钢管约束混凝土节点承载力有限元分析.pdf

马忠吉等： 钢管约束混凝土节点承载力有限元分析 3 3 钢管约束混凝土节点承载力有限元分析 马忠吉 ， ( 1 哈尔滨工业大学建筑设计研 究院 ， 哈尔滨1 5 0 0 9 0； 韩素滨 2 黑龙江省新建监狱工程设计科 哈尔滨1 5 0 0 6 9 ) 【 摘要l 结合哈尔滨科技大厦初步设计结果 ， 通过合理选取材料的本构模型， 利用大型通用有限元软件 A B A Q U S 对钢管约束钢筋混凝土短柱与节点的设计承载能力进行了分析计算。着重研究了钢管约束钢筋混凝土 节点小偏压情况下， 钢管对节点承载能力和延性的影响。在此基础上 ， 可进一步采用 A B A Q U S 软件对钢管约束钢 筋混凝土节点的小偏压力学性能与工作机理进行深入分析。文中得出的结论可为相关、 施工提供参考。 【 关键词1 钢管约束钢筋混凝土； 非线性有限元分析； 设计承载力 【 中图分类号】 T U 3 1 1 4 l 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 3 3 0 3 0 引言 哈尔滨科技大厦采用了一种新型结构形式 一钢 管约束钢筋混凝土结构( T u b e d c o l u m n ) I t 。钢管约束 混凝土结构拥有 良好的力学性能以及施工方便的优 点， 是一种很有发展前景的新型结构。在哈尔滨科技 大厦中， 由于楼面为钢筋混凝土， 因此框架柱采用钢管 约束混凝土柱， 不仅梁柱节点连接方便， 而且由于在柱 外可不设防火保护层， 仅作防腐处理， 具有良好的经济 效益幢 。作为一种新型组合结构， 钢管约束混凝土 短柱及其节点承载能力是否满足设计要求是结构安 全的必要条件。由于钢管对普通钢筋混凝土柱的轴压 承载力有一定程度的提高， 其节点承载力是否等于或 高于短柱承载能力， 能否满足强节点、 弱构件的要求， 是工程界非常关心的问题。 近年来， 有限元法在钢筋混凝土结构、 组合结构的 分析中得到了越来越广泛的应用 ， 同时也证明了有限 元方法是有效的， 运用有限元法可以得到试验很难获 取的一些重要的结构反应信息。A B A Q U S 是 目前功能 最强的有限元分析软件之一， 其优异的分析能力使其 在土木工程中得到了大量成功的应用。因此文中采用 A B A Q U S来分析哈尔滨科技大厦钢管约束混凝土节点 的力学性能 。 1 有限元计算模型 1 1 模型设计 文中依据哈尔滨科技大厦的初步设计结果， 设计 了一组钢管约束钢筋混凝土短柱( T R C ) 、 钢筋混凝土 节点( J nR C) 和钢管约束钢筋混凝土节点( J D T R C ) 的小偏压承载能力有限元分析 ， 根据初步设计结 果 ， 所有试件沿 l ， 向偏心距为 3 7 m m， 属于小偏心受压 构件。T R C短柱和钢筋混凝土节点柱 的形式与配筋 完全相同。图 1 所示为钢筋混凝土对比试件和钢管约 束钢筋混凝土柱的截面形式。钢管约束钢筋混凝土柱 截面尺寸为9 0 0 ra m x 9 0 0 ra m， 试件高度为2 7 0 0 m m。所 有试件柱纵筋配置为 2 8 B 2 8 ， 纵筋配筋率为 1 3 7 。 J D试件高度 3 3 0 0 m m， 梁截面为 5 0 0 ra m1 5 0 0 ra m， 沿 柱边各伸出1 5 0 0 m m， 节点核心区箍筋为 A 1 2 1 0 0 ， 箍 筋体积配箍率为0 4 5 。 1 2 材料本构关系 混凝土的受压应力应变曲线采用了过镇海 等 建立的应力应变曲线， 该曲线较好的模拟了混凝土受 4结 语 ( 1 ) 抗剪试验表明接缝混凝土的剪切模量 比整 体截面混凝土的剪切模量降低 5倍。 ( 2 ) 抗弯试验表明接缝混凝土的弹性模量降低 5 0 ， 并且由于接缝的存在使得结构的整体抗弯刚度 比一次性浇注的整体结构抗弯刚度降低 5 0 。 ( 3 ) 计算结果表明， 接缝的连接刚度对桥梁的 长期挠度影响显著， 由于接缝的连接导致的长期挠度 增量为 5 0 ， 因此在设计和施工中必须对接缝给予足 够的重视， 并对接缝有针对性的设计和施工措施。 参考文献 1 W e i Z h a n g ， Z o n g l i n Wa n g ， a n d F a d h i ll N a s e r A l i S h e a r S t i ff n e s s o f S e g me n t a l J o i n t s i n Ca n t i l e v e r C a s t i n g C o n c r e t e Brid g e s Ad v a n c e d Ma t e ri a l s Re a r c h， 2 0 1 1 ， 2 5 02 5 3： 2 4 6 0 2 张巍， 王宗林 F l e x u r a l fi d i t y o f s e g m e n t a l j o i n t s i n c a n t i l e v e r c a s t i n g c o n c r e t e b r i d g e s c 2 0 1 1 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e O n Re mo t e S e n s i n g， E n v i r o n me n t a n d T r a n s p o r t a t i o n En g i n e e ri n g， RS ET E 2 0l l。 3： 21 8 7 收稿 日期 2 0 1 1 一 I I l 4 作者简介】 张巍( 1 9 8 0一) ， 男， 长春人， 博士生， 从事桥梁 工程专业。 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 期( 总第 1 6 3期) 压过程的基本特征， 适用于钢筋混凝土结构的非线性 有限元分析。受拉段的曲线采用双线性关系式， 达到 峰值应力前， 为线性增长。在下降段， 为线性下降， 考 虑了钢筋混凝土的受拉硬化效应。极限拉应力取为 0 0 。 为抗拉强度。最终采用的混凝土单轴应力 一 应变关系表达式如下 ： 受压上升段： 当 1时， Y = +( 32 ) + ( 一 2 ) x 。 下降段 ： 当 时， ， ， = 其中， =6 6 。 ， Y= ， 0 t = 2 4 0 0 1 2 5 f * ， d = 0 1 5 7 ( f * ) “ 哪 一 0 9 0 5 。 受拉上升段 ： 当 1时， Y = 。 下降段： 当 1时， Y =一 0 1 4 x+1 1 4 。 其中,i X= 旦 ， Y = o r 。 t ， 混凝土单轴抗压强度 取为2 7 5 M P a ， 单轴抗拉 强度 取为2 0 5 b l P a 。 钢管、 纵筋和箍筋采用 A B A Q U S软件中提供的等 向硬化弹塑性模型， 满足 V o n Mi s e s 屈服准则 ， 这种准 则适用于模拟与静水压力无关的材料， 且屈服面为连 续曲线， 适用于钢材的有限元分析， 分析结果非常接近 真实的材料行为。钢管、 钢筋应力应变曲线采用双线 性表达 ， 钢材的弹性模量取 2 0 61 0 MP a ， 屈服应力 3 1 0 M P a ， 塑性强 化 阶段弹性模 型取 弹性模 量 取为 0 0 1 E 。端板的弹性模 量 4 X 1 0 。 M P a ， 泊松 比 1 1 0一。 1 3 单元划分 从计算的经济性与有限元分析精度平衡出发， 混 凝土采用 C 3 D 8 R单元 ， 这种单元与其它高次等参单元 相比， 计算精度稍低， 但却可以减少很多 自由度， 从而 可以大大节省计算时间。 本模型所有钢筋均采用T 3 D 2桁架单元 桁架单元 只承受拉伸和压缩荷载的杆， 它们不能承受弯曲。桁 架单元 只有平动 自由度。本模型中使用 的 T 3 D 2单 元 ， 属于三维两节点桁架单元， 单元有三个 自由度。单 元网格采用细分网格的网格实验方法， 确定合适的网 格划分大小 ， 各部分有限元模型如图 1 所示。 ( a ) T R C ( b ) J DR C 图 1 各试件的有 限元模型 1 4 边界条件 各个试件两端均为铰接 ， 在加载端设置一加载板， 端板的弹性模量41 0 。 M P a ， 泊松比 1 X1 0 。在梁两 端分别约束了 向( 沿梁轴线方向) 位移。计算时， 采 用位移加载方式， 并采用增量迭代法求解非线性方程。 2计算结果分析 采用以上所述有限元模型， 各个试件在峰值荷载 时的应力云图见图2 。T R C试件( 图 2 a ) ， 随着荷载的 增加 ， 截面应力越来越大， 到达峰值荷载时， 柱中部混 凝土达到峰值应力， 纵筋部分屈服， 偏向受压区的钢管 角部屈服， 保护层混凝土承担的应力逐渐下降 ， 试件承 担的荷载逐渐下降。对 J D R C试件( 图2 b ) ， 当达到 峰值荷载时， 对于偏压区无梁的一面， 混凝土保护层应 力达到峰值 ， 在梁的上下两端与柱交接的高度处， 混凝 土应力最大， 随后 ， 偏压区无梁约束的柱端混凝土保护 层承担的应力降低 ， 该区域开始破坏。对 J O T R C ， 该 模型的破坏形式与 J D R C相似， 在峰值荷载时， 混凝 土应力最大值在梁的上下两端与柱的相交处。随后， 在 偏压区柱上与钢管屈服对应处的混凝土应力逐渐降低， 说明柱已不能承担更大的荷载， 柱发生了破坏。 3 短柱与节点荷载 一位移关系曲线全过程分析 图 3为各试件的荷载 一位移曲线。由试件的荷载 一 位移曲线可见， J D R C试件的极限承载力最低 ， 因 此钢管约束能增大混凝土柱和混凝土节点的承载能 马忠吉等： 钢管约束混凝土节点承载力有限元分析 3 5 力， T R C试件比 J DR C试件提高 7 6 的承载能力； J D T R C比T R C试件承载能力高 1 5 ， 且刚度略大 Z 2 镊 挺 于T R C试件见表 1 ， 可见由于荷载向梁端的扩散作用， 直交梁能够承担一部分荷载。 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 l 5 l 0 5 0 ( a ) T RC ( b ) J DR C 图 2 峰值荷载时各组试件的应力云图 位移 ram 图3各个试件荷载一 位移曲线对 比 表 1 设计承载力对比 综上钢管约束钢筋混凝土节点强度高于普通钢 筋混凝土节点， 也高于钢管约束混凝土短柱， 对于哈尔 滨科技大厦采用的这种形式的结构来讲， 在设计荷载 作用下， 能够满足节点承载力强于构件承载力的要求。 4结语 ( 1 ) 所有试件都是由于混凝土的强度不足发生 了压溃破坏， 对于节点试件 ， 破坏位置均在柱端， 节点 没有发生破坏。 ( 2 ) 钢管能够较明显的提高钢筋混凝土柱和钢 筋混凝土节点的承载能力和延性 ， T R C试件相对 J D R C试件节点承载力提高7 6 ， J DT R C试件相对 J D R C试件承载力提高 9 2 。 ( 3 ) 对本文研究的节点， 由于扩散和约束作用， 梁 能承担一部分荷载， 能够提高节点区的承载能力， J D T R C试件比T R C试件承载力高 1 5 。由于所有试件破 坏均在柱端， 所以节点的承载能力并没有直接得出。 ( 4 ) J D R C和 J D T R C试件的刚度大于 T R C 试件， 钢管约束对试件的刚度影响不大。 总之， 哈尔滨科技大厦短柱采用的钢管约束混凝 土新型组合结构， 施工方便 ， 又有很好的力学性能。钢 管约束钢筋混凝土短柱节点承载能力和延性不仅明 显好于混凝土节点， 节点承载力也高于钢管约束混凝 土短柱试件， 小偏压静力强度能够满足节点承载力高 于构件承载力要求。在钢管约束钢筋混凝土节点设计 中， 由于钢管对柱子的承载力有一定程度的提高， 应当 注意节点强度的计算与验算， 以保证整个结构的强度。 参考文献 I T o m i i M， S a k i n o K ， X i a o Y ， Wa t a n a b e K E a r t h q u a k e r e s i s t i n g h y s t e ret i c b e h a v i o r o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h o a c o l umn s c o n fin e d b y s t e e l t u b e C P n m e e d i n g o f t h e i n t e ma t i o n a l s p e c i a l i t y c o n f e r e n c e o n c o n c ret e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e s ，Ch i n a： Ha r b i n， 1 9 8 5：1 1 91 2 5 2 周绪红， 刘界鹏 钢管约束混凝土柱的性能与设计 M 北 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 1 0 3 肖岩套管钢筋混凝土结构的发展与展望 J 土木工程学 报，2 0 0 4 ， 3 7 ( 4 ) ： 81 2 4 过镇海， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京： 清华大 学出版社 。 2 0 0 3 5 A B A Q U S A B A Q U S A n a l y s i s u s e r m a n u a l M v e r s i o n 6 5 2 0 0 4 收稿日期 2 0 1 1 1 0 一 l 2 作者简介 马忠吉( 1 9 6 2 一) ， 男， 哈尔滨人， 高级工程师， 研 究方 向： 结构工程。