复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点有限元分析.pdf

第 43 卷 第 5 期 2013 年 3 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 5 Mar 2013 复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点有限元分析 * 张冬芳， 张玉芬， 赵均海， 朱倩 ( 长安大学建筑工程学院，西安 710061) 摘要基于复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点的试验研究， 在合理选择材料本构关系和破坏准则的基础 上， 采用有限元分析软件 ANSYS 建立模型， 研究了该类节点在往复荷载作用下的力学性能。有限元模拟的滞回曲 线及骨架曲线与试验结果大致吻合， 在一定程度上验证了有限元方法的合理性。在此基础上， 分析了钢筋混凝土 环梁及内外钢管的应力分布， 探索此类节点的传力机制及最终破坏形态。最后对该类节点进行了参数分析， 研究 节点处竖筋配筋率、 竖筋锚固长度、 节点核心区及环梁处混凝土强度等级、 框架梁混凝土强度等级对骨架曲线的影 响规律。 关键词复式钢管混凝土柱节点;钢筋混凝土环梁;滞回曲线;骨架曲线;有限元分析 中图分类号: TU398. 9文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 05- 0039- 06 Finite element analysis on the ring beam joint with discontinuous outer tube between composite CFST and RC beams Zhang Dongfang，Zhang Yufen，Zhao Junhai，Zhu Qian ( School of Civil Engineering，Changan University，Xian 710061，China) Abstract: According to experimental study on the ring beam joint with discontinuous outer tube between composite concrete- filled steel tube and reinforced concrete beams，the finite element software ANSYS was used to simulate the behavior of connections The simulated hysteretic curves and skeleton curves were compared with the experimental data and roughly agreement can be observed Stress analysis was researched by using the finite element analysis model to study the failure mode and mechanism of the new system jointsMoreover，parametric studies have been carried out to investigate the influences of the cross-section ratio and anchorage length of the vertical reinforcement for the nodes area，the strength of the concrete for the nodes area and the ring beams and the concrete strength of the frame beams on the skeleton curves Keywords: connection of composite concrete-filled steel tube;reinforced concrete ring beam;hysteretic curve;skeleton curve;finite element analysis * 国家自然科学基金项目( 51008027， 50908015) ， 高等学校博士学科 点专项 科 研 基 金 ( 20110205130001) ， 陕 西 省 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 2011JM7002) ， 长安大学中央高校基本科研项目( CHD2011ZD009) 。 作者简介: 张冬芳， 博士研究生， Email:zhangdf19 gmail com。 0前言 复式钢管混凝土是在钢管混凝土的基础上发展 起来的一种新型结构形式， 它是将两层或者多层钢 管同心放置， 并在钢管中填充混凝土而形成的。根 据最内层钢管中是否填充混凝土可以分为实复式和 中空复式钢管混凝土两种。实复式钢管混凝土是在 普通钢管混凝土中增加圆钢管形成的。增加圆钢管 后， 双层钢管对核心混凝土的“约束效应” 增强， 使 复式钢管混凝土柱承载力提高。而且复式钢管混凝 土结构具有塑性与韧性好、 耐火性能好及施工方便 等优点， 具有很强的防倒塌能力， 可以应用于强震地 区中 1，2。但国内外对复式钢管混凝土柱节点的研 究寥寥无几， 从而阻碍了复式钢管混凝土结构在建 筑工程中的推广应用 3，4。目前， 我国的民用建筑 以钢筋混凝土楼板结构为主， 应用复式钢管混凝土 的关键技术集中到其与钢筋混凝土梁的连接问题 上， 而此类节点的受力机理复杂， 抗震性能如何等问 题有待进一步解决 5- 7。 本课题组 8提出一种新型复式钢管混凝土柱 外钢管不连通环梁节点， 内圆外方的复式钢管混凝 土柱在节点区断开外方钢管， 钢筋混凝土梁中纵筋 贯通节点区。由于密排环箍和竖向钢筋( 竖筋) 的 存在以及周边环梁的约束作用， 保证了节点的强度 和整体刚度， 能有效传递梁端弯矩和剪力， 具有良好 的应用前景。试验得出了节点的受力机理、 破坏形 态、 骨架曲线及恢复力模型等抗震力学性能指标。 研究结果表明: 该种形式的节点刚度与承载力较好， 破坏形态为在环梁处出现塑性铰， 试件的滞回曲线 较饱满， 延性较好， 因此能够满足抗震设计要求。然 而， 此类新型节点受力性能复杂， 再加上试验条件有 限， 仅靠试验及理论分析研究节点的力学性能还不 够完善 9。 本文基于试验研究， 利用 ANSYS 分析软件进行 数值模拟， 得到的模拟滞回曲线及骨架曲线与试验 建筑结构2013 年 结果大致吻合， 在一定程度上验证了有限元方法的 合理性。在此基础上， 分析钢筋混凝土环梁及内外 钢管的应力分布， 探索此类节点的传力机制及最终 的破坏形态。由于试验制作试件个数有限， 无法反 映材料参数对节点骨架曲线的影响规律。本文对模 型的材料参数进行拓展分析， 得到了影响节点骨架 曲线的变化规律， 从而为复式钢管混凝土柱外钢管 不连通环梁节点设计时的材料参数选取提供参考。 1有限元计算模型 1. 1 研究对象 根据本课题组的试验研究， 本文对 4 个节点试 件进行有限元模拟， 所选用的钢材及其力学指标如 表 1 所 示。试 件 RBJ1- 1，RBJ1- 2， RBJ2- 3， RBJ2- 4 采用 C30 混凝土， 试验时测得的标准立方体抗压强 度分别为 32. 5， 33. 3， 30. 8， 29. 7MPa， 试件的具体情 况如表 2 所示， 试件的构造如图 1 所示。 钢材力学性能指标表 1 钢材类型 61216 Q235 方钢管 Q215 圆钢管 ( 直径 110mm) Q215 圆钢管 ( 直径 140mm) 屈服强度 /MPa326. 50309. 10330. 50345. 90 308. 60326. 30 极限强度 /MPa650. 00584. 90656. 50470. 40 465. 90432. 50 弹性模量 /( 105MPa) 1. 832. 292. 352. 032. 06 2. 06 试件尺寸及参数表 2 试件编号RBJ1- 1RBJ1- 2RBJ2- 3RBJ2- 4 方钢管 ( 宽 壁厚)/mm 250 4250 4250 4250 4 圆钢管 ( 直径 壁厚)/mm 110 3. 5110 3. 5140 3. 5140 3. 5 梁主筋416416416416 梁箍筋 6 50， 806 50， 806 50， 806 50， 80 节点区竖筋及箍筋 1216 6 50 1216 6 50 1216 6 50 1216 6 50 环梁体积配筋率0. 001 20. 001 50. 001 20. 001 5 柱轴力设计值 /kN2 934. 32 934. 3 3 069. 93 069. 9 图 1节点构造 1. 2 单元类型 采用 实 体 单 元 进 行 有 限 元 建 模， 钢 管 采 用 Solid45 单元， 混凝土采用 Solid65 单元， 钢管柱中的 混凝土 Solid65 单元在设置实常数时采用默认值; 框 架梁中的混凝土 Solid65 单元则根据不同部分的配 筋率设置实常数。由于框架梁中的钢筋配筋率各不 相同， 所以对环梁处、 节点区及梁端部分的受拉区、 受压区以及箍筋区进行体划分。考虑混凝土的开 裂、 压碎行为及钢筋的弥散式分布 10，11。 1. 3 材料本构模型 钢材 的 本 构 关 系 采 用 三 折 线 模 型 模 拟， 在 ANSYS 中采用多线性随动强化( MKIN) 曲线来描述 这一关系， 如图 2( a) 所示， 图中 A= fy/Es ， B = ( fu fy) /0. 1Es ， C = 0. 03， 泊松比为 0. 3， 其余参数按 照表 1 来取。混凝土采用 Willam-Warnker 五参数破 坏准则， 考虑混凝土的开裂及压碎等行为特征。在 本文的节点试件中包括两种不同的混凝土: 核心混 凝土和框架梁混凝土。核心混凝土受到钢管的约束 作用， 这种约束作用使混凝土的受力更加复杂， 因此 采用文献 12提出方钢管内的核心混凝土单轴抗 压本构关系， 简化如图 2( b) 所示。框架梁混凝土的 应力-应变关系采用文献 13 提出的本构模型， 简化 如图 2( c) 所示。在 ANSYS 中采用多线性随动强化 ( MKIN) 曲线来描述混凝土的本构关系 9。 1. 4 模型的建立与求解 有限元采用全模型建模， 有利于施加东西梁端 的往复荷载， 网格划分见图 3。对钢管混凝土柱底 面施加所有方向的位移约束， 对柱顶面施加平面外 约束， 保证钢管混凝土柱顶只能在竖向产生位移， 不 可以在平面外有转动; 对框架梁端也分别施加平面 外约束， 保证梁端也只能在竖向产生位移， 或者绕节 点在平面内转动。根据试验加载制度， 加载由两部 分进行， 第一部分对钢管混凝土柱顶施加轴力， 第二 部分对框架梁端施加竖向往复位移荷载。 04 第 43 卷 第 5 期张冬芳， 等 复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点有限元分析 图 2材料应力-应变曲线 图 3有限元模型 2结果分析 2. 1 滞回曲线对比分析 由于设计的 4 个试件的尺寸、 配筋率相同， 所以 得到的 滞 回 曲 线 差 别 不 大， 列 出 一 个 典 型 试 件 RBJ1- 1 进行分析， 如图 4 所示。由图可知: 图 4RBJ1- 1 数值模拟滞回曲线与试验滞回曲线对比 图 5荷载-位移骨架曲线对比 ( 1) 节点试件的模拟滞回曲线呈倒 S 形， 在加 载初期滞回曲线基本沿直线循环， 与试验滞回曲线 基本相同， 且荷载和位移值也基本吻合。说明数值 模拟结果与试验结果在弹性阶段基本一致， 弹性阶 段滞回环均不明显， 在一定程度上说明了有限元方 法的合理性。 ( 2) 因为在梁端分别施加往复位移荷载， 对节 点区产生较大弯矩和剪力。试验时， 正向加载对试 件有一定的损伤， 因此反向加载时的承载能力比正 向位移下的承载能力偏低。而有限元计算的滞回曲 线正反两方向是对称的。 ( 3) 在有限元计算中， 没有考虑钢筋和混凝土、 钢管与混凝土之间的粘结滑移， 模型较为理想化致 弹性阶段延长， 而实际试验时常出现粘结滑移现象， 故有限元计算得到的荷载值和位移值均比试验值稍 偏大， 且滞回曲线较饱满。另外， 由于 ANSYS 程序 自身的弊端， 在低周往复荷载作用下模拟混凝土材 料时， 很难出现下降段， 且混凝土材料具有很大的离 散性， 数值模拟的滞回曲线和骨架曲线难以与实测 结果完全一致。 2. 2 骨架曲线 图 5 为有限元模拟荷载-位移骨架曲线与试验 骨架曲线的对比， 由图中可以看出: ( 1) 有限元模拟的初始刚度低于实际试验所得 初始刚度， 这是因为在做材性试验时没有得到混凝 土材料的弹性模量， 本文按照混凝土结构设计规 范 ( GB 500102002) 取得， 与试验混凝土材料的 弹性模量真实值有一定误差。 ( 2) 试验所得骨架曲线正反两方向不对称， 是 由于正向加载结束后尚有残余变形， 当反向加载时， 需要抵消结构中的残余变形; 另外， 正向加载对试件 有一定的损伤， 因此反向加载时的承载能力比正向 同等位移下的承载能力偏低。而有限元模拟的骨架 曲线正反两方向是对称的。 14 建筑结构2013 年 ( 3) 有限元模拟的骨架曲线有明显的屈服荷载 和屈服位移， 这样刚好补充了试验骨架曲线。骨架 曲线达到屈服荷载之后， 也有刚度退化现象， 但是不 明显。 2. 3 应力传递及破坏形态分析 图 6 为钢筋混凝土环梁的 von Mises 应力云图。 由子步 1 可以看出， 环梁处混凝土大部分区域已经 屈服， 且应力由环梁端部逐渐传递至节点核心区; 由 子步 4 可以看出， 节点核心区的混凝土也部分屈服， 拉应力由框架梁东侧逐渐向框架梁西侧传递。节点 核心区的混凝土受拉应力， 而内圆外方的复式钢管 对混凝土均有约束作用， 所以核心区混凝土的拉应 力迅速传递至钢管上。由子步 10 和子步 15 可以看 出， 钢筋混凝土环梁完成了一个荷载步的传递， 环梁 上的应力分布趋于稳定， 且最大应力出现在子步 1 时的环梁处， 所以有限元分析得到的试件破坏形态 为在环梁处出现塑性铰。 图 7 为 复 式 钢 管 混 凝 土 柱 内 外 钢 管 的 von Mises 应力云图。复式钢管在竖向轴力和梁端往复 位移的共同作用下， 方钢管在节点断开处最先屈服， 由子步 1 可以明显看出。接着， 应力由方钢管逐步 向复式柱底和柱顶、 方钢管内混凝土及圆钢管上传 递， 子步 4 可以证实这一过程。子步 10 和子步 15 均显示出， 圆钢管的节点部位屈服， 方钢管的应力分 布也趋于稳定， 达到了应力释放的目的。 图 8( a) ， ( b) 为有限元计算的变形图与试件变 形的比较， 图 8( c) 为试验试件的破坏图片。环梁处 出现了较宽裂缝， 且混凝土有块状脱落， 试验得到的 4 个试件破坏形态相同， 均为在环梁处出现塑性铰。 由以上分析可以看出， 此类新型复式钢管混凝土外 钢管不连通环梁节点的传力途径明确， 破坏形态与 试验结果一致， 在环梁处出现塑性铰。从而进一步 验证了有限元方法的正确性。 3参数分析 为了深入研究复式钢管混凝土外钢管不连通环 梁节点的力学性能， 得到各参数变化对节点力学性 能的影响规律， 对试件 RBJ1- 1 变化参数进行了拓展 分析， 在研究中仅变化一个参数， 并保证其他参数不 变 15。因为西梁与东梁骨架曲线比较类似， 正向加 载和负向加载也比较类似， 在以下的分析中， 只取西 梁的正向加载数据进行对比分析。 3. 1 节点处竖筋配筋率 Pv 该新型复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节 点， 为有效地保证柱端弯矩的传递， 采用竖向钢筋插 入上下两分段的外钢管内侧， 并在外钢管内壁焊有 抗剪栓钉的方法来实现， 所以节点处竖筋的配筋率 Pv对节点刚度和承载力的影响至关重要。设 Pv= Av/Aot， 其中 Av为复式钢管混凝土柱节点处竖筋横 截面面积， Aot为外钢管的横截面面积。试验中在制 作试件时， 竖筋绑扎过多则不易于施工， 节点处竖筋 配筋为 1216， 即 Pv= 0. 6， 理论上应配置竖筋足 够多达到外钢管的横截面面积更为合理， 以完全弥 补外钢管截断的刚度损失。采用有限元方法对该参 数进行分析， 取 Pv从 0. 4 变化到 1. 0， 如图 9 所示。 当 Pv= 0. 4， 竖筋配置较少情况下时， 可以看出节点 的极限承载力下降较多， 到 Pv= 1. 0 时极限承载力 可提高 20% 以上; 如果在试验中能继续增加竖筋的 配筋率， 当节点处竖筋的截面面积等于外方钢管的 面积时， 节点的承载力可比实际情况下提高 12% 。 因此， 随着节点竖筋配筋率 Pv的提高， 节点的整体 刚度和极限承载力也相应提高， 实际工程中应在满 足施工条件情况下尽可能多配置竖向钢筋。 3. 2 节点处竖筋锚固长度 la 混凝土采用整体建模方式， 节点处竖筋锚固长 度的变化通过划分核心区混凝土体来实现， 从而得 到节点处竖筋锚固长度 la对骨架曲线的影响关系， 如图 10 所示。由图可知， 随着竖筋锚固长度 la的 提高， 节点的初始刚度和承载力略有提高。由于节 点处的竖筋锚固长度增大， 有利于提高节点的整体 性能， 所以对初始刚度和承载力都有影响， 但不是很 明显。 3. 3 节点核心区及环梁处混凝土强度 fcu 节点核心区及环梁处混凝土强度 fcu对骨架曲 线的影响如图 11 所示。由图可知， 随着 fcu的提高， 初始刚度提高不明显， 承载力提高明显， 但曲线形状 变化不大。因为此类复式钢管混凝土外钢管不连通 环梁节点的破坏形态主要是在环梁处形成塑性铰， 所以节点核心区及环梁混凝土强度的提高对节点承 载力有显著影响。 3. 4 框架梁的混凝土强度 fcub 框架梁的混凝土强度对骨架曲线的影响关系如 图 12 所示， 由图可知， 随着混凝土强度的提高， 节点 的承载力有所提高， 而初始刚度提高不明显， 在 fcub = 25MPa 时的初始刚度值降低明显， 但总体上对骨 架曲线的形状影响不大。 通过以上分析得出， 节点处竖筋配筋率、 竖筋锚 固长度及框架梁的混凝土强度等级变化均对节点的 承载力有一定影响， 但对曲线形状影响不大。此类 节点的破坏形态主要是在环梁端部出现塑性铰， 所 以节点核心区及环梁处混凝土强度 fcu对节点极限 24 第 43 卷 第 5 期张冬芳， 等 复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点有限元分析 图 6环梁 von Mises 应力云图 /MPa 图 7钢管 von Mises 应力云图 /MPa 图 8节点整体变形及试件破坏图 图 9Pv对骨架曲线的影响 图 10la对骨架曲线的影响 图 11fcu对骨架曲线的影响 图 12fcub对骨架曲线的影响 34 建筑结构2013 年 承载力的影响较为明显， 即图 11 所示。 4结论及建议 基于复式钢管混凝土外钢管不连通环梁节点的 试验研究， 采用 ANSYS 软件建立了此类新型节点的 非线性有限元模型， 进一步明确了复式钢管混凝土 外钢管不连通环梁节点的力学性能、 工作机理及破 坏形态。通过分析， 得到以下结论: ( 1) 有限元计算得到节点模型的滞回曲线和骨 架曲线与试验结果大致吻合， 从而验证了有限元模 型中采用的单元类型、 材料本构及破坏准则合理可 行， 验证了有限元方法的正确性。 ( 2) 在有限元分析中， 没有考虑钢筋和混凝土、 钢管与混凝土之间的粘结滑移， 且混凝土材料具有 很大的离散性， 又由于 ANSYS 程序自身的限制， 数 值模拟的滞回曲线和骨架曲线难以与实测结果完全 一致。 ( 3) 通过对环梁和钢管的 von Mises 应力云图 分析， 进一步明确了此类新型节点的传力机制及最 终破坏形态， 在环梁端部出现塑性铰， 与试验的破坏 形态相同。在今后的工程分析中， 可以采用有限元 数值模拟来分析结构的传力机制及破坏形态， 根据 所得结果对结构构造进行适当改进。 ( 4) 参数分析的结果表明， 节点处竖筋配筋率、 竖筋锚固长度及框架梁的混凝土强度等级变化均对 节点的承载力有一定影响， 但对曲线形状影响不大。 此类节点的破坏形态主要是在环梁端部出现塑性 铰， 所以节点核心区及环梁处混凝土强度对节点极 限承载力的影响较为明显。通过研究， 进一步为复 式钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点设计时的材料 参数选取提供参考， 为复式钢管混凝土柱节点的工 程应用做好铺垫工作。 参考文献 1钟善桐 钢管混凝土结构M 3 版 北京: 清华大 学出版社， 2003 2张玉芬， 赵均海， 李小伟 基于统一强度理论的复式 钢管混凝土轴压承载力计算J 西安建筑科技大 学学报: 自然科学版， 2009， 41( 1) : 41- 46 3BETTEL J，THAMBIRATNAM D，PERERA N Cyclic behavior of concrete filled steel tubular column to steel beam connectionsJEngineering Structures，2002， 24( 1) :29- 38 4汤文锋， 王毅红， 史耀华 新型钢管混凝土节点的非 线性有限元分析J 长安大学学报: 自然科学版， 2004， 24( 5) : 60- 63 5HANLINHAI， WANGWEIHUA， YUHONGXIA Experimental behaviour of reinforced concrete ( RC ) beam to concrete-filled steel tubular ( CFST) column framessubjectedtoISO- 834standardfire J Engineering Structures，2010， 32( 10) : 3130- 3144 6魏琏， 王志远， 王森， 等 钢管混凝土梁柱-RC 环梁节 点计算方法的研究J 建筑结构， 2008， 38( 3) : 29- 33 7王先铁， 郝际平， 周观根 方钢管混凝土柱隔板单边 贯通节点性能研究J 建筑结构， 2009， 39( 6) : 43- 46 8张玉芬， 王育平， 赵均海 复式钢管混凝土外钢管不 连通环梁节点抗震性能试验研究J 土木工程学 报， 2012， 45( 6) : 90- 100 9聂建国， 秦凯， 肖岩 方钢管混凝土柱节点的试验研 究及非 线 性 有 限 元 分 析J工 程 力 学， 2006， 23 ( 11) : 99- 115 10MALEKI S， TABBAKHHAMNumerical studyof slotted-web-reduced-flangemomentconnection J Journal of Constructional Steel Research，2012， 69 ( 1) : 1- 7 11刘付均， 蔡健 新型钢管混凝土柱-板节点受力性能 非线性有限元分析J 建筑结构， 2010， 40( 11) : 91- 96 12韩林海 钢管混凝土结构 理论与实践M 北 京: 科学出版社，2004 13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，2003 14NIE JIANGUO，BAI YU，CAI C SNew connection system of confined concrete columns and beams I: experimentalstudy J JournalofStructural Engineering，2008，134( 12) :1787- 1799 15LI WEI，HAN LINHAI Seismic performance of CFST column to steel beam joints with RC slab:analysisJ Journal of Constructional Steel Research， 2011， 67( 1) : 127- 139 ( 上接第 38 页) 2鲍侃袁，沈国辉，孙炳楠， 等 高耸钢管塔 K 型结点 极限承载力的试验研究和理论分析J 工程力学， 2008， 25( 12) : 114- 121 3宋谦益 圆钢管混凝土-钢管 K 形节点的力学性能研 究D 北京: 清华大学，2009 4舒兴平 高等钢结构分析与设计M 北京: 科学出 版社， 2006 5JEFFREY A PACKER Concrete-filled HSS connections J Journal of Structural Engineering，1995， 121( 3) : 458- 467 6GB 500172003 钢结构设计规范S 北京:中国 计划出版社，2003 7乔明 钢管混凝土格构式风电塔架节点受力性能研 究D 包头: 内蒙古科技大学， 2012 44