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7 6 低温建筑技术 2 0 1 4年第 9 期( 总第 1 9 5 期) 矩形钢管柱和钢管混凝土柱的钢梁分析 刘志全， ( 沈 阳工业大学 。 王颖 沈阳1 1 0 8 7 0) 【 摘 要】 利用有限元软件 A B A Q U S模拟计算以螺栓连接的矩形钢管柱 一钢梁节点和矩形钢管混凝土柱 一 钢梁节点 ， 这两种节点都是通过螺栓和法兰板施加预紧力连接的， 在建立节点模型时， 钢管采用壳单元( S 4 R) ， 钢 梁和混凝土采用实体单元( C 3 D 8 R) 。模拟结果表明： 本研究选取轴压比为0 3 ， 经过计算后选用柱顶承载力相同 的节点 ， 以低周循环荷载加载方式对这两种节点进行加载， 通过对荷载 一位移滞 回曲线、 耗能性能、 骨架曲线、 刚 度及强度退化等分析， 了解二者的抗震性能。对两节点模拟结果比较， 矩形钢管柱 一钢梁节点抗震性能低于矩形 钢管混凝土柱 一钢梁节点抗震性能。利用 A B A Q U S能够准确地模拟出这两种节点的静力性能， 并能够减少工作 量 ， 节约经费。可谓同类型的论文提过参考。 【 关键词】 节点； 有限元分析； 静力性能 ； 抗震性能 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 7 6 0 3 钢管混凝土组合结构能够从分发挥钢材和混凝土各 自 的优点 ， 具有广泛的应用前景 J ， 这种组合结构受到了工程 界的广泛关注 ， 研究者对其性能也进行了大量的分析。本 研究选取轴压比为 0 3时， 在低周循环荷载作用下的力学性 能进行了对比分析 ， 对矩形钢管柱 一钢梁和矩形钢管混凝 土柱 一钢梁两种节点形式。节点柱和梁的连接形式在考虑 施工问题的情况下采用螺栓施加预紧力方式连接。在设计 时柱的极限承载力高于设计值， 柱的极限承载力高于梁的 极限承载力； 在设计时梁破坏时螺栓要处于弹性阶段， 以确 保这两种节点满足“ 强柱弱梁， 强节点弱构件” 的设计原则； 从模拟结果中的刚性、 强度、 延性等方面来 比较这两种节 点； 从荷载 一 位移滞回曲线来看滞回环比较饱满和稳定 ， 矩 形钢管柱 一钢梁低于矩形钢管混凝土柱 一钢梁节点形式的 抗震性能。 1 有限元模型建立 l O 与 图1钢材的。 系 ( 1 ) 钢材本构关系。钢材应力 一应变曲线采用三线 模型， 如图 1 所示。此模型能比较准确的反映出钢材在反复 循环荷载作用下的应力 一应变全过程的钢材特性， 适用于 延性较好的构件。本文中钢材的屈服强度为 2 8 0 N mm ， 应 力 一应变关系函数表达式见式( 1 ) ： = s sy 1 ( 2 ) 式中， =8 e 0 ； y=t r t r 0 ； 0= ( N mm 2 ) ； 6 0=占 + 8 0 0 1 0 - 6 ； = ( 1 3 0 0+1 2 )1 0 一 ； = 1 6+ r 0 l 1 5 ； s=A | A c 为混凝土 轴心抗压强度设计值 ； A 为钢材的截面面积； A ： 为混凝土的 截面面积； 为构件截面的约束效应系数； o 。 为构件截面含 钢率 。 ( 3 ) 单元模型的建立。矩形钢管柱 一钢梁节点模型 中钢管 的尺寸为 ： 2 5 0 m m X 2 5 0 ra m 1 2 mm， 钢 梁尺 寸： 2 9 4 m m2 0 0 m m1 2 m m8 m m； 矩形钢管混凝土柱 一钢梁 节点模型中钢管尺寸： 2 5 0 m m X 2 5 0 m m X 6 m m， 钢梁尺寸： 2 9 4 m m X 2 0 0 m m1 2 ra m 8 m m， 钢材采用 Q 2 3 5低碳钢屈服 强度 2 8 0 N m m； 混凝土采用 C 3 0 。钢梁和钢管柱通过螺栓 形式连结。钢管内的混凝土在施加荷载时钢管与混凝土会 产生滑移 ， 会导致混凝土与钢管之间存在切向摩擦， 本计算 中将切向摩擦系数 ， 设置为 0 6 0 ； 混凝土与钢管的法向采 用“ 硬” 接触。钢管与法兰板之间的摩擦系数本文定义为 0 2 C 。模型中钢管柱选用壳单元( S 4 R) ， 梁和混凝土选用 d 占 占 一一 一 e 6 + 7 8 低温建筑技术 2 0 1 4年第9 期( 总第 1 9 5 期) l 、 D 6 o 4 0 J ( n )强度退化曲线 - 未填充混凝土 一填充混凝土 ( b)刚度退化曲线 未填充混凝 填充混凝土 图6强度及刚度退化曲线 载能力变化 ， 从受外力作用后的承载力了解其抗震性。刚 度退化是节点在反复荷载作用下变形能力的变化， 从外力 作用后的变形了解其抗震性。从曲线可知： 在弹性阶段， 节 点的强度和刚度退化现象不显著， 随着荷载和位移的增大， 在弹塑性阶段出现了明显的退化现象， 当进入塑性 阶段强 度和刚度退化更加明显； 从曲线对比可知： 未填充混凝土的 节点强度退化比填充混凝土的节点强度退化快 ； 未填充混 凝土的节点刚度退化 比填充混凝土的节点刚度退化快， 因 此， 矩形钢管混凝土柱 一钢梁节点优于矩形钢管柱 一钢梁 节点。 ( 4 ) 位移延性系数。在高层建筑结构规范中位移延 性是节点破坏时的变形量与屈服时的变形量的比， 位移延 性系数越大， 节点的塑性变形越大， 因此， 位移延性系数越 大的节点抗震性能越好。节点的延性是研究抗震性的一个 重要的指标。本文用位移延性系数表示节点的延性。 定义： = ( 3 ) 式中， 表示极限位移； A y表示屈服位移。 根据计算公式得出矩形钢管柱 一 钢梁节点模型的位移 延性系数为 4 O 8 ； 矩形钢管混凝土柱 一 钢梁节点4 0 7， 均大 于 2满足混凝土结构要求 】 。在矩形钢管柱和矩形钢管混 凝土柱顶承载力相同情况下 ， 矩形钢管柱 一钢梁节点和矩 形钢管混凝土柱 一钢梁节点的延性系数非常接近， 从节点 的位移延性系数来看这两种节点的抗震性能都良好。 3结语 ( 1 ) 当轴压比为0 3时， 矩形钢管柱 一钢梁节点和矩 形钢管混凝土柱 一钢梁节点的荷 载 一位移滞回环 比较饱 满 ， 无的“ 梭形” 现象 ， 这两种节点形式都有较好的抗震性能 和耗能能力。 ( 2 ) 矩形钢管柱 一钢梁节点和矩形钢管混凝土柱 一 钢梁节点两种节点形式， 在柱顶承载力相同的情况下， 在梁 端施加低周循环荷载得出荷载 一位移滞回曲线、 耗能性能、 骨架曲线、 刚度和强度退化 以及位移延性等关系曲线进行 比较分析， 得出矩形钢管混凝土柱 一钢梁节优于矩形钢管 柱 一钢梁节点。 参考文献 1 尧国皇 采用塑性损伤模型分析钢 一 混凝土组合构件的静力 分析 J 建筑钢结构进展， 2 0 0 9 ， ( 1 ) 2 宗周平， 葛继平， 杨强跃 反复荷载作用下钢管混凝土柱与钢 梁连接节点非线性有限元分析 J 建筑结构学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 2 ) 3 陈娟， 王湛， 袁继雄 加强环式钢管混凝土柱 钢梁节点的刚 性研究 J 建 筑结构学报 。 2 0 0 4， ( 4 ) 4 A B A Q U S I n c A B A Q U S V e r s i o n 6 4 d o c u m e n t a t i o n c P P a w t u c h c k，RI 。 US A ， 2 0 0 3 5 陈曦， 周德源 五种本构模型在钢管混凝土有限元中的比较 J 工程力学期刊， 2 0 0 9 ， ( 2 ) 6 刘威 钢管混凝土局部受压时的工作机理研究 D 福州： 福 州大学。 2 0 0 5 7 B a l m y P ， c j e l s v i k丸C o e ff i c i e n t o f fr i c t i o n f o r s t e e l o n c o n c r e t e a t h iig h n o r m a l s t r e s s J J o u r n a l of M a t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 0 ， 2 ( 1 ) ： 4 6 4 9 8 石永久， 李兆凡， 陈宏 高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试 验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 - 7 9 石永久， 李兆凡， 陈宏 高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试 验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 - 7 1 0 u y B S t r e n g t h of c o n c r e t e fi l l e d s t e e l b o x c o l u m n s i n c o r p o r a t i n g l o c al b u c k l i n g J o u rnal of S t r u c t u r a l En g i n e e rin g，AS C E 2 0 0 0 1 1 Z h i c h e n g X u e ， L u Y a n g ， Z e n g j i e Y a n gA D a ma g e M o d e l w it h S u b s e c t i o n Cu v e o f Co n c r e t e a n d l t s Nu me ric al Vc rifi c a t i o n B a s e d o n A B A Q U S 2 0 1 0 I n t e rna t i o n al C o n f e ren c e O n C o m p u t c r d e s i g n A n d A p p l i a t i o n s( I C C D A 2 0 1 0 )2 0 1 0 1 2 T A O Z h o n g ， U Y B ， H A N L i n h a1 N o n l i n e a r a n al y s i s o f c o n c r e t e -f i l l ed s q u a r e s t a i n l e s s s t e e l s t u b c o l u mn s u n d e r a x i al c o mp r e s - s i o n J o u r n a l of Co n s t r u c t i o n al S t e e l Re s e a r c h2 01 1 收稿 日期 】 2 0 1 4 0 4- 2 4 作者简介 刘志全( 1 9 8 7一) ， 男 ， 黑龙江宾县人， 硕士研究 生 ， 研究方 向 ： 结构工程 。