钢管混凝土柱节点试验及非线性分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2年第 3期( 总第 1 6 5期 ) 钢管混凝土柱节点试验及非线性分析 李蔚 ， 刘祖华 ( 同济大学结构 工程与 防灾研究所 ， 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘要】 针对某地下车站主体结构中应用的钢管混凝土柱 一 型钢混凝土梁加强环式节点 ， 根据相似原理 对其进行静力试验研究 ， 通过试验了解此节点的承载能力和破坏机理 ； 进而利用 A N S Y S有限元分析软件对此试件 进行了非线性数值模拟 ， 对试验和理论结果对 比研究分析表明， 该节点传力路线明确， 受力性能良好， 满足“ 强节 点， 弱构件” 的设计要求。 【 关键词】 梁柱节点 ； 有限元分析 ； 力学性能 【 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 2 ) 0 3 0 0 2 4 0 4 EXPE R ENT AL I NVES TI GATI oN AND NoNLD EAR F I NI TE ELE M ENT ANALYS I S oN THE BE HAVI oR oF CFS T CoLUM【 N J I ONT U W e i LI U Z u h ua ( R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n o f T o n g j i U n i v ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， b a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f s i mi l i t u d e ， j o i n t o f S R C B e a m C F S T C o l u mn w i t h r i n g s t i ffe n e r s o f t h e u nd e r g r o u n d s t a t i o n i s i n v e s t i g a t e d Ba s e d o n mo n o t o n i c l o a d i n g e x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n， t he f a i l u r e me c h a ni s m a n d ul t i ma t e b e a rin g c a p a c i t y o f S RC Be a m- CF S T Co l u mn Co n n e c t i o n a r e a n a l y z e d， t he n 3 D n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t mo d e l s we r e u s e d t o a n a l y z e the me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f t hi s S RC B e a m C F S T C o l u mn C o n n e c t i o n u s i n g A NS YS T h e a n a l y s e s o f the e x p e ri me n t a l a n d t h e o r e t i c a l r e s u i t s s h o w t h a t t h i s t y p e j o i n t p e rf o r ms w e l l w o r k b e h a v i o r a n d i s r e l i a b l e t o c a p a c i t y Ke y wo r d s ： c o l u m n j o i n t ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ； me c h a n i c s p e r f o r m a n c e 目前随着重载大跨建筑的迅速发展， 钢管混凝土 柱或型钢混凝土梁 的组合结构在我国高层建设 中的 应用也越来越广泛 。节点是一种结构体系的重要 组成部分， 它对于保证结构的整体性和计算模型的正 确性都有着举足轻重的作用。合理、 安全的节点型式 也 是推广该组合结构在 建设 中应 用的关键技 术之 一。 文中主要利用实验室缩尺模 型试验和非线性有限元 数值分析相结合的方法对某地下车站采用 的钢管混 凝土柱 一型钢混凝 土梁节 点设 计荷 载作用 下 的力 学 性能以及破坏机理进行 了模拟和研究， 为节点的设计 和施工提出合理、 可行性建议。 1 工程概况 某大型车站主体结构采用现浇劲性钢筋混凝土 框架结构， 跨度较大的梁采用型钢混凝土梁， 柱均采 用钢管混凝 土柱 。由于 此工 程 中主体 结构属 于超 大 超深， 经简单复核发现在正常工作状态下顶层钢管混 凝土柱节点 区域会 出现较 为明显 的内力 集 中现 象 ， 为 了保证结构在正 常工作条 件下的安全性 ， 研 究此节 点 力学性能和破坏机理就显得极 为重要了。 顶层钢骨横梁与柱节点图见图 1 。节点各个部分 的弹性模量通过刚度等效获得， 容重通过面积等效折 算得到， 具体参数见表 1 、 表2 。 表 l 梁柱结构基本参数 表2 板和钢管结构基本参数 2试验研究 2 1 试验方案 根据相似原理， 试验模型大小采用与实际结构 1 ： 5的模型比例 ， 试件的梁和柱尺寸根据反弯点位置确 李 蔚等 ： 钢管混凝土柱节 点试验及非线性分析 定 ， 组成一个平面十字形带楼板的节点模型。在模型 设计 中 ， 材 料 的弹 性模 量和 泊 松 比等 与 实 际结 构 相 同。节点 由上下加强环 、 径 向加劲肋及混凝 土部分 组成。 l I 一 S- I 。 。 ： ： 碰 ： 罂 一 1 j ，J 兰 牌 一 。 一 、 髓 一 ： | I 。 ， I ： 4 型 b 图1 地下一层型钢混凝土横梁一 柱节点图 试验中梁 、 板 及加 强 环环 梁采用 C A 0混凝 土 ， 抗 压强度为 3 5 4 M P a ， 钢管 内混凝 土为 C 6 0 ， 抗压强度 为 5 6 1 MP a ， 钢材性能参数见表 3 。 表 3 钢材材料性能参数 2 2 试验装置及加载方式 试验采用 自平衡刚架进行加载， 梁端 自由： 采用 两 台 2 0 0 0 k N千 斤顶 施 加 竖 向荷 载； 柱 顶 ： 采 用 一 台 4 0 0 0 k N液压千斤顶施加轴向荷载。 试验具体加载过程如下 ： ( 1 ) 在钢管混凝土柱顶分级加 载至柱截 面控制 荷载 7 2 0 k N， 然 后在整 个试验过程 中持载 。 ( 2 ) 保持柱顶荷载不变， 对型钢混凝土梁分级 施加横向集中荷载， 加载至控制荷载值时持载进行重 点测试 。 ( 3 ) 最后将梁加载至极限， 按位移控制加载三 级 ， 直 至框架梁不能承载 为止 。 前两个阶段加载目的是为了模拟在正常使用状态 下的节点性能 ， 最后一级加载的目的是为 了得到节点的 极限承载力 ， 以及节点对整体框架结构承载力的影响 。 3试验结果及分析 3 1 梁端荷载 一 挠度曲线 型钢混凝土横梁梁端荷载- 挠度曲线见图 2 。型 钢混凝土梁从加载到破坏大致经历了三个阶段： ( 1 ) 加载初期， 型钢混凝土横梁截面未开裂时 横梁试 件 表 现 为弹 性 变 形 特 征 ， 当荷 载 到 达 3 6 0 k N 时， 横梁受拉侧环绕钢管混凝土柱部位发现微裂缝 ， 从梁端荷载 一挠度曲线看 ， 挠度增长近似为直线。 Z 暴 挺 挠度 ram 图2 型钢混凝土横梁粱端荷载一 挠度曲线 ( 2 ) 当梁端荷载达到 6 8 0 k N左右时， 横梁靠近 加强环梁处率先出现 0 2 0 m m裂缝 ， 梁开裂刚度下降， 位移发展速度加快， 荷载 一 位移曲线出现拐点。随着 荷载增大， 横梁上部屈服纵筋、 箍筋数量增多， 横梁底 部裂缝向板上延伸， 裂缝宽度进一步增大。 ( 3 ) 当荷载达到 1 4 8 2 8 k N时， 荷载突降， 板边 沿横梁长度方向产生斜向大裂缝， 横梁腹板也出现明 显的剪 切斜裂缝 ， 节点破坏 。 3 2 其它结果分析 试验结果显示， 当顶横梁达到最大荷载时， 上部 受拉钢筋已达到其屈服强度， 而下部受压钢筋的平均 最大压应变为 1 2 0 0 1 e 。顶横梁的钢骨部分在达到最 大荷载时应变均很小。顶横梁达到最大荷载时， 顶横 梁箍筋平 均 最大 应 变 为 2 3 0 0 e ， 已基 本达 到 屈服 强 度； 达到最大荷载时环梁混凝土的应力均小于型钢混 凝土梁应力 。 Z 鼋 藩 枢 应变， 图3 型钢混凝土横梁箍筋荷载一应变曲线 图 3为型钢混凝土横梁箍筋荷载 一应变曲线 ， 梁 内箍筋的存在有效的提高了型钢混凝土横梁的抗剪 _r ， ， j 引， J 引 f _ 引 低温建筑技术 2 0 1 2年第 3期 ( 总第 1 6 5期 ) 性能， 并很好的控制了节点区裂缝的发展 ； 加强环梁 对节点区域内核心混凝土的有效约束作用， 使得核心 区混凝 土的抗 压得性能得 到了较 充分地发挥。 试验结果显示 ， 顶节点破坏时顶横梁与环梁交接 处受拉裂缝 明显 ， 裂缝交叉延伸到板边。最大荷载 时， 梁内受拉纵筋、 箍筋全部屈服， 环梁底部混凝土略 有微压碎现象。最终横梁腹板出现了明显的剪切斜 裂缝 ， 顶节点破坏属于弯曲和剪切综合破坏。 4 非线性有 限元模型建立 为了与节点的试 验结果 进行对 比与验证 ， 并对 其 各个构件进行深入的研究和分析以确保其细部主体 结构的安全 ， 文中利用 A N S Y S软件对此节点进行了三 维非线性有限元分析； 有限元模型仍采用与实际结构 l ： 5的模型比例， 其基本的几何、 物理参数与试验试件 完全相同。 ( 1 ) 单元类 型。钢管柱 内核心混凝 土及钢筋混 凝土采用三维实体单元 s o l i d 6 5 ； 钢管壁及型钢横梁钢 骨部分采用 s h e l l 1 8 1 单元； 混凝土裂缝的处理采用分 布( 弥散) 裂缝模型 。考虑试验模型中节点区钢管 与环 梁之 间设 置销 钉 ， 可 以有效 减小 滑移 ， 因此假 定 钢管壁与混凝土之间是完全粘结 ， 建模中使钢管和混 凝土共用节点。为了降低资源的消耗， 模型中将钢筋 和混凝土采用整体式模型， 通过定义 s o l i d 6 5单元配筋 率来模拟添加 。 ( 2 ) 材料本构关系。S o l i d 6 5单元采用改进 的 Wi l l i a mWa m k e r 五参 数 破坏 准 则 ， 同时采 用 多线 性 各 向同性硬化流动模型 ， Mi s e s 屈 服准则 。采用韩林 海 教授的提出的适合核心混凝土的应力 一应变关系模 型 。钢骨和钢管采用理想弹塑性模型( B K I N) ， 使用 多线性强化 随动准则和 V o n M i s e s 屈服准则 。 ( 3 ) 模型的建立。为了使模型加载后在各个方 向上能够协调变形， 在节点模型的柱顶和梁截面上分 别设置了刚性接触面单元来实现柱顶的轴心受压和 横梁两端的弯矩、 剪力的加载。节点模型的位移约束 条件和加载方式尽 量与试 验一样 。 因为节点构造 比较复杂 ， 为方便计算对模型进行 适当简化， 忽略了焊接、 焊接残余应力及钢梁腹板高 强螺栓连接等因素的影响。横梁 内纵筋直接与钢管 柱刚接， 环梁区域 内的环筋和竖箍等采用在 s o l i d e 6 5 单元中定义参数来考虑。 ( 4 ) 计算结果分析。图4为钢管轴力 一变形曲 线 。 如图所示 ， 钢管混凝土柱荷载 一变形曲线有限元 模型所得结果和试验曲线基本趋于一致， 在钢管柱顶 部施加轴力荷载达到控 制荷载值 时 ， 钢管柱基 本处 于 弹性工作状态 。图 5为梁端荷载 一挠度曲线 。当型钢 混凝土横梁试件处于弹性工作阶段时， 有限元模型与 试验模型的结果较为一致， 随着荷载增大， 有限元模 型的数据略小于试验模型的数据， 分析主要原 因是没 有充分考虑钢筋混凝 土楼板的作用， 文献 提 出当节 点的楼板处于梁受拉区则环梁内扭矩很小， 节点的极 限承载荷载将提高 3倍左右， 节点将呈现正截面破坏 形态， 梁端挠度也有大幅下降。从试验结果可以看出 楼板内受拉钢筋全部屈服， 而有限元模型中钢筋混凝 土楼板采用整体式模型， 忽略了楼板钢筋能够传递拉 力的贡献， 会导致结果偏差。 在有限元分析 中， 当梁端施 加荷载约到 3 0 0 k N 时， 在型钢横梁和环梁的交界面处就 出现微裂缝 ， 随 着施加荷载不断增大， 型钢横梁以及跨过梁的楼板其 他部位也陆续出现一些弯剪裂缝， 与试验结果相比， 有限元开裂荷载要小于试验结果 ； 但从裂缝开展的部 位和发展模式来看基本相同。 Z 袁 挺 足 霉 岂 罐 挺 -0 4 0 3 0 2 0 1 O 压缩变形 ra m 图4 钢管柱试件轴力一 变形曲线结果 比较 挠度 ra m 图5 梁端荷载一 挠度 曲线结果比较 5结语 ( 1 ) 顶 节 点 横 梁 的 控 制 荷 载 ( 设 计 )为 4 5 4 7 k N， 试验最大荷载为 1 4 8 2 8 k N， 约为控制荷载的 3 2倍； 节点试件的破坏始于型钢混凝土横梁的弯曲 和剪切综合破坏， 节点核心区没有明显破坏现象， 满 足“ 强柱、 弱梁 、 节点更强” 的抗震设 计要求 。 ( 2 ) 通过比较梁端挠度、 钢管混凝土柱变形及 裂缝发展情况分析得出， 有限元结果与试验结果大致 吻合 ， 从而验证了模型中采用的单元类型、 材料本构 及破坏准则的可行性和合理性。 O O O 0 O 咖 锄 伽 枷 。 鹿磊等： 底框 一 抗震墙结构不同隔震方案对比 分析 底框 一抗震墙 结构不 同隔震 方案对 比分析 鹿磊 ， 赵杨 ( 同济大学土木工程学院结构与防灾研究所 。 上 海2 0 0 0 9 2) 【 摘要】 汶川地震中底框 一 抗震墙结构发生了较为严重的破坏。文中根据某一现有底框 一 抗震墙结构图 纸， 用 S A P 2 0 0 0软件建模， 并分别按照基础隔震和层间隔震方案进行设计， 采用模态时程分析计算两种隔震方案 在汶川地震卧龙台记录波下的反应。进而 比较两种隔震方案的隔震效果， 说明层间隔震方案对于底部一层框 架一上部砌体抗震墙结构的适用性。 【 关键词】 底框 一 抗震墙结构； 基础隔震； 层间隔震； F N A 【 中图分类号】 T U 3 5 2 1 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 o 2 7 一 o 3 底 框 一 抗震墙结 构 ， 是我 国多层 房屋 中一 种常见 的结构形式。其竖向刚度分布不均匀， 为“ 上刚下柔” 结构。在地震荷载作用下往往表现为底层框架结构 的破坏 儿 。有学者 提出可 以通 过采用 隔震 措施 ， 减 小该类型结构在地震荷载下的响应， 从而减轻震害。 文中采用 S A P 2 0 0 0程序， 对某一震区的底框 一 抗 震墙结构采用层间隔震方案和基础隔震方案进行设 计， 并对比采用两种方案的结构在汶川地震卧龙台强 震记录( 以下简称 WL波) 原波下的楼层响应 ， 比较和 评估这两种方案的效果。 1 基础 隔震 在基础隔 震结构 的 动力模 型 可 以简 化 为单 自由 度体系的进行分析。 设 为地面水平位移 ； 为上部结构的绝对水平 位移； m为上部结构的总质量 ； 1 、 c 分别为隔震层的水 平刚度和阻尼， 该水平刚度和阻尼近似代表隔震结构 的水平 刚度和 阻尼 比。 定义 隔震结构 体系 的固有 频率 ( 3 ) 试验证明楼板的存在对环梁节点承载力提 高有很大贡献， 而且环梁节点表现 出很好 的受力性 能， 应该进一步修正有限元模型， 钢筋混凝土楼板采 用分离式模型， 深入研究带楼板节点的工作机理， 为 节点设计提出经济、 合理性建议。 参考文献 1 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 M 北京： 人民交通出版 社 。 2 0 0 3 2 钟善桐 钢管混凝土结构 ( 第三版) M 清华大学出版 社 ， 2 0 0 3 3 方小丹李少云 陈爱军 新型钢管混凝土柱节点的试验研 究 J 建筑结构学报， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 5 ) ： 2 1 5 4 李少云， 方小舟， 杨润强 广州市翠湖山庄工程钢管混凝土柱 节点足尺静载试验研究 j 土木工程学报， 2 0 0 1 ， ( 6 ) = m， 阻尼比 ：c ( 2 m w ) ， 则隔震结构的动力 反应方程可以表示为： +2 善 ： + 2 =2 考 ： g + 2 B ( 1 ) 通过传递函数的方法 ， 设 为地面的场地特征频 率， =( ) 为频率比， 可以得到隔震系统的传递 率( 豫 ) ， 或加速度反应衰减比( 。 ) 。 一 由R 的定义可以得出： 在确定场地特征频率后 ， 可以通过选择合适的隔震装置( 等效刚度 k ， 等效阻 尼 比 )调整 结构 的 固有频率 ， 从 而减小 结构在 地震 动下 的反应 。 2层间隔震 ( 1 ) 层间隔震简介。层间隔震是指隔震层设置 在结构的某一中间层的结构体系， 其优点在于结构的 大变形发生在没有障碍的空中， 也就不存在预留空间 5 翟渊军 ， 李晓芬 ， 马文亮 ， 刘东常 。 翟继红 S O L I D 6 5单元在 钢 筋混凝土结构非线性分析中的应用 J 电网与水力发电进 展， 2 0 0 7， 2 3 ( 8 ) ： 9 71 0 1 6 K r a i c i n o v i e D， S i l v a M A G S t a t i s t i c a l a s p e c t s o f t h e c o n t i n u o u s d a m a g e t h e o r y J S o l i d s S t r u c t u r e s ， 1 9 8 2， 1 8 ( 7 ) ： 5 5 1 5 6 2 7 韩林海 钢管混凝土结构 一 理论与实践 M 北京： 科学出版 社， 2 0 0 7 8 江见鲸 钢筋混凝土结构非线性有限元分析 M 西安： 陕西 科学技术 出版社 ， 1 9 9 4 9 凌育洪 ， 宋欣 实用可靠的钢管混凝土柱环梁节点 J 哈尔 滨工业大学学报 ， 2 0 0 4 ， ( 1 O) ： 1 3 7 81 3 8 1 1 0 石可钢管混凝土柱 一钢梁框架节点受力性能及承载力研究 D 合肥： 合肥工业大学 ， 2 0 0 7 收稿 日期 2 0 1 11 1 1 1 作者简介 李蔚( 1 9 8 6一) ， 女， 辽宁大连人， 硕士， 主要从 事混凝土碚构抗震等研究。