钢管混凝土柱-钢梁环板节点抗剪性能数值模拟.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u rna l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 28 No 3 S e p 2 0 1 1 钢管混凝 土柱一 钢 梁环板节点抗 剪性能数值模 拟 史艳莉， 谢 娜， 王文达， 张鹏鹏 ( 兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ) 摘要： 为了研究钢管混凝土柱一 钢梁环板节点的抗剪性能 ， 采用 A B A Q U S软件对节点进行了数值模拟。通过 对大量的典型算例进行数值模拟， 验证模型的合理性。在此基础上， 依据规范所规定的节点设计的一般原则， 建立钢管混凝土柱一 钢梁环板节点的有限元典型试件模型， 并对该模型进行单调加载下的全过程分析。依据所 得到的有限元数值模拟结果， 分析节点宏观的破坏形态以及微观的剪力一 剪切变形关系， 以此来明晰节点的受 剪机理 ， 从而为抗剪设计提供一定的依据。 关键词 ： 钢管混凝土； 环板节点； 数值模拟； 抗剪性能 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标 识码 ： A 文章 编号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 -0 1 8 3 -05 近年来 ， 随着钢管混凝土结构的发展 ， 其在工 程上的应用越来越多， 随之对其理 论的研究也越 来越多。目前 ， 国内外 的研究人员对节 点的抗震 性能进行了一定的实验研究 和理论研究 ， 但是对 节点的抗剪性能研究还不成熟 ， 有待于完善 ， 主要 还存在以下几个方面 的问题 ： ( 1 )由于钢管混凝 土节点 的抗剪机理比较复杂 ， 再加上存在加强环、 钢牛腿等构件 ， 使得节点受力更加复杂 ； ( 2 ) 以前 的节点分析大多数是将钢管和混凝土分开考虑 ， 没有充分考虑两者的协同作用 ； ( 3 )在梁端变形 分析中， 节点 的剪切变形是重要的组成部分 ， 而以 前的研究人员对节点 的剪切变形研究相对较少。 本文考虑这几个方面的问题 ， 对钢管混凝土柱一 钢 梁环板节点的抗剪受力进行 了数值模拟 ， 以此来 明晰节点 的受剪机理 ， 从而为以后的研究工作提 供一定的依据。 节点 抗剪的研 究概 述 目前 ， 国内外研究人员对钢管混凝 土梁柱节 点的抗剪性能进行了一定 的研究 。国内主要有 ： 周天华等对 内隔板式节 点进行 了理论 和有 限 元分析， 并给 出了节点受 剪承载力公式 ； 范晓燕 等 对高层钢 管混凝 土梁柱节 点进行 了理论分 析 ， 提出了节点 的抗剪承载力公式 ； 徐梦琴和许成 祥 探讨了影响节点抗剪承载力 的主要因素 ， 提 出了圆钢管混凝 土节点抗 剪承载力公 式， 并进行 了有 限元分析； 肖万松 等 对带 内隔板的矩形钢 管混凝土节点进行 了理论 和有 限元分析 ， 并推导 了节点的受剪承载力公式 ； 高春彦 等 对内隔板 式节点进行了分析计算 ， 推导 了其 受剪承载力 的 叠加公式 ； 聂建国和徐桂根 建立 了方钢 管混凝 土节点抗剪受力模型 ， 并进行 了有 限元分析 ， 结果 证明与实验曲线吻合 良好 。 国外主要有 ： C h e n g和 C h u n g 对 5个十字型 的钢管混凝土梁柱连接节点试件进行试验分析， 考虑了轴力对受剪性能 的影响 ； N i s h i y a m a等 对 影响节 点抗 剪 的 因素进 行 了分析 ； F u k u m o t o和 Mo r i t a 对节点进 行 了实验研 究 ， 提出 了基 于叠 加原理的抗剪承载力计算方法。 2 钢管混凝土梁柱节点受剪状态 在荷载作用下， 钢管混凝土柱一 钢梁节点与普 通混凝土框架节点 的受力情况是相似 的lL j ， 它不 仅要承受 由柱端方 向传来 的轴力 、 弯矩 、 剪力 ， 而 且要承受梁端方向传来 的弯矩及剪力 ， 由于梁承 受的轴力较小 ， 可以忽略不计 。方钢管混凝 土一 钢 梁节点的剪力 由混凝土和钢管壁共 同承担 ， 节点 在水平剪力作用下产生剪切变形 ， 其受力变形 如图 1 。 节点的剪切变形为 ： 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 7 2 7 作者简介 ：史艳莉 ( 1 9 7 7 ) ， 女 ， 河北涿州人 ， 副教授 ， 硕士 ， 研究方 向为钢与混凝土组合结构 ( E ma i l ： c e s h i y l 1 6 3 c o n 1 ) 基金项 目：甘肃省高等学 校基本科 研业务费( 0 9 0 4 Z T BI 4 7) ； 兰州理工大学科研发展基金 ( 2 0 1 0 0 2 ) 1 8 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 一 I I I ( a )受力示意图 4 ( b)节点域变形示意图 图 l 钢管混凝土节点受力变形示意图 ： ： ： V b + b 2 ( 1 ) 其中h 为节点域沿梁方向的高度， b 为节点域宽 度， 为节点域沿对角线方向的平均变形 ： = ( 2 ) 由节点静力平衡方程可得节点剪力为： ： ( 3 ) 其中， 柱端方向的弯矩为： M ： ( 4) = ( 4) 3 算例分析 3 1 模型的建立 基于 A B A Q U S建立本 文数值模 拟模型。钢 材选用弹塑性模 型， 混凝土选用塑性损伤模 型。 钢材应力一 应变关系采用二次塑流模型 ， 曲线分为 弹性、 弹塑性 、 塑性 、 强化 和二次塑流 五个 阶段 。 混凝土的应力 应变关系曲线采用韩林海 提出 的模型 ， 该模型考虑 了混凝土强度和约束效应系 数的影响。 混凝土及加载板采用三维 8节点单元 C 3 D 8 ， 钢管和钢梁采用 4节点壳单元 S 4 。在节点的抗 剪分析 中， 对柱底约束 1 、 2、 3方向的线位移 ， 对梁 端约束 1 、 2方 向的线 位移 ( 在梁 端加竖 向荷载 时) 或者是 2 、 3方 向线位移 ( 在柱顶加水平荷载 时) ， 柱端只约束平面外的 2方向线位移。 单元 的接触在 I n t e r a c t i o n功能模块 里定义。 钢管与混凝土采用面椅接触； 钢管和钢梁采用绑 定约束； 混凝土和加载板采用绑定约束； 加载板和 钢管采用壳体一 实体耦合约束。 环板处有转角 ， 会导致应力集 中， 在划分网格 时应将环板处切割成几部分 ， 使 网格更均匀。加 载分为两个步骤 ， 第一步先加柱顶的轴力 ， 第二步 在左右梁两端加竖 向反对称位移。 3 2 算例对 比 选取了杜培源 的方钢管混凝土 中柱节点 S J - 0 1 c试件进行算例 比较。加载方式为柱顶施加 恒定轴力， 再在梁端加竖向反对称荷载。计算结 果与试验结果比较如图 2所示 ， 可见 曲线吻合 良 好 。 至 藕 挺 释 柱 ：口f = 2 0 0 X8 mm 梁：H2 4 8 1 2 4 5 8 n = 2 3 5 N mm 。 ， f c = 2 0 N mm 彳 试 验 、 ，夕 一 计 算 粱端位移 ram ( a)梁端荷载 梁端位移 曲线 柱 ：口t = 2 0 0 X8 ram 梁 ：H2 4 8 1 2 4 5 8 n = 2 35 N mm f , ,= 2 0 N mm 试验 一 计算 r j x0 0 0 1 t a d ( b)剪力_ 剪切变形 曲线 图2 节点 S J - O I c的实验值与有限元值比较 选取了王文达等 。 的钢管混凝土 中柱节点 试件 C J - 2 1 、 C J - 2 2 、 S J 一 1 3 、 S J 一 3 3进行算例验证。加 载方式为在柱顶加恒定轴力 ， 再在柱顶加水平荷 载。计算结果与试验结果比较如图3所示， 可见 计算结果与试验曲线吻合 良好。 斗，叫_ 1 L 第 3期 史艳莉等 ： 钢管混凝土柱一 钢梁环板节点抗剪性能数值模拟 1 8 5 粱 ：HI 5 0 7 0 3 5 3 3 f y = 2 8 9 N mm 。 柱 ：DXr ： 1 4 0 X2 1 3 ram =27 2 3 N r a m f o = 6 0 N mm 一 C J 2 1 试验 。C J 一 2 1 计算 一C J 一 2 2 试验 。 。 。 。C J 一 2 2 算 A mm ( a)圆钢管混凝土梁柱节点 梁 ：H1 6 0 8 0 3 5 3 3 = 28 9 N mm 柱 ： f = 1 2 0 3 4 6 ram = 39 0 N mm u = 60 N mmz 、 1 S J 1 3 试验 。 S J 1 3 计算 一S J 3 3 试 验 。 S J 3 3 计算 ( b)方钢管混凝土梁柱节点 图 3 钢管混凝 土节点的 P 曲线 4 数值分析 4 。 1 典型试件选取 依据 钢 管 混凝 土结 构 技术 规程 ( D B 6 2 T 2 5 3 0 4 1 2 0 0 9 ) ， 并 参考工 程常 用参数 ， 设 计 了外加强环式节点。根据节点在受力下反弯点的 位置 ， 截取框架的中柱节点 ， 取钢梁的跨度为6 0 0 0 mm， 层高为3 0 0 0 mm。方钢管混凝土节点 和圆钢 管混凝土节点的基本信息如下 ： 钢梁尺寸为 H= 4 0 0 m lT l 2 0 0 m m 8T I L T 1 0 mm， 钢管尺寸为 D ( B)X t ： 4 0 0 F i l m1 0 m m， 环板宽度 1 0 0 m m， 材 料分别为 Q 3 4 5和 c 4 o 。 4 2 节点剪力一 剪切变形曲线 对于钢管混凝土节点的剪力 剪切变形曲线 ， 聂建 国和徐桂根 提出 了典型钢 管混凝土节点 剪力一 剪切变形曲线 ， 把节点的抗剪受力过程分为 协同工作 、 共同工作 、 屈服强化和极限变形 4个 阶 段 。 典型圆钢管混凝土节 点， 轴压 比为 12= 0 4 ， 轴压 比定义为 n=N o N ， 其 中 ， v 0为加在柱顶的 轴力 ， 为极限承载力 ， 含钢率为 O l = 0 1 ， 含钢 率定义为 a = A A ， 其 中 4 和 A 分别为钢管 和 核心混凝土面积 。典型方钢管混凝 土节点 ， 轴压 比为 n= 0 4， 含钢率 O L = 0 0 5 。 采用上述理论模 型进行数值模 拟 ， 在单调加 载下节点剪力一 剪切变形 曲线如 图 4所示 。根据 文献 6 提出的典型节点剪力一 剪切变形曲线 ， 将 该 曲线抗剪受力过程 分为 四个 阶段 ： O A段 为协 同工作阶段； A B段为共 同工作阶段 ； B C段为屈服 强化阶段 ； C D段为极限变形阶段 。 图 4 钢管混凝土节点 的剪力一 剪切变形 曲线 由计算结果知 ， 对于相 同尺寸和材料 的方钢 管混凝土和圆钢管混凝土节点 ， 在协 同工作 、 共 同 工作 和屈服强化 阶段 ， 圆钢管混凝土节点 的承载 力低于方钢管混凝土节点 ； 在极限变形阶段， 圆钢 管混凝土节点的最大受剪承载力稍高于方钢管混 凝土节点 ； 方钢管混凝土节点的剪切变形和圆钢 管混凝土节点接近 。 4 3 钢管混凝土节点的应力分布 为了分 析节点的应力 变化规律及 节点 的变 形 ， 以明晰微观的应力状态和宏观形态 ， 列出了节 点各部分的 M i s e s 应力 ， 如图 5图 8所示 。从图 l 。 S S (J ( a )圆钢管混凝土节点 S ( ( b)方钢管混凝 土节点 图 5 钢管混凝土节点的 变形 1 8 6。 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 5中可看出在柱顶恒定轴力及梁端竖 向反对称位 移下 ， 节点的宏观变形主要发生在钢梁上 ， 钢管混 凝土柱变形 不明显， 符合节点抗震设计 的“ 强柱 弱梁 ， 强节点” 的原则 。 图6为典型试件钢梁的应力分布图 ， 除钢梁 梁端 有局部应 力集 中区域外 ， 钢梁最 大应 力为 3 4 0 MP a 左右 ， 并且方钢管混凝土节点 的钢梁和 圆 钢管混凝土节点的钢梁应力相差不多。传力的过 程及机理为 ： 由梁端竖向位移产生的竖 向剪力通 过梁端先传到带环板处的梁， 再传到柱上， 由于接 近节点处的梁受到柱的约束 ， 不能 自由变形 ， 因此 在梁端和接近柱处的梁有较大的应力 ， 两梁 中间 的应力要小得多。 ( a )圆钢管混凝土节点 ( b)方钢管混凝土节点 S Mi s es S NE G ( f r a c t i o n = 一 1 O ) ( A v e Cr i t： 7 5 、 + 6 4 9 6 e + 0 S ， M i s e s S NE G ( f T a e t i o n = 一 1 O 1 ( A v e Cr i t： 7 5 、 + 6 ,49 9 8e + 0o； 爵 ： ； ： ： 3 ； ： 描 i 粥 嫠 譬黑 3； 一 +7 55 5e+00 图 6 钢梁 的应力分布 图7为典型试件钢管的应力分布 图， 钢管应 力总体较大 ， 但相较于钢梁的应力还是小一些 ， 除 钢管中部有一些应力集 中区域外 ， 钢管 的最大应 力在 3 4 0 MP a 左右 ， 并且方钢管 比圆钢管应力稍 大 。其传力过程及 机理为 ： 在梁端竖向反对称位 移下， 钢管直接承受由梁端传递过来的竖向剪力， 左侧受向上的竖向剪力 ， 右侧受向下 的竖向剪力。 由于节点中间有钢梁的约束以及柱底有 1 、 2 、 3方 向边界条件的约束， 阻止了柱 向左右及向下 的位 移 ， 使得钢管 中部偏下的应力最大。 图 8为典型试件混凝土的应力分布 图， 由于 混凝土拉压不等强的特点 ， 这里给 出轴向主应力 云图。从 图中可看 出除 了局部地 区有应 力集 中 外 ， 混凝土的应力在 中部偏下较大 ， 对于圆形混凝 土柱 ， 拉区最大应力为 1 5 MP a 左右 ， 压区最大应 力为 3 5 0 MP a左右。方形混凝土柱受拉区最大 应力为 1 0 MP a左右 ， 受 压 区最大 应力为 3 0 0 MP a 左右。其剪力 的传递及受剪机理为 ： 由竖 向 位移产生的竖 向剪力大都 由钢梁 和钢管承受 ， 真 正通过钢管和混凝的粘结力传到混凝土柱上的剪 力要小的多 ； 但 由梁端竖向剪力产生的节点域处 的弯矩 ， 使混凝 土柱还受 到了水平方 向的剪力 。 同钢管一样 ， 混凝土柱受到钢梁 和柱底边界条件 的约束 ， 使得最大应力发生在柱的中部偏下区域。 ( b)方 钢管 混 凝 土 节 点 图 8 混凝土的应力分布 通过分析知道在钢梁环板和柱中部偏下处应 力较大 ， 因此设计节点时 ， 在满足合理的经济条件 下， 可以适当加大钢管厚度和环板宽度来提高节 点的抗剪承载力 ， 如仍不满足抗剪承载力 ， 可再加 大混凝土的强度等级来提高抗剪承载力。 5 结 语 ( 1 )本文通过有限元软件 A B A Q U S模拟 了 钢管混凝土柱 钢梁节点 ， 对已有的一些实验进行 了模拟分析 ， 曲线吻合 良好 ， 以此来证明了模型的 合理性。 ( 2 )根据节点设计 的一般原则和实际工程 ， 对钢管混凝土节点进行了单调加载下的全过程分 析 ， 并对其进行 了抗剪受力分析， 得出了节点域的 第 3期 史艳莉等： 钢管混凝土柱 钢梁环板节点抗剪性能数值模拟 1 8 7 剪力 剪切变形曲线 ， 探讨了节点的宏观变形以及 微观的应力分布。计算结果证明本文曲线和文献 6 提出的典型节点剪力一 剪切变形曲线是相符合 的。 ( 3 )通过分析知节点在柱中部偏下处和环板 处应力较大 ， 建议在合理的经济条件下可通过加 大钢管厚度 、 环板宽度或者是混凝土的强度来 提 高钢管混凝土柱一 钢梁节点的抗剪承载力。 参考文献 周天华 ， 聂少锋，卢林枫 ， 等带内隔板的方钢管 混凝 土柱一 钢 梁节 点设 计研 究 J 建筑 结构 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 5 ) ： 2 3 3 0 。 范晓燕 ， 张重阳，蒋世林，等高层钢管 昆 凝土结 构梁柱节点抗剪承载力计算方法探讨 J 。工业建 筑， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 2 ) ： 7 6 - 7 9 徐梦琴 ， 许成祥钢管混凝土梁柱节点抗剪承载力 分析 J 长江大学学报， 2 0 0 7 ， 4 ( 4 ) ： 1 2 2 1 2 4 肖万松，周湘， 夏蕊芳，等矩形钢管混凝土节 点域受剪承载力计算 J 华 中科技大学学报( 城 市科学版) ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 2 ) ： 5 6 5 9 高春彦，刘之峰， 李斌矩形钢管混凝土 内隔板 式节点抗剪承载力研究 J 内蒙古科技大学学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 5 5 3 5 8 聂建国， 徐桂根方钢管混凝土柱节点的抗剪受力 分析 J 清华大学学报， 2 0 0 9， 4 9 ( 6 ) ： 7 8 2 - 7 8 6 7 C h e n g C T ，C h u n g L L S e i s m i c p e rf o r m a n c e o f s t e e l b e a ms t o c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn c o n n e c t i o n s f 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 2 0 03，5 9：4 05- 4 26 8 N i s h i y a ma I ， F u j i m o t o T ， F u k u m o t o T ， e t a 1 I n e l a s t i c f o r c e d e f o ml a t i o n r e s p o n s e o f j o i n t s h e a r p a n e l s i n b e a m c o hl mn mo me nt e o n ne c t i o n s t o c o n c r e t e fil l e d t u b e s J J o u r n a l o f S t ruc t u r a l E n g i n e e r i n g A S C E， 2 0 0 4，1 3 0( 2) ：2 4 4 - 2 5 2 9 F u k u m o t o T， M o r i t a K E l a s t o p l a s t i c b e h a v i o r o f p a n c l z o n e i n s t e e l b e a m t o c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e c o l u mn m o m e n t c o n n e c t i o n s j J o u rna l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g A S C E， 2 0 0 5 ，1 3 1 ( 1 2 ) ：1 8 4 1 1 8 5 3 1 0 聂建国 ， 秦凯方钢管混凝土柱节点抗剪受 力性 能的研究c J 建筑结构学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 4 ) ： 8 1 7 1 1 杜培 源方钢管 混凝 土柱一 工 字钢梁 节点性 能研 究 D 南京 ： 南京工业大学 ， 2 0 0 6 1 2 韩林海 ， 杨有福现代钢管混凝土结构技术 M 北京 ：中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 1 3 王文达 ， 韩林 海 ， 游经团方钢管混凝土柱一 钢梁外 加强环节点滞 回性 能的实验研究 J 土木 工程学 报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 9 ) ：1 7 - 2 5 1 4 D B 6 2 T 2 5 3 041 2 0 0 9 ，钢管混凝土结构技术规程 S Nu me r i c a l S i mul a t i o n O i l S he a r Be ha v i o r o f S t e e l Be a m t o CFS T Co l u mn Co n n e c t i o n s wi t h S t i ffe n i ng Ri ng S HI Y a h l i ，XI E Na，WANG We n d a，ZHANG Pe n g- pe n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ：S t e e l b e a m t o c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r( C F S T )c o l u mn c o n n e c t i o n s w i t h s t i f f e n i n g r i n g mo d e l s w e r e e s t a b l i s h e d b y A B A Q U S t o s t u d y o n s h e a r b e h a v i o r s I t i s s h o w n t h a t t h e m o d e l s a r e r e a s o n a b l e f r o m n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f s o me t y p i c a l e x pe r i me nt a l e x a mp l e s T wo t y p i c a l c o n n e c t i o ns o f s t e e l b e a m t o CF S T c o l u mn wi t h s t i f f e n i n g r i n g we r e d e s i g n e d b a s e d o n c u r r e nt d e s i g n s p e c i fic a t i o n， a n d t he wh o l e l o a d v e r s u s d i s p l a c e me n t c u r v e o f t h e c o n n e c t i o n s we r e a na l y z e d d e t a i l e d l y u n d e r mo n o t o n i c l o a d i n g Th e ma c r o s c o p i c f a i l u r e mo d e s a nd s h e a fin g f o r c e v e r s us s h e a r i n g d e f o r ma t i o n r e l a t i o n we r e c o mp a r e d， a n d mi c r o c o s mi c s h e a r i n g me c ha n i s m wa s a n a l y z e d ba s e d o n t he F EM r e s u l t s Th e r e s u l t s a r e r e f e r e n c e t o f u r t he r s h e a r de s i g n a p pr o a c h o f t h i s t y pe o f c o nn e c t i o n s Ke y w o r d s ：c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e( C F S T ) ；c o n n e c t i o n s w i t h s t i f f e n i n g ri n g ； n u me ri c a l s i m u l a t i o n ： s h e a r be h a r i o j 1 j 1 J J j 1j