钢管混凝土柱-钢梁半刚性节点的有限元分析.pdf

安徽建筑 2 0 1 1年第 2期( 总 1 7 7期 混凝土柱 一钢梁半刚性节点的有 元分查 匠 钢 Fi ni t e E lem en t An ol y si s of GFSST Col um n s an d St e el Beam s Sem i -R i gid Conn ec t i on s 完海鹰 ， 陈金林 ( 合 肥 工 业 大 学 土 木 工 程 学 院， 安 徽 合 肥 2 3 0 0 0 9 ) 摘要 ： 选择合适的材料本构关系和破坏准则， 采用有限元软件 A N S Y S 建立了钢管混凝土双腹板顶底角钢节点的空间有限元模型， 分析了其在 低周反复荷载下的受力性能。结果表明： 有限元分析结果和计算结果较为吻合， 节点表现出较好的延性和耗能能力。 关键词 ： 钢管混凝土； 半刚性节点； 有限元分析 中图分类号 ： T U 3 9 2 ． 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 7 — 7 3 5 9 ( 2 0 1 1 ) O 2 一 O 1 3 7 一 O 2 0 前言 方钢管混凝土结构由于其承载能力 高 、 抗震性能好等优点， 正 日益得到越来 越广泛的应 用。国内外学 者对不同连接 节 点进 行 了大量 的理论与试 验研究 ， 其 中半刚性节点与刚性节点相比具有施『 [ 方便的优点 ，开始逐渐成为一个新的研 究方向。宗周红等的试验研究发现半刚 性节点 具有较好 的受力性能 和延性 ， 但 该研究是建立在为数不多的缩尺模型试 验基础上，尚缺乏精确的有限元数值模 拟 ，特别是节点在循环加载下 的数值模 拟 ，以及提 出简化的节点设计计算理论 与方法等方面还有待进一步完善。 本文在方钢管混凝土柱 一钢梁双腹 板 、顶底角钢半刚性连接节点粱端作用 低周反复荷载的拟静力试 验研究的基础 上 ， 采用 大 型有限 元软 件 A N S Y S ． 选 择 合适的本构关 系 ，对钢管混凝土柱 一钢 梁半刚性连接 节点进行非线性有 限元分 析， 模拟在低周反复荷载作用下双腹板 、 顶底角钢节点 的受力性能。 1 有限元分析模型 本文研究 的钢管混凝土 双腹 板顶底 角钢半刚性节点及具体截面尺寸如图 1。 1 ． 1 钢材的本构关系 在有限元分析中，假定钢材为各向 同性材料 ，采用双线性 随动强化( B K I N ) 模型， 该模型适用于服从 V o n Mi s e s 屈服 准则 ，进入塑性强化阶段切线模量取为 初始 弹性 模量 0 ． O 1 倍 。其 中屈 服强 度 f y = 3 4 5 N ／ m m ，极限强度 f ． = 3 7 5 N ／ m m ， 泊 松 比 0 ． 2 8 3 ， 弹 性 模 量E = 2 ． 0 6 收稿 日期 ： 2 0 1 卜0 3 — 1 4 鞫 圈 l 20Q J ～ ： 一 E—E L l 0 0X 1 0 0X4 0 图 1 双腹板顶底角钢节点模 型及节 点详图 ( a) 全图 ( b) 节点 区域 详图 图 2 双 腹板 顶底角钢 节点的有 限元模型 1 0 N／ ram 。 1 ． 2模型的简化 钢管内的混凝土和钢管壁受荷下的粘结关系， 到目前为止， 大多数研究者在分析 钢管混凝土结构时都采用完全粘结这一假定，少数研究者在钢单元和混凝土单元之 间加 入滑 移单元或 间隙单元 。 结果表明 ， 考虑界面之间的粘结滑移性 能对钢管混凝土 结构的整体性能的影响微不足遭。本文采用“ 粘” ( G l u e ) 命令将管内混凝土与管壁粘接 在一起， 对于钢管内的混凝土和钢管壁受荷下的粘结关系仍然采用完全粘结的假定。 1 ． 3模型的建立和求解 钢梁和钢管采用块体 S o i l d 4 5单元模拟， 混凝土采用 s o l i d 6 5单元， 连接螺栓采用 S o l i d 4 5单元模 拟 ，采用 P R E S T 9 7单 元沿预 紧区施加螺栓 预拉力 。本 文选用 C O N T A1 7 4单元作为接触单元、 T A R G E 1 7 0作为 目标单元来定义钢管壁与混凝土、 角 钢与梁、 柱翼缘等的接触， 摩擦系数为 0 ． 3 。 模拟时不考虑钢板的几何缺陷和焊接残余 应力。 有限元模型的边界条件和加载方式尽量和实验相一致。双腹板顶底角钢节点的 有限元模型见图2 。 求解时， 首先在柱顶施加轴压荷载， 然后在梁端施加单调荷载或循 环荷载。求解时采用力、 位移双收敛准则， 应用全 N e w t o n —R ．d p h S o l l 法平衡迭代法进 行非线性求解， 求解器选用预置条件共轭梯度求解器， 打开自动时间步长控制及线性 搜索 。 结 构 设 计 与 研 究 应 用 匡 皇 筑 _ 2 0 1 1年第 2期( 总 1 7 7期 l 安徽建筑 ■●—一 一●一I ——— 结 构 设 计 与 研 究 应 用 ( a) 节点变形图 ( b) 节点应力图 图 3 不收敛时节点应 力与变形图 图 4 模型的刚度退化 曲线对比图 图 5 模型 的滞 回曲线对 比图 2 有 限元计算结果与试验结果对 比分析 2 ． 1结构 的整体变形及破 坏模式 由有 限元分析结果可知 ，模型在 3 8步时对 梁施加竖 向力荷载时不能收 敛 ， 即A N S Y S 认为此时结构已经破坏。 不收敛时试件的应力和变形图如图 3 ， 由图 3 可见， “ 破坏” 时节点最大位移在梁端 ， 其次在角钢， 最终角钢与钢管柱 壁剥离无法恢复标志着节点完全破坏， 破坏时大部分截面进入塑性阶段。顶 底角钢均产生较大塑性变形 ； 梁柱相对转角较大； 最大应力出现在节点顶底 角钢长肢上 ， 腹板角钢应力相对较小 。 2 - 2节点 的刚度退化 图4为模型的刚度退化曲线， 试件在产生较小位移时， 刚度退化并不明 显， 试件处于弹性阶段 ， 卸载后基本可以回复到原来的状态 ， 基本没有残余变 形 ， 随着载荷量的加大或在同一级力荷载重复的过程中， 试件变形加大， 且不 能完全恢复 ， 随着循环次数的增加 ， 将进一步加大变形 ， 从而造成节点强度和 刚度的退化， 这主要是由于随着荷载的加大， 试件逐渐进入塑性变形， 循环荷 载使得塑性变形累积而造成的。试件显示出刚度随着周期数的增加而下降， 并且刚度在每一个荷 载周期的第 三周期与第 四周期之间都会有较大的变化 。 2 ． 3节点耗能性能分析 模型的滞回曲线见图 5 ， 从模型的曲线中可以看到， 由于采用同样的加载 方式， 其滞回曲线形状极为相似， 均呈饱满的“ 梭形” ， 在试件起始位移阶段滞 回面积较小， 弯矩与转角曲线基本保持直线变化， 构件保持良好的弹性状态， 卸载后基本没有残余变形， 随着荷载的进一步加大 ， 滞回曲线显示出曲线形， 滞回曲线越来越饱满， 这表明构件具有 良好的延性 ， 构件出现残余变形， 卸载 后 不能 回到 原来 的位置 。在 同一位移荷载级循环制 ， 后两 次荷载级 的位移值 比第一次的位移值高 ， 表明对于双腹板、 顶底角钢半刚性节点， 都存在着刚度 退化； 在同一力荷载量级下， 滞回环包围的面积略有减少， 表明双腹板、 顶底 角钢半刚性节点耗能能力的退化 ， 该退化性质也反映了累积损伤的影响。由 图 4和图 5可 以看 出有限元计算结果和实验结 果比较相近 。 3 结论 本文在合理选择钢材和核心混凝土本构关系模型的基础上， 利用有限元 软件 A N S Y S对方钢管混凝土柱一双腹板顶底角钢节点的受力性能进行了非 线性分析 ， 可 以得 出以下结论 ： ①有限元计算结果和实验结果比较相近， 方钢管混凝土柱一双腹板顶底 角钢节点的滞回曲线呈饱满的“ 梭形， 构件具有较好的节点承载力和延性； ②最后破坏现象是角钢和钢管柱壁之间剥离 ， 角钢变形过大， 无法恢复， 应力过大， 所以在进行节点设计时加强角钢还是很重要的； ③方钢管混凝土柱一双腹板顶底角钢节点存在刚度退化现象。 ， 参考文献 [ 1 ]8 e u t d J , T h a mb i r a t n a m D，P e r e r a N ． C y c l ic b e h a v i o u r o f c o n c r e t e fi ll e d s t e e l t u b u l a r c o l u m n t o s t e e l b e a m c o n n e c t i o n s [ J ] ．E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 0 2 ． [ 2] 韩林海 -钢管混凝土结构一理论与实践 ( 第二版 ) [ M E 京： 科学出版社， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 钟善桐 ．钢管混凝土结构( 第三版) 【 M】 ． 北京 ： 清华大学 出版社， 2 0 0 2 ． [ 4] 宗周红，林 于东， 林杰． 矩形钢管混凝上柱与钢梁半刚性节 点的抗 震性能试验研究 f J 】 _建筑结构学报， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ． [ 5 ] S u s a n t h a K AS ， G e H B ， U s a mi T ．U n i a x i a l s t r e s s 2 s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f c o n c r e t e c o n f in e d b y v a ri o u s s h a p e d s t e e l t u b e s [ J ] ．E n g i n e e r i n g S t inc t u r e s ，2 0 0 1 ． [ 6 ] 宗周红， 葛继平， 杨跃强． 低周反复荷载作用下方钢管混凝土柱与钢梁连接节点非 线性有限元分析U 】 。 建筑结构学报，2 o o 6 ( 2 ) ． [ 7 ] 姜绍飞， 韩林海． 钢管混凝土中钢与混凝土粘结问题初探[ J 】 胎 尔滨建筑大学学报， 2 o o o ( 2 ) ． 差筑 _