方钢管混凝土柱穿芯螺栓端板节点性能的非线性有限元分析.pdf

第 3 9卷第 1 期 2 01 2年 1月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c h n i q ue De v e l o pme n t Vo 1 3 9。 No 1 J a n 2 0 1 2 方钢 管混凝土柱穿芯螺栓 端板 节点性能的 非线性有限元分 析 许剑徐伟 良陈佳弟 ( 浙江工业大学建筑工程学院， 杭 州3 1 0 0 3 2 ) 摘要 用 A N S Y S有限元程序对方钢管混凝土柱 一钢梁穿 芯螺栓端板半 刚性 节点 的非线性 性能进行 了理论 分析 ， 并 将 计算 结果与试验结果进行 了比较 ， 两者吻合较好 。通过对 6个 系列 共 1 3个方 钢管混凝土柱 一钢梁穿芯螺 栓端板连接试件的非线性有 限元分析 ， 重点探讨了连接 的各类组件对节点力学性 能的影响 。结果表 明 ： 端板 加劲肋和高强螺栓预应力对节点力学性能有较 明显 的影 响 ， 端板 厚度 和轴压 比对 节点力 学性能有一 定 的影 响 ， 螺栓直径及排列 间距对 节点力学性能的影响较小 。 关键词 方钢管混凝土柱 ； 穿 芯螺栓 端板 节点 ； 非线性分析 ； F一 曲线 中图分类号 T U 3 1 1 4 1 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 1 - 5 2 3 X( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 1 0 5 NoNLI NEAR FEM ANALYS I S OF THROUGH END PLATE BOLTED CoN NE CT I oNS F oR C oNC R E T E F L E D S QU AR E S TEEL TUBULAR CoLUM N S TEEL BEAM A b s t r a c t Ke y w o r d s Xu J i a n Xu We i - l i a n g C h e n J i a - d i To an a l y z e t h e n o n l i ne a r be h a v i o r s o f t h r o u g h e n d- pl a t e b o l t e d s e mi r i g i d c o n n e c t i o n s f o r c o nc r e t e fil l e d s q u a r e s t e e l t u b ul a r c o l u mn s t e e l b e a m t he o r e t i c a l l y by ANS YS fini t e e l e me n t p r o g r a m a n d t o c o mp a r e t he r e s u l t wi t h t e s t i n g r e s u l t ， w e fi n d t h e t w o r e s u l t s a r e i d e n t i c a 1 T h r o u g h a n a l y z i n g 6 s e r i e s o f t o t a l 1 3 t h r o u g h e n d p l a t e b o l t e d c o n n e c t i o n s a mpl e s b y fini t e e l e me n t a nd ma i n l y d i s c us s i n g t h e e f f e c t s o f s e v e r a l o f c o mpo n e n t s c o n ne c t e d t o me c h a ni c a l i n flue nc e o n me c c ha ni c a l p r o p e r t i e s o f t he n o d e Th e r e s u l t s h o w t ha t t h e s t i f f e n i ng p l a t e o f e n d p l a t e h a s g r e a t i nflu e n c e o n me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f t he no d e； Th e t hi c k ne s s o f t he e n dp l a t e a nd t h e a x i a l l o a d r a t i o s h a v e a c e rta i n i n flu e nc e o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e n o d e； t he bo l t di a me t e r a nd s pa c i n g a r r a ng e me n t h a v e l e s s i n flu e n c e o n me c h a n i c a l pr o pe r t i e s o f t h e no d e c o nc r e t e fil l e d s q u a r e s t e e l t u b ul a r c o l umn； t h r o u g h e n d p l a t e bo he d c o n ne c t i o n； n o nl i ne a r a n a l y s i s ； F- Ac ur v e 钢管混凝土结构是一种组合结构体 系， 它充分 发挥了钢管和混凝土两种材料各 自的优点 ， 具有承 载力高 、 塑性和韧性好 、 施工方便等优点 ， 被广泛 地应用于工业厂房 、 高层建筑 和桥梁等结构 。随 着我国经济的增长 ， 以钢管混凝土柱与钢 梁形成 的 收稿 日期 ： 2 0 1 11 0 1 5 作者简介 ： 许剑 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 安 徽绩 溪人 ， 浙 江工业 大学 硕士 研究 生 ， 研究方 向为钢结构及空间大跨度结构 。 通 讯作者 ： 徐伟 良( 1 9 5 2 - ) ， 男 ， 教授 ， 浙江工业大学硕士研究 生导师 ， 研究方 向为建筑结构非线性分析的理论与应用。 组 合框 架结 构体 系在 工程 实践 中逐渐 得到 应用与 发 展 ， 并取得了良好的经济效益和社会效益。钢管 混凝土柱 一梁连接的节点是设计的关键部位 ， 其力 学性 能直接 影 响着 整 体结 构 的强 度 、 刚 度 和稳 定 性 等设计指标值。传统的设计和分析都是将钢管混凝 土柱 一梁 节点考 虑 成 刚度 为 无 穷 大 的 刚性 节 点 ， 这 一 简化显然将节点的受力性能理想化了。它虽然能 够使计算更为简便 ， 但却不能真实地反映实际结构 的受力性能。本文采用 A N S Y S程序对穿芯螺栓端 板半刚性连接节点的工作机理进行了非线性有限元 分析 ， 并将计算结果 与文献 4 的试验结果进行 了 第 1 期 许剑 ， 等 ： 方钢管混凝土柱穿芯螺栓端板 节点性能的非线性有 限元分析 第 3 9卷 比较分析 ， 验证了采用有 限元分析方法来模拟试验 研 究 的 可行 性 。通 过对 6个 系列 共 1 3个方 钢 管 混 凝土柱 一 钢梁穿芯螺栓端板半刚性连接节点的有限 元理论分析 ， 重点探讨了各类组件的参数变化对节 点非线性力学性能的影响。 1 有 限元模 型 的建立 1 1试件 设计 在非线性有限元分析 中， 模拟试件的材料和尺 寸选用与文献 4 的试验试件相同， 即所有钢材均 采用 Q 2 3 5 B， 其 中 C 1与 C - 2试件梁截 面尺 寸为 H 3 0 0 mm x 1 5 0 m m x 6 5 mm x 9 m m， 方钢管柱的截 面尺寸为 2 5 0 m m x 2 5 0 m m x 8 m m， 端板 的尺寸为 5 0 0 m m x 2 0 0 m m2 0 m i ll ， 螺栓采 用 1 0 9级 M 2 4 的摩擦型高强螺栓， 方钢管内填充设计强度为 C 4 0 的混凝土， 两个节点试件按照轴压比 0 2 0 、 0 2 5施 加柱顶竖向荷载。钢材弹性模量为 2 0 61 0 MP a ， 泊松比为 0 3 ， 本构关 系选用适合于大多数金属材 料的多线性随动强化( K I N H) 模型 。节点构造详 图见 图 1 。 I 2 - 2 0 x 2 0 o 5 0 I T 、 1 ： 2巾，M2 4 J -I N3 0 01 5 0 l 2 口2 5 0 x 2 5 0 8 图 1 节 点构造详 图 1 2有限元分析模型 1 ) 主要研究穿 芯螺栓端板半 刚性连接节 点在 平面内的受力性能 ， 不考虑其平面外特性 ， 故可利用 结构的对称性 ， 仅建立二分之一模型。 2 ) 建模 时将 螺栓视 为一个 连续体 ， 螺 杆和 螺 母( 螺帽) 均近似按 圆柱体 处理 ， 考虑板件 问接 触 面为紧密贴合 。采用“ 粘( G l u e ) ” 命令将钢管内混 2 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 。 3 ) 混凝土采 用 Wi l l i a m Wa mk e五参数 破坏 准 则 ， 采用实体单元 S O L I D 6 5 。远离节点域部位的 钢梁 、 柱壁板采用实体单元 S O L I D 4 5， 节点域及附近 部分的钢梁、 柱 壁板采用高 阶实体单元 S O L I D 9 2 。 高强螺栓的预拉力由 P R E T S I 7 9单元实现。采用三 维 目标单元 T A R G E 1 7 0和与之对应 的三维接触单 元 C O N T A1 7 4构成接触对。 4 ) 本文分析的节点模型， 模拟 的是框架梁柱反 弯点间的十字形受力形式 ， 如图2 。 N P ， ，一 一 j - - - 一 一 ! z I 图 2 模型加载与变形示 意 5 ) 柱底施加固支约束 ， 结构对称面施加对称约 束 ， 两梁端断面节点约束竖向位移 U Z和侧 向位移 U Y。分析时先给螺栓施加预应力 ， 再加柱顶竖向荷 载 ， 最后施加柱顶水平荷载 P。荷载的施 加方式 为： 柱顶 的轴力 以面荷 载的形式施 加在 柱顶面 上； 柱顶水平力以位移形式施加 ， 即耦合柱顶面所有 节点在 z向的 自由度， 施加位移荷载于耦合面的主 节点 上 。 6 ) 按照上述的 a n s y s 有限元建模方法得到有限 元模型如图 3所示。 图 3 节点有 限元模型 2有限元模型的验证与计算结果分析 2 1 非线性有限元分析与实验数据的比较 按照上述建模对文献 4 所做 的轴压 比为 0 2 冒 茸 第 3 9卷 许剑 ， 等 ： 方钢管混凝土柱 穿芯螺栓端板节 点性 能的非线性有 限元 分析 第 1期 和 0 2 5的实验模 型进行三维非线性有 限元分析获 得的低周反复荷载作用下的柱端水平荷载 一位移骨 架曲线如图 4所示。 JZU 卢 曩 9 0。 3 00 ， 200 -90 -60 -30 0 30 6O 90 1： 。 柱 顶 位 移 ，触 图 4骨 架 曲线 试验得到的 P一曲线有 下降段 ， 而有 限元计 算 的曲线没有下降段。这是由于程序中提供的材料 模型大多数是基于经典材料力学理论 的均质材料模 型 ， 材料 的延 性较好 。 计算结果与试验结果 的比较见表 1 ， 两者 吻合 较好 。但 由表 1可以看 出， 有 限元计算值 的刚度 和 承载力比试验结果稍偏大 ， 这主要是与材料均匀性、 梁端反力装置存在的间隙、 模 型本构关系 的合理性 和边界条件的完全模拟 的准确性有关 。基本上可以 认为有限元计算较好的模拟 了不 同轴压比试件柱顶 水平荷载与位移的曲线 。 表 1 有 限元计 算结果与文献 4 的试验结果对 比 注 ： P 为 试 验 峰 值 荷 载 ， 为 与试 验 衙 载 对 应 的柱 顶 位 移 。 3 参 数 变化对 节点 力 学性 能的 影响 穿芯螺栓端板连接节点是一种组合节点， 柱顶 在水平荷载作用下节点 的承载力 由各组件 的工作性 能决定 。以试验 C 1 试件 为研究对象 ， 采用单 向加 载形式重点探讨了端板有无加劲肋、 柱轴压比、 端板 厚度 、 穿芯螺栓直径 、 螺栓间距及高强螺栓预应力等 参数变化对节点性能的影响。 3 1 有 、 无加 劲肋 系列 试件 在节点部位其他参数不变 的情况下， 将穿芯螺 栓端板连接节点分为： 有端板加劲肋 ( S D 1 ) 和无端 板加劲肋 ( S D 2 ) 两种情况。在柱顶位移达到最大值 时 ， S D 2的极 限承载能力较 S D 1下 降了 7 8 。说 明端板加劲肋 的设置可 以增强端板刚度 ， 因此较 明 显地提高了节点的承载力( 图 5 ) 。以下 的分析中以 S D1 试件为基础 ， 简称 b a s e试件 ， 通过改变节点部 位的主要构成参数 ， 计算并分析单 向加载作用下各 构件参数对节点力学性能的影响。 0 3 O 6 0 9 O 1 2 0 1 5 0 柱顶位移4 r a m 图 5 S D系列试件的单 向加载 P 以 曲线 0 3 0 6 O 9 0 1 2 0 1 5 0 柱顶位移A n u n 图 6 DD T系 列 试 件 的 单 向加 载 P 曲线 3 2柱轴 压 比 变化 系列试件 在节点部位其他参数不变 的情况下 ， 将柱轴压 比设 为 ： 0 2 0 ( b a s e ) 、 0 2 5 ( D D T 1 ) 、 0 6 ( D D T 2 ) 三 种 情况 。由图 6可看 出， 轴压 比对柱节点弹性阶段 的 刚度几乎无影响。这是因为 ， 随着轴压比的增加 ， 核 心混凝土的受压面积不断增大 ， 从而使截面的抗弯 刚度有 所提 高。当曲线 进入 强化 阶段稍有差 别。 D D T 1的承载力 较 b a s e试件 提 高 了 1 6 ； D D T 2的 承载力较 b a s e 试件下 降了 8 4 ， 说明轴压 比较小 时 ， 轴压 比的提高会使屈服荷载有一定程度的提高 ； 但轴压比较大时 ， 屈服荷载随轴压 比的增加而减少。 3 3 端板厚度 变化 系列试件 在节点部位其他参数不变 的情况下 ， 将端板厚 度分 为： 1 6 m m( D WT 1 ) ， 2 0 mm( B A S E) ， 2 2 mm ( D WT 2 ) 和 2 4 m m( D WT 3 )四种 情况。 由图 7知 D WT 1的承载力较 b a s e 试件下降了6 4 ， D WT 2和 3 加 0 若 耀 加 0 器 第 1 期 许 剑 ， 等： 方钢管混凝土柱 穿芯螺栓端板 节点性 能的非线性有限元分析 第 3 9卷 D WT 3承载力较 b a s e 试件提高了 2 4 和 3 7 。 随着 端 板厚 度 的增 加 ， 节 点试 件 的 承载 力 呈增 大趋势 ， 但提高幅度很小。说明端板厚度对于节点 力学性能的影响分为两种情况 ： 1 ) 当端板厚度不满 足承载力的要求时， 节点会 因端板的抗剪能力不足 而使端板过早被拉离 柱钢管 ， 此时增大端板的厚度 能较显著地提高节点 的承载力 ； 2 ) 当端板厚度满足 承载力的要求时， 增大端板厚度对于节点承载力的 提 高影 响不大 。 U jU 6 0 9 0 l 2U l ， U 柱顶位移Amm 图 7 D WT系列试件的单 向加载 P 一 曲线 3 4 穿心 螺栓 直径 变化 系列试件 在节点部位其他参数不变 的情况下 ， 将高强螺 栓 直径 分为 ： 2 0 m m( D B 1 ) ， 2 2 mm( D B 2 ) 和 2 4 m m ( B A S E) 三种情况。由图 8分析可得 ， D B 1的承载 力较 b a s e试件下降了 1 9 ， D B 2的承载力较 b a s e 下降了 1 4 。说明在保证高强螺栓具有足够强度 而不先破坏的情况下 ， 增加高强螺栓直径对于节点 承载 力提 高并不 明显 。 U jU 6 O 则 l Z U l 5 0 柱顶位移d m m 图 8 D B系列试件的单 向加载 P - 曲线 3 5螺栓 间距 变化 系列试 件 在节点部位其他参数不变的情况下， 将高强螺 栓孔 中心到端板短边的距离 g 分为： 5 0 m m( B A S E) 和 5 5 m m( D S 1 ) 两种情况。由图 9分析可得 ， 当高 强螺栓孔中心到端板短边的距离增大 1 0 时， 节点 的承载力增大了 3 8 。说 明高强螺栓孔 中心到端 4 板 短边 的距离 g 对 节 点力 学 性 能有 一定 的影 响 ， 但 影 响不 大 。 0 3 0 6 O 9 O 1 2 0 1 5 0 柱顼位移 A m m 图 9 D S系列 试 件 的单 向加 载 P_ 曲线 3 6 高强螺栓预 应 力变化 系列试件 在节点部位其他参数不变 的情况下 ， 将高强螺 栓预 应 力 设 为 设 计 预 应 力 的 7 0 ( Y L 1 ) 、 8 0 ( Y L 2 ) 和 9 0 ( Y L 3 ) ， 并 与预应 力 为设 计 预应力 ( B A S E ) 比较。由有 限元计算结果及 图 1 0可 以得 到 ， 穿芯高强螺栓的预拉力越大， 端板与柱壁之间的 挤压应力和摩擦应力亦越大， 端板与柱壁之间的滑移 越小 ， 螺栓预拉力越大 ， 则节点域混凝土受到的约束 作用越强， 从而使节点的刚度增大， 但是这种增强作 用主要反映在初始阶段。虽然螺栓的初始预拉力降 低了 3 0 ， 端板与柱壁之间并未发生整体剪切滑移。 O 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 柱顶位移 A m m 图 1 0 Y L系列试件 的单 向加 载 P 曲线 4 结论 A N S Y S的计算结果和文献 4 的试验结果吻合 较好 ， 说明有限元分析方法可 以用于穿芯螺栓端板 连接在柱顶单向荷载作用下 的力学性能分析 。采用 有限元程序系统地分析了端板有无加劲肋、 柱轴压 比、 端板厚度、 穿芯螺栓直径 、 螺栓间距、 高强螺栓预 应力等参数变化对节点力学性能的影响。有限元计 算结果表明： ( 下 转 第 8页 ) 如 加 如 0 盂獬瞎 如 如 如 0 辖 卯 加 如 0 五 籁禧 如 如 0 毛 ，l采 挺 第 1 期 马爱民， 等 ： 不 同矢高鞍 形索 网受力性 能分析 第 3 9卷 对于 1 5 k N m 荷载 ， 采用 2 2的钢索 ， 预应力 ，= 0 2 1 X 1 3 5 0 MP a 。可以看到 2 2钢索 的最大拉 应 力 4 7 7 4 MP a 一6破 断拉 应力 为 4 6 4 4 MP a ， 而 竖 向刚度 较好 。 表 1 2面 荷为 2 k N m 时内力计算 在 2 k N m 荷 载下 ， 采用 2 8的钢索 ， 预应力 ，= 0 1 91 3 5 0 MP a 。 对于矢高为 2 5 i n时 ， 矢跨 比( 1 ： 1 2 ) 较大。各 种荷载下 ， 索的选取是根据最大拉应力 o r 破 短 拉 力： 4 6 0 4 M P a 。而结构 的挠度与临界值相差较远。说 明矢高为 2 5 m的这种索 网结构 的刚度较好 ， 其结 构 的强度起 控制作 用 。 3 结 论 1 ) 增大索的预应力 ， 结构的竖向位移基本没有变 化。说明只增大索的预应力不但不会增加结构 的刚 度 ， 反而会加大索的内力， 并且造成支座反力的增加。 2 ) 索的预拉力 的变化对于结构 的内力和支座 反力影响很大。 3 ) 索结构的截面面积对于刚度具有 较大 的影 响， 而预应力值在保证上部结构稳定索拉力不退 出 工作的前提下对于结构的刚度影响不大。 4 ) 当稳定索有一部分为零退 出工作 时， 结构 的 刚度会突然降低。因此只要保证在受荷下结构的稳 定索不退出工作 ， 结构的刚度是一定 的。 5 ) 对于矢高为 1 5 m时 ， 矢跨 比为 1 ： 2 0， 索 的 拉力往往小于 ( 1 3 ) F 破 断 拉 力， 说 明索 的强度没有充 分利用。而决定索的截面的增加是因为结构的刚度 不够 ， 因此说矢高为 1 5 m时， 结构的刚度起控制作 用 。 6 ) 矢高为 2 0 m的索网结构刚度适中， 一般 当 索的拉应力 一6 破 断 拉 应 力= 4 6 4 4 MP a时， 索 的挠度也 临近极限值。说明其刚度和强度同时起控制作用。 7 ) 矢高为 2 5 m的索 网结构刚度较好 ， 是 以索 的最拉应力来选择截面。而此时 ， 索 的挠度远离极 限值。因此其强度起控制作用 。 参考文献 1 沈世钊 徐崇宝 赵臣 悬索结 构设计 北京 ： 中国建筑 工业 出版 社 1 9 9 7 2 林 同炎 拱是结构也是建筑 土木工程学报 ， 1 9 9 7 ， ( 3 ) 3 刘锡 良 预应力结构的应用 第九届全 国结 构工程学术会议论 文 集第 1 1卷 北京 ： 清华大学 出版社 2 0 0 0 ( 上 接 第 4页 ) 1 ) 通过在端板上下方设置加劲肋， 可以极大地 减少端板 的弯 曲变 形 ， 较 明显地 改善节 点 的力学 性 能 。 2 ) 在低轴压 比下 ， 增加柱子轴力对提高柱子抗 弯刚度贡献 比较大 ； 当轴压比大到一定数值 ( 高轴压 比) 时 ， 柱轴力对提高柱抗弯承载力贡献相对较小。 3 ) 当端板厚度满足承载力的要 求时， 增 大端板 厚度对 于节点承载力影响不大， 因此 可以减小端板 的厚度 ， 这样既满足承载力要求又达到经济效果 。 4 ) 螺栓直径及螺栓孔中心到端板短边的距离对 提高节点的承载能力影响不大。 5 ) 高强螺栓预应力的大小对节点的承载力有很 大影响， 预应力过大， 会使接触面之间的局部应力过 大， 过早屈服产生滑移 ； 另一方面预应力过小 ， 会降 低节点的刚度 ， 也会因此降低节点的承载能力。 参考文献 1 F r a n c e J E， D a v i s o n J B ， K i r b y P A M o m e n t - c a p a c i t y a n d r o t a t i o n a l s t i f f n e s s o f e n d p l a t e c o n n e c t i o n s t o c o n c r e t e -fi l l e d t u b u l a r c o l u mn s wi t h flo wd r i l l e d c o n n e c t o r s J o u rna l o f Co n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h， 1 9 9 9， 5 0： 3 5 4 8 2 钟善桐 钢管混凝土结构 M 北京： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 3 樊建慧， 黄炳生 ， 吴文平 方钢管混凝土柱 一钢梁半刚性节点研究 综述 J 江苏建筑 ， 2 0 0 7 ， ( 4 ) ： 3 l一3 8 4 王先铁 ， 郝 际平 ， 潘 阳， 等 方钢 管混凝土柱 穿心高强螺 栓 一端板 节点性能研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 3 ) ： 2 32 6 5 王新 敏 A N S Y S工程 结构 数 值分 析 M 北京 ： 人 民交通 出 版 社 ， 2 0 0 7 6 Wi l l a m K J ， Wa r n k e E D C o n s t u t i v e Mo d e l f o r t h e T r i a x i a l B e h a v i o r o f Co n c r e t e Pr o c e e ding s I n t e r n a t i o n a l As s o c i a t i o n for Br i d g e a n d S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 7 5， 1 9： 1 7 4