如图5、图6所示。2有限元分析结果2.1分析结果及应力云图图6为节点在不同翼缘宽厚比工况下，有限元模型破环时的应力云图。如图7所示，总体上来看，塑性区域主要集中于梁柱节点处，但 CBJ-6 和CBJ-8 模型的梁柱节点处产生了较大的塑性变形；CBJ-10和CBJ-12模型的塑性变形较小，塑性区域更长。因此，提高梁翼缘宽厚比能够提高复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的变形能力。2.2滞回曲线如图8所示，CBJ-6和CBJ-8模型的滞回曲线呈弓形，曲线中部存在明显的捏缩；CBJ-10和CBJ-12模型的滞回曲线呈梭形，滞回曲线饱满，表现出良好的耗能能力。因此，提高梁翼缘宽厚比能够提高复式钢管混凝土柱-H型钢梁图3钢材三折线模型图4模型网格划分图5模型加载示意图图6加载制度图7不同工况下应力云图图8不同工况下滞回曲线图9不同工况下骨架曲线（下转第91页）建筑结构研究与应用72安徽建筑就模型本身来说，并不能完全复刻重现，还具有很多局限性，对水动力模拟存在不足，例如没有地表下水体的水文、水质的分析模拟，研究区域的蒸发模拟等。缺乏耦合研究，例如地表径流和地下部分管网排水的数据交换。我国部分城市及乡村地区的下垫面数据、管网数据相对较难获取，当其中有部分数据缺失时，很难进行模型设置运行，影响实际问题的解决5。4.2 SWMM未来发展趋势当今的 SWMM 发展仍有很多不足，为今后的 SWMM 的发展以及研究提供了方向。丰富SWMM模拟功能。包括地表下的水质分析模块、泥沙沉积模块和生物过程模块、土地分析模块。地表与地下的耦合模拟。通过地表径流与地下管网之间的数据交换，耦合模拟水动力模型，用以计算出内涝的淹没深度。增加无完整数据地区的算法模拟。在SWMM中如何用不完善数据建立研究区域雨水管理综合模型。多种技术的的耦合实践。例如，利用遥感卫星获取研究区域的地表覆盖类型及其分布面积，把 SWMM 模型与GIS 技术相结合，实现对研究区域的的高精度、高效率的模拟分析。参考文献1王超.低影响开发在海绵城市建设中的意义分析J.居舍,2021(09):4-5+30.2任婕,田康宁.基于CiteSpace的中美雨洪管理研究进展比较J.绿色建筑,2021,13(01):43-47.3孙健.基于 SWMM 模型城市雨洪管理研究D.福州大学,2018.4何宁,冷如梦,吴力红,等.基于SWMM的城市片区雨洪模拟及 LID 效果评价J.宜春学院学报,2021,43(12):96-102.节点的耗能能力，充分发挥材料性能。2.3骨架曲线及延性对比如图 9所示，为不同翼缘宽厚比下节点模型的荷载-位移骨架曲线，由骨架曲线图可知，在加载初期，节点模型CBJ-6-CBJ-12 的骨架曲线的初始斜率相同；当位移加载至19.5mm时，各节点模型开始进入弹塑性阶段；随着位移不断增大，承载力也逐渐增大，但承载力增长速度逐渐放缓，当达到承载力峰值后，进入平台段。本文采用作图法、等效能量法、Park法取平均值来计算在不同翼缘宽厚比的工况下各节点模型的承载力及延性系数，如表3所示。极限承载力和屈服荷载随翼缘宽厚比的增大而增大，节点延性系数受翼缘宽厚比的变化影响较小。2.4耗能能力图10不同工况下累积耗能曲线图 10为不同梁翼缘宽厚比工况下节点模型的累积耗能曲线。加载初期，模型变形处于弹性阶段，耗能较小；加载至 40mm 时，CBJ-10 和 CBJ-12 模型的能量累积逐级增大，相较于CBJ-6和CBJ-8 模型的耗能能力差距较大。因此，不同梁翼缘宽厚比对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的耗能能力影响较大，且加载至大位移工况下耗能影响尤为明显。3结论本文建立了4个复式钢管混凝土柱与钢梁连接有限元模型，研究H型钢梁翼缘宽厚比对连接节点抗震性能的影响，研究结果如下。钢梁翼缘宽厚比对连接节点变形能力影响较大，提高梁翼缘宽厚比能够提高复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的变形能力。随翼缘宽厚比的增加，极限承载力和屈服荷载逐级增大，复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点延性系数受翼缘宽厚比的变化影响较小。不同梁翼缘宽厚比对复式钢管混凝土柱-H型钢梁节点的耗能能力影响较大，且加载至大位移工况下耗能影响尤为明显。参考文献1马玉辉.双钢管管幕结构的抗弯刚度与自重特征分析J.安徽建筑,2022,29(02):75-78.2张冬芳,赵均海,贺拴海,等.复式钢管混凝土柱-钢梁节点应力分布与传力机制研究J.建筑结构,2018,48(15):37-43.3褚云朋,贾彬,周俐俐.复式钢管混凝土梁柱节点抗震性能研究J.西南科技大学学报,2009,24(01):7-12.4张兆强,赵均海,姚勇.圆实复式钢管混凝土柱轴压承载力研究J.西南科技大学学报,2008(01):8-13.5徐亚丰,陈谦,朱绍杰.复式钢管混凝土柱-钢梁节点有限元研究J.沈阳建筑大学学报(自然科学版),2015,31(01):27-37.6王颖,毕灵云.新型复式钢管混凝土梁柱节点抗震性能研究J.建筑结构,2019,49(14):42-47.7GB/T 11263-2017,热轧H型钢和部分T钢S.8李威.圆钢管混凝土柱钢梁外环板式框架节点抗震性能研究D.清华大学,2011.9韩林海.钢管混凝土结构-理论和实践(第二版)M.北京:科学出版社,2007.10沈聚敏,王传志,江见鲸.钢筋混凝土有限元及板壳极限分析M.北京:清华大学出版社,1993.模型CBJ-6CBJ-8CBJ-10CBJ-12屈服状态Py/kN90.9116.2149.5177.0y/mm24.1028.5026.9427.79极限状态Pu/kN110.0142.4178.8212.6u/mm88.389.587.189.7延性系数u3.673.163.233.23表3不同工况下节点模型承载力及延性系数（上接第72页）水 电 暖通技术与应用91