矩形钢管混凝土T型受压节点受力性能的有限元分析.pdf

2 0 0 7 年 6月 第 4卷 第 2期 深圳土木与建筑 V O L 4 N o 2 J U N 2 0 0 7 矩形钢管混凝土 T 型受压节点受力性能的有限元分析 尧 国皇 宋宝东 黄用军 谭伟 ( 中建国际 深圳 设计顾 问有限公司) 【 摘要 】 在选择 了合理的钢材和核心混凝土的本构关系模型的基础上，利用通用有限元软件 A B A Q U S 对 矩形钢管混凝土T 型受压节点荷载一 变形关系曲线进行 了计算， 计算曲线与实验 曲线进行了比较， 基本 吻合 ， 然后对矩形钢管混凝土T 型受压节点荷载一 变形关系进行 了全过程分析。在本文研究结果的基础 上，可采用 A B A Q U S 对矩形钢管混凝土 T 型受压节点的工作机理进行更为深入的研究。本文的研究成果 可为相关研究提供参考。 【 关键词】 矩形钢管混凝土 T 型节点 荷载一 变形关系 有限元法 1 前言 矩形钢管对核心混凝土的约束效果不如圆钢管显 著，但仍有很好的效果，可 以提高构件 的延性，而 且矩 形钢管混凝土具较好的抗弯能力和 抗扭能力 ， 与圆钢管混凝土相 比，矩形钢管混凝土构件连接构 造简单，与墙体连接方便 ，建筑室 内便于使用，并 容易采用价格便宜 的平板式防火板材，因此矩形钢 管混凝土在工程实践中的应用也越来越广泛 1 l 2 ， 引。 矩形钢管混凝土弦杆和矩形钢管腹杆组成的矩形钢管 混凝土桁架可用于转换层桁架等结构 ，有较好的应 用前景 4 I 。由于矩形钢管混凝土桁架结构可不设节 点板 ，杆件之 间直接焊接，建筑上简洁美观 ，节点 构造简单，加工制作方便，近年来 ，日益受到工程 技术人员，特别是建筑师的青睐。本文研究矩形钢 管混凝土T 型受压节点的性能，这就对应于实际结构 中矩形钢管混凝土梁上起柱 的情况，因此研究这类 节点的性能有较大的工程意义和实用价值 。文献 5 进行 了4 个矩形钢管混凝土受压节点的实验，并采用 有限元软件A N S Y S 对其工作性能进行 了计算，计算结 果与实验结果吻合较好，同时文献 5 也提 出了矩形 钢管混凝土受压节点的设计方法，有关研究成果被 矩形钢 管混凝土结 构技术规程 ( C E C S 1 5 9： 2 0 0 4)采用 。但文献 5 的研 究也存在一些不足 ， 如对矩形钢管混凝土T 型受压节点受力各阶段弦杆和 腹杆截面的应力状态的研究还有进一步深入研究的必 要，深入研 究其截面 的应力状态也可为有关工程设 计人员进行施工 图深化设计提供参考 。 尧 国皇，男，中建 国际 ( 深 圳 )设计 顾 问有 限公 司 ，工 学博 士 地址 ： 广东省深圳市福 田区福华一路 9 8号卓越大厦五楼 邮编 ： 5 1 8 0 3 3 3 4 本文在选择了合理的钢材和核心混凝土的本构关 系模型的基础上，利用通用有限元软件 A B A Q U S 对矩 形钢管混凝土 T 型受压节点荷载 一 变形关系 曲线进行 了计算 ，计算 曲线与实验 曲线进行 了比较 ，基本吻 合，然后对矩形钢管混凝土 T 型受压节点荷载 一变形 关系进行 了全 过程分析 。在 本 文研 究结果 的基础 上，可采用 A B A Q U S对这类节点的工作机理进行更为 深入的研究 。本文 的研 究成果可为相关研究提供参 考。 2 有限元计算模型 2 1材料本构关系模型 弦杆钢管和腹杆钢管的钢材采用 A B A Q U S 软件 中提供等向弹塑性模型，满足 V o n m i s e s 屈服准则， 这种模型多用于模拟金属材料的弹塑性性能。用连 接给定数据点的一系列直线来平滑地逼近金属材料的 应力一应变关系 。该模型采用任意多个点来逼近实 际的材料行 为 ，因此 ，就非 常接近真 实的材料行 为。 核心混凝土采用 A B A Q U S 软件中的塑性损伤模型 6 。文献 1 在总结以往有关研究者采用 A B A Q U S 对钢 管混凝土进行有限元分析结果 的基础上，考虑到核 心混凝土受钢管被动约束的特点，通过大量钢管混 凝土轴压算例的计算分析，修正了素混凝 土单轴应 力 一 应变关系 曲线的峰值应变和下降段，最终提出适 用于 A B A Q U S 软件有限元分析的钢 管混凝土中核心混 凝土单轴应力 一应变关系表达式 1 如下： 2, x_x 2 ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年 6月 第 4 卷 第 2期 深圳土木与建筑 O 式中： ； ； ( M P a ) e o = + 8 0 0 1 0 4： =( 1 3 0 0 +1 2 5 ) 1 0 一 ； 一 = 。 其中， 为核心混凝土圆柱体抗压强度 ，以M P a 计 ； 为 钢 管 混 凝 土 的 截 面 约 束 效 应 系 数 ， 4 ( ， y 为钢管钢材屈服强度， c 为混凝土 c k 立方抗压强度标准值，A 为钢 管截面面积，A 为混 凝土截面面积 ) 。文献 1 采用 以上模型对钢管混凝 土对钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理和 实用计算方法研究，取得了较好的效果 ，因此本文 在研究矩形钢管混凝土T 型受压节点的受力性能时采 用了以上 的混凝土模型 。 2 2单元类型和截面划分 弦杆钢管和腹杆钢管的钢材采用四节点减缩积分 格式的壳单元 ( s 4 R ) ，为满足一定的计算精度，在 壳单元厚度方 向，采用 9个积分点的 S i m p s o n积分 ( 缺省值为 5个积分 点) 。S 4 R单元允许沿厚度方 向 的剪切变形，随着壳厚度的变化 ，求解方法会 自动 服从厚壳理论或薄壳理论，当壳厚度很小时，剪切 变形很小，并且考虑有限薄膜应变和大转动，属于 有限应变壳单元 ，适合大应变的分析 。核心混凝土 采 用 了采用 八节点减缩 积分格 式 的三 维实体单 元 ( C 3 D 8 R) ，虽然这种 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，从计 算的经济性出发， 混凝土采用C 3 D 8 R 单元 。 单元 网格采用细分 网格的网 一 一 图1有限元计算模型 格实验方法 ，确定合适 的网格 ，图 1给出了矩形钢 管混凝土T 型受压节点有限元分析模型单元划分的示 意 图 。 2 3接触面处理和边界条件 参考文献 1 的研究成果，弦杆矩形钢管混凝土 的钢管和核心混凝土界面采用采用库仑摩擦模型来模 拟钢管 与核心混凝土界面切 向力的传递：界面可 以 传递剪应力 ，直到剪应力达到临界值 t m ，界面之 间产生相对滑动，此处计算 中采用一个允许 “ 弹性 滑动 ”的罚摩擦公式 ，在滑动过程 中界面剪应力保 持为 t 不变，钢管与核心混凝土界面摩擦系数取 为 0 6 ，钢管与核心混凝土法线方向采用 “ 硬接触 ” 1 。 为了更好的反映矩形钢管混凝土T 型受压节点的 性能，矩形钢管混凝土弦杆的两端采用了铰接的边 界条件 。在节 点腹杆上加载端设置一刚度很大垫块 模拟加荷端板，采用三维实体单元 ( C 3 D g R)模拟 ， 其弹性模量取为 1 1 0 1 2 M P a ，泊松比取为 0 0 0 0 1 。 加荷端板与腹杆钢管之间用A B A Q U S 软件中T i e 命令进 行约束。 图1 给出了有限元分析模型的边界条件示意 图。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 。 3 计算结果与实验结果的比较 采用 以上有 限元计算模 型，可较为方便的计算 出矩形钢管混凝土 T型受压节点荷载 一变形关系 曲 线。图2 给出了本文有限元计算结果与文献 5 的实 验 结果 的比较结果，可见 ，本文的有限元计算 曲线 和 实验 曲线基本吻合 。需要说 明的是，文献 5 采 用与本文有 限元模型相 同的边界条件 。 表 1 给出了图2 实验试件的详细计算参数 ，其中 和 分别为弦杆钢管 的截面外长边边 长和短边边 长，t 为弦杆钢管管壁厚度， 为矩形钢管混凝土两 铰接端之间的长度， 6 和h 分别为腹杆钢管的截面外长 边边长和短边边长 ， 为腹杆钢管管壁厚度 ， 。 为节 点的极限承载力实验值， 为本文计算获得的试件极 限承载 力 。试件 弦杆和 腹杆钢材 屈服 强度 分别为 3 2 0 M P a 和 3 2 5 M P a ，核心混凝土立方抗压强度为 3 1 1 M P a 。所有试件 。 比值的平均值为0 9 1 2 ，均方 差为 0 0 4 1 ，可见承载力计算值与实验值基本吻合。 图2 中同时也给出了其他条件相同的情况下， 空 钢管T型受压节点的荷载 一 变形关系的有限元计算 曲 线，可见，与空钢管 T型受压节点相比，矩形钢管混 凝土T 型受压节点 由于核心混凝土 的存在， 延缓了钢 管局部屈曲的出现，不但提高 了试件 的极限承载力， 35 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年 6 月 第 4卷 第2期 深圳土木与建筑 ( C )T C - 3 ( C )T O 一 4 图2计算曲线和实验曲线比较 也提高试件弹性阶段 的刚度 。 图3 给出典型的矩形钢管混凝土和矩形空钢管 T 型受压节 点的破坏模态 ( 需要说 明的是，T型受压 节点的破坏模态与弦杆长度和腹杆钢管壁厚等参数有 关 ，有关这些参数的影响规律 ，需作更细致的研究 工作 ) 。从 图 3可见 ，二者的破坏形态有较大的差 别 ，矩形钢管混凝土表现出T 型受压节点较好的塑性 和稳定性 ，且钢管没有 明显的局部屈曲现象；空钢 管T 型受压节点则表现为在节点附近截面处发生局部 屈曲，形成塑性铰最终破坏，破坏时表现为钢管 内 凹屈曲的破坏模态 ，因此对于空钢管 T型节点情况， 3 6 T型节点参数和极限承载力 腹杆下端应该采用加劲隔板进行局部加强。 4 T型 受压节点受力全过程分析 从图2的计算曲线可见，矩形钢管混凝土 T 型受 压节点的荷载 一变形关系 曲线大致可分为 ：弹性阶 段、弹塑性阶段和塑性阶段 ，典型的荷载 一变形关 系 曲线如图 4所示： ( 1 )弹性阶段，弦杆钢管梁中下翼缘应力还未达 钢材 的比例极 限，分布规律为下翼缘大上翼缘 小 ， 上柱柱脚处混凝土的压应力较大，下翼缘混凝土受 拉且受拉区域分布相对均匀 ； ( 2 ) 弹塑性阶段，弦杆钢管梁跨中上、下翼缘 和上柱柱脚处钢管 已经进入屈服阶段 ，上柱柱脚处 混凝土 的压应力 已经超过极 限应力，但 由于受到外 钢管的约束 ，此时混凝土还没有被压碎 ； ( 3 )塑性阶段 ，弦杆钢管梁中的钢管屈服区域继 续 向两端扩展 ，此 时上柱柱脚处混凝 土被压碎 。 以下 以T C l试件为例，图 5给出了矩形钢管混 表 1 D B t L c b h t O N N 编号 ( ra m ) ( ra m ) ( ra m ) ( ra m ) ( ra m ) ( m m ) ( ra m ) ( k N ) ( k N ) T C 一 1 1 0 0 1 0 0 2 7 5 7 5 0 6 0 6 0 2 8 3 1 0 3 6 9 0 T C 一 2 1 0 0 1 0 0 2 7 5 7 5 0 1 0 0 1 0 0 4 1 1 2 3 1 0 0 1 T C 一 3 1 0 0 1 0 0 4 7 5 0 4 0 40 2 8 3 1 5 2 9 1 4 7 T C 一 4 1 0 0 1 0 0 4 7 5 0 8 0 8 0 2 8 3 1 6 3 1 5 1 ( a )矩形钢管混凝土 ( b )矩形空钢管 图3典型的矩形钢管混凝土和矩形空钢管 T 型受压节点的破坏模态 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年 6月 第 4卷 第 2 期 深圳土木与建筑 V O L 4 N o 2 J U N 2 0 0 7 ( a )钢管 ( b )混凝土 ( 1 ) 弹性 阶段 a )钢管 ( b )混凝土 ( 2 )弹塑性阶段 ( a )钢 管 ( b )混凝土 ( 2 )塑性阶段 图 8 受力各阶段 的应 力状态 凝土 T型受压节点在受力各阶段中钢管 M i s e s 应力分 布和核心混凝土纵向应力分布情况，其中图 5 ( 1 ) 对应于 0 4倍极限荷载，图 5 ( 2)对应于 1 0倍 极 限荷载， 图 5 ( 3)对应于竖 向位移达 2 0 mm。 为了便于分析，图 9也给出了与试件 T C 1其他 条件相同的情况下，空钢管T型受压节点在极限承载 力时刻的钢管 M i s e s 应力分布。比较 图9和图 8( 3 ， a) ，可 以发现 ，对于矩形钢 管混凝土节 点， 由于 核心混凝土的存在，极限承载力时钢管的塑性区域 发展更为充分，且沿梁轴线方向变化相对更缓；对 于空钢管混凝土节点，极限承载力时钢管 的塑性区 域 相对较 小，沿梁轴 线方 向变 化相对更 “ 激烈 ” ， 这也充分说明由于钢管和核心混凝土之问的相互作 用 ，使得钢材 的材料得到更大程度 的发挥 。 图 9空钢管混凝土节点极限承载力时 M i $ 8 S应力分布 5 结论 基于本文以上 的研究 ，可得到初步结论：在选 择了合理的钢材和核心混凝土的本构关系模型的基础 上 ，利用通用有 限元软件 A B A Q U S对矩形钢管混凝土 T型受压节点荷载 一变形关系 曲线进行了计算，计算 曲线与实验曲线进行了比较，基本吻合，然后对矩 形钢管混凝土 T 型受压节点荷载 一变形关系进行了全 过 程分 析 。在本文 研究 结果 的基础 上 ，可 以采用 A B A Q U S 软件对矩形钢管混凝土T 型受压节点的工作性 能进行参数分析，并分析弦杆 中钢管与混凝土之问 的相互作用 ，深入认识这类节点 的工作机 理 。 参考文献 1 韩林海 钢管混凝土结构 一理论与实践北京 ： 科学出版社 ，2 0 0 7 2 韩林海 ，杨有福 现代钢管混凝土结构技术北京 ： 中国建筑工业 出版社 ，2 0 0 4 3 钟善桐 高层钢管混凝土结构 哈尔滨：黑龙江科学技术出版社， 1 9 9 9 4 中国工程建设标准化协会标准C E C S 1 5 9： 2 0 0 4 矩形钢管混凝土结构 技术规程 北京 ：中国计划 出版社， 2 0 0 4 5 刘 永健，矩形钢 管混凝土桁架节点极限承载力试验 与设计方法研 究，湖南 大学博 士学位论文 ，2 0 0 3 6 Hi b b i t t ，K a r i s o n ， S o r e n s o n A B A Q U S V e r s i o n 6 4：T h e o r y m a n u al ， u s e r sm a n u al ， v e r i f i c a t i o n m a n u a l a n d e x a m pl e p r o b一 1 e ros m a n u a1 H i b b i t t K a rl s o n a n d S o r e n s o n I n c ， 2 0 0 3 一 _ 晕 啦 搿 枷 船 m 搿 - 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