方钢管混凝土柱-矩形钢管梁节点的三维有限元分析.pdf

谶 渡恭 石 油 化 工 设 计 P e t r o c h e m i c a l D e s i g n 2 0 1 3 ， 3 0 ( 4 ) 1～ 4 方钢管混凝土柱 一矩形钢管梁节点的 三维有限元分析 乔 景 ( 中国石化工程建设有限公 司， 北京 1 0 0 1 0 1 ) 摘要： 根据石油化工装置反再框架的特点， “ 两器” 承重范围内采用方钢管混凝土柱和矩形钢管梁、 支撑结构体系， 通过分析常用的外加强板节点和 内隔板两种方钢管混凝土梁柱节点并结合本工程的情 况， “ 两器” 设备支撑层的梁柱节点采用外加强板与内隔板相结合的新型节点形式。应用 A N S Y S软件对 该节点进行三维非线性有限元模拟， 通过在最不利荷载作用下的应力分析， 结果表明， 矩形钢管梁和支撑 与方钢管混凝土柱的连接节点具有较高的安全储备， 在工程中应用是安全的。 关键词：方钢管混凝土柱矩形钢管梁A N S Y S 有限元 节点分析 反再框架为某石化装 置中最 重要的构筑物 ， 支撑着反应器和再生器 ( 简称两器 ) 、 汽包和脱气 罐等一批 重要 的设 备 ， 是整 个装置 的核心 部分。 随着石化装置 的大 型化 ， 框架承担 的荷载也越来 越大， 且设备、 管道布置复杂， 结构布置、 构件的截 面尺寸受其它专业的诸多限制， 仅靠加大截面尺 寸 已经无法满足设计要求 ， 因此该项 目中采用一 种新型 的结构体系——钢管混凝土组合结构。 钢管混凝土是指在钢管 中填充混凝土而形成 的构件 ， 按截面形状 ， 可分 为圆、 方 、 矩形和多边形 钢管混凝土， 利用钢管和混凝土两种材料在受力 过程中的相互作用 ， 即钢管对其 核心混凝土 的约 束作用 ， 使混凝土处于复杂应力状态之下 ， 从而使 混凝土的强度得以提高， 塑性和韧性性能得到改 善 。同时 ， 由于混凝土的存在 ， 可以延缓或避免钢 管过早的发生局部屈曲， 从而保证其材料性能的 充分发挥。此外 ， 在钢管混凝土的施工过程 中， 钢 管还可以作为浇注其核心混凝土的模板， 省去支 模 ， 加快施工速度。总之 ， 钢管混凝土不仅可以弥 补两种材料各 自的缺点 ， 而且能够充分发挥两者 的优点 ] 。这也正是钢管混凝土结构的优势所 在。实际工程 中常用 的是 圆、 方和矩形钢管混凝 土 ， 方钢管混凝土的约束效应虽然不如 圆钢管混 凝土 ， 但其节点几何方形状规则 ， 便 于施 工； 因此 反再框架采用方钢管混凝 土柱与钢梁形成的框架 结构体系——方钢管混凝土组合结构。 1工程概况 1 ． 1 总体布置 反再框架纵向 1—8轴 ， 横 向 A—D轴。1—2 轴为汽包框架 ， 总高 4 5 ． 5 m； 3～ 4轴为再生器支 撑部 分 ， 再 生 器 总 重 3 2 0 0 t ， 设 备 支 座 位 于 E L 2 2 ． 0 0 0 ； 5～6轴 为反应 器支撑部分 ， 反 应器总 重 2 1 0 0 t ， 设备支座位于 E I A 0 ． 0 0 0 ； 脱气罐 A ／ B 、 待生斜管 、 第 二提升管 ， 总重约为 4 0 0 t ， 支撑于 4、 5轴之间； 框架最高点位于7— 8 轴楼梯间部分， 最 高点标高为 E L 8 4 ． 4 0 0 。 1 ． 2结构形式 基础 ： 采用梁板式筏板基础 ， 方钢管混凝土柱 采用埋人式柱脚。上部结构框架的主要 部分 ( 两 器支撑框架 ) 采用 方钢管混凝 土柱——矩形钢管 梁和垂直支撑体系， 其它部分采用 H型钢梁 、 柱、 支撑体系， 个 别受力 较大 的梁采用矩 形钢 管梁。 方钢管混凝土柱 的截面尺寸 ( 高 宽 腹板厚 收稿 日期 ： 2 0 1 3— 0 7一l 6 。 作者简介： 乔景， 女， 2 0 0 6年毕业于天津大学结构工 程专业， 硕士， 工程师， 主要从事结构设计工作， 已发 表论文 2篇。联 系电话： 0 1 0—8 4 8 7 8 7 7 2 ； E—m a i l ： q i a o j i n g ． s e i @s i n o p e c ． e o m 石 油 化 工 设 计 2 0 1 3 年第4期( 第 3 O 卷) 翼缘厚 ， mm) 为 1 0 0 01 0 0 0 4 5 4 5， 柱 内填充 C 5 0自密实微膨胀混凝土， 两器支撑层的框架梁 采用 1 8 0 0 8 0 0 4 5 4 5的矩形钢管梁。 1 ． 3 方钢管混凝土柱 一矩形钢管梁节点的选用 节点是结构 的关键 部位 ， 直接关 系到结 构的 安全性 、 耐久性。由于反再框架 的设 备荷载非常 大 ， 相应 的梁柱的截面尺寸巨大 ， 采用何种节点形 式连接成为本次设计 的难点之一。 目前 国内外对 方钢管混凝土柱与 H型钢梁连接的节点形式有广 泛的研究 ， 而与矩形钢管梁连接 的节点研究相对 较少 ， 应用也不 多。常用 的方钢管混凝土梁柱节 点形式主要有 两大类 ： 外加强板式节点 和内隔板 式节点。外加 强板式节点是在梁 的上 、 下翼 缘设 置加强板传递梁端弯矩， 同时在梁的上下加强板 间设置竖 向加劲肋 以传递剪力 ； 内隔板式节点是 在钢管混凝土柱内与梁翼缘对应 的位置焊接隔板 来传递梁端弯矩和剪力 的节点形式 ， 当柱截面较 小时内隔板 与柱壁焊接 困难 ， 混凝土浇注质量难 以保证 ， 因此 内隔板式 节点适用于柱截面尺寸大 于等于 1 m的情况 j 。由于本结构选用的柱截 面( h b ， mm) 是 1 0 0 01 0 0 0的截面 ， 如果选用外 加强板式节点 ， 则节点板尺寸很大 ， 不但不经济且 会影响设备管线 的布置 ； 若选用 内隔板式节点， 虽 然加工制作没有任 何困难 ， 但 由于设备 支撑层框 架梁的尺寸 ( h b ， mm) 为 1 8 0 0 X 8 0 0 ， 相对柱截面 来说梁 的截面尺寸偏大 ， 节点部分需要对柱适当 加强 。为了弥补前两种节点 的不足， 将此处节点 设计成 内隔板 与外 加强板 相结合 的新型 节点形 式 ， 如图 1所示 。由于这种新型 的节点没有现成 的计算公式和 已有 的使用经验可 以借鉴 ， 为此采 用非线性有 限元 软件 A N S Y S对节点进行三 维非 线性有限元分析 ， 研究节点的受力性能 ， 对节点的 可靠性进行复核验证。 一 ． i 一 A 一 图 1 方钢管混凝土柱——矩形钢管梁节点示意 2 AN S Y S有限元分析 2 ． 1几何模型 节点的几何模型选取再生器支撑层的角柱节 点按照实际尺寸全模型建模 ， 由于整个结构为框 架支撑结构体系 ， 支撑对节点的影响不可忽略 ， 所 以建模时将支撑建立在 内， 各构 件的截面尺寸和 材质 见表 1 ， 内隔板和外 加 强板 的厚 度均 为 4 5 m m。节点布置详见图 1 。在建模时， 为了划分网 格的需要 ， 将柱 内隔板 圆形 的浇筑孔按照等面积 的原则简化为方孔 ， 假定钢管壁与混凝土之 间完 全粘结 ， 忽略两者问的滑移影响。 表 1 节点杆件特性和杆端荷载编号截面材质 编号 截面 ( 高 宽 腹板厚 翼缘厚 ) ／ m m 材质 F ／ k N F y ／ k N F ／ k N K Z一1 T U B E 1 0 o Ol O 0 o 4 5 4 5 Q 3 4 5 G J Z 1 5 一8 1 O —7 3 1 5 一 2 0 o 0 K L一1 T U B E 1 8 0 0 8 0 0 4 5 4 5 Q 3 4 5 G J Z 1 5 一6 6 0 —1 6 5 —5 O K L一 2 T U B El 8 o 0 8 0 0 4 5 4 5 Q 3 4 5 G J Z 1 5 0 一l 6 7 0 一 2 4 o o C C—l T U B E 4 0 0 4 0 0 2 42 4 Q 3 4 5 B 7 7 7 — 6 7 0 0 C C一2 T U B E 4 o o4 0 0 2 4 2 4 Q 3 4 5 B 0 — 2 l 7 l 2 6 8 1 注： ， 为水平荷 载， ’ 为竖向荷 载。 2 ． 2 材料属性和本构关系 钢材的应力 一应变 关系可 以采 用三折 线模 型 ， 用多线性等向强化模 型 MI S O模拟 ， 屈服准则 为 V o n ． Mi s e s 准则 ， 屈服强度． 厂 v =3 2 5 MP a ， 极 限承 载力 =4 7 0 MP a ， 弹性模量 E ：2 ． 0 61 0 MP a ， 泊松比 = 0 ． 3 ， 应力 一应变曲线如图 2所示 ， 图中 各点的应力应变取值是 ： 8 = 0 ， 1 = 0； 8 = f ／ E ， 2= 厂 v ； 3=( f o— ) ／ ( 0 ． 1 E ) ， 3= f o ； 4= 0 ． 0 2， = f o 。 钢管内填混凝土的强度等级为 C 5 0， 极限抗压 强度 f o=3 2 ． 4 MP a ， 弹性 模 量 E =3 ． 4 51 0 MP a ， 泊松 比 = 0 ． 2 。混凝土是一种易碎材料 ， 在 拉压方向具有不同的性质 ， 在钢管混凝土 中， 混凝 土受到外包钢管的约束作用 ， 使得核 心混凝 土的 工作性能复杂化 ， 为模拟钢管 和混凝 土的相互作 2 0 1 3年第 4期( 第 3 0卷) 乔景． 方钢管混凝土柱 一矩形钢管梁节点的三维有限元分析 3 用 ， 本文采用多线性等向强化模型 MI S O模拟混凝 土 ， 应力一应变 曲线如 图 2( b ) 所示 ， 破 坏准则采 用 Wi l l i a m — Wa r n k e五参数准则 ， 计算 中关闭压碎 选项 。 4 ． 0 0 E+ 0 8 2 ． 0 0 E+ 0 8 0 Ss ( a ) 钢材 2 ． 3 单元的选择与网格划分 钢材选用 s o l i d 1 8 5 、 s o l i d 1 8 6单元模拟 ， 内填混 凝土选用 A N S Y S中专门模 拟混凝土 的 s o l i d 6 5单 元 ， 详见表 2 。 3 ． 0 0 E+ 0 7 2 ． 0 0E+ 0 7 l 。 0 0 E+ 0 7 0 ． 0 03 0 0 ．0 01 0．0 0 2 0 ． 0 0 3 0．0 O 4 最 ( b ) 混凝土 图 2 钢材和混凝土的应力 一应变曲线 表 2单元特性 材料 单元类 型 自由度 节点数 目 单元特性 节点核芯区 s o l i d l 8 6 U X， U Y， U Z 2 0 可塑性 ， 徐变 ， 大变形 ， 大应变 ， 二次方位移 钢材 非节点核芯 区 s o l i d l 8 5 U X， U Y， U Z 8 可 塑性 ， 徐变 ， 大变形 ， 大应变 混凝士 s o l i d 6 5 U X， U Y， U Z 8 可塑性 ， 蠕变 ， 膨胀 ， 应力钢化 ， 大变形 ， 大张力 内填混凝土采用 映射 网格 划分， 在节点核心 区加密网格 ， 如图 3 ( a ) 所示 ； 钢材部分除不规则 的节点板采用 自由网格划分外， 其余规则实体采 用映射网格划分 ， 自由网格 和映射 网格之问通过 金字塔形网格衔 接。在节点域及其 附近， 由于应 力梯度较大且是研究的重点 ， 网格适当加密 ， 在远 离节点域的部分则采用较稀疏 的网格 ， 钢材 的网 格划分如图 3 ( b ) 所示 。 ( a ) 混凝土 ( b ) 钢材 图 3混凝土和钢材 的网格划分 2 ． 4 边界条件的模拟与加载 有限元模型的边界条件为： 约束柱底部节点 的 x、 Y、 z三个方 向的平动 自由度 和绕 X轴 、 Y 轴、 z轴的三个转动 自由度 。根据整体模型的 S T A A D ． P R O计算结果 ， 正常操作 +z向地震 力为 最不利内力组合， 提取包含地震工况的各个杆件 的内力包络值 ( 表 1 ) 。施加荷载 时， 为真实模 拟 力 的边界条件 ， 避免加载点的应力集中， 在各个杆 端截面形心建立一个主节点， 用 MP C 1 8 4单元 ， 与 该截面内的其它节点相连建立 刚性梁单元 ， 从而 形成刚性面； 荷载施加到主节点上 ， 通过刚性梁传 递给其它节 点 ， 从而使整个截 面共 同受力 。加载 方式为单调缓慢加载 ， 打开 自动时间步长和线性 搜索 ， 以加快收敛速度 。 2 ． 5 A NS YS有限元结果分析 A N S Y S分析结果的 V o n ． Mi s e s 等效应力如图 4 ( a ) 所示 ， 在 A N S Y S通用后处理器 中读取最后一 个荷载步的结果 ， 应用 g e t 命令提取所有节点的 最大 V o n ． Mi s e s 等效应力和对应的节点， 结果显示 最大的等效应力为 3 2 2 ． 1 M P a ， 接近屈服荷载， 位 于 z向支撑与节点板连接处 ， 如 图 4( b ) 所示 ， 对 应图 1 中B— B 剖面的 B 点。建立通过图 1 的 B— B中 A、 B、 C三点的结果路径 s u p l 和通过 B、 D点 的结果路 径 s u p h ， 分别 画 出这 两个 结 果路 径 的 V o n ． Mi s e s 应力 图， 如图 5 ( a ) 和 ( b ) 所示 ， 从 图可 看出， 由于 B点处截面发生突变 ， 该点有明显的应 力集中， 离开 B点应力下降很快， 截面大部分区域 仍处于弹性 阶段。梁 、 柱连接节点的最大应力为 1 6 7 ． 0 MP a ， 位于 z向梁下翼缘 与节 点板连接处 ，