螺栓连接钢管混凝土节点及框架力学分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 2期( 总第 2 1 0期 ) DOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 1 2 0 3 2 螺栓连接钢管混凝土节点及框架力学分析 高升 ， 王颖 ( 沈阳工业大学建筑与土木工程学院 。 沈阳1 1 0 8 7 0) 【 摘要】 利用有限元软件 A B A Q U S 对螺栓连接的钢管混凝土节点和单层单跨框架进行有限元计算研究。 确保钢管混凝土在 A B A Q U S中建立模型的正确性， 本文首先对钢管混凝土梁柱节点进行了模拟， 并与其试验相对 比， 以确保材料的本构模型、 计算模型、 接触面定义等基本参数输入的正确性； 在此基础上， 利用 A B A Q U S对螺栓 连接的单层单跨钢管混凝土框架进行单调加载与循环加载， 通过分析钢管混凝土框架梁端的荷载一位移曲线 ， 阐 明钢管混凝土框架力学性 能。 【 关键词】 节点； 框架； 有限元分析； 轴压比； 力学性能 【 中图分类号】 T U 3 7 5 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 9 0 0 3 钢管混凝土能适应现代工程结构大跨、 高耸、 重载 发展和承受恶劣条件的需要， 符合现代施工技术和工 业化要求 ， 因此正在被越 来越广 泛 的应 用 。这种结 构能够充分发挥钢材和混凝 土各 自的优点 。本文所研 究的螺栓连接钢管混凝土结构， 钢管是通过螺栓和法 兰板施加预紧力连接在 一起 ， 然后浇 筑 自密 实混凝 土 所形成的结 构。在设计 构 件时遵 循 “ 强 柱弱梁 ， 强 节 点弱构件” 的原则 ， 钢材 采用 Q 2 3 5低碳 钢 ， 混 凝土 采 用 c 3 o ， 螺栓采用了 l O 9级的高强螺栓。通过对梁柱 截面 的线刚度的控制 ， 在 梁破坏 时 ， 柱未发 生破 坏 ， 螺 栓处于弹性阶段 。 1 有限元模型建立 | 0 图1钢材的三折线模型 ( 1 ) 钢 材本 构关 系 。钢 材 的弹性模 量均 取 2 0 61 0 MP a 。由于螺栓是 1 0 9级的高强螺栓， 其 本构 关 系 采 用 了 三 折 线模 型， 强 化段 的模 量 取 0 0 1 E ， E 为钢材的弹性模量 ； 钢管和法兰板的应力 一 应变曲线采用三线模型， 如图 1所示。此模型虽然 简化 了二次 塑流模 型 五 阶段 曲线应 力 一应变 的 过 程 ， 但由于钢材 Q 2 3 5延性比较好， 三折线模型还是能 很好地反映钢材应力 一应变过程。 ( 2 ) 混凝土本构关系。由于钢管的约束作用， 混凝 土处于三 向受压状 态 ， 所 以选用 考虑混凝 土塑性 体积膨胀的 D r u c k e r P r a g e r 计算模型， 膨胀角可人为指 定 为 2 4 4 。本文定义弹性 段时需首先 确定弹性 极 限点 =1 3 f c ， 关 于定 义 混 凝 土应 力一应 变 关 系， 本文选用了刘威 所提出的应力一应变关系 。 ( 3 ) 构 件尺寸 、 接触定 义 和 网格 划分 。节点 在 A B A Q U S中输人的尺寸是根据试验确定的， 钢管厚度 均为 6 m m， 柱 的截 面尺寸为 ： 2 5 0 m m 2 5 0 m m， 梁 的截 面 尺 寸 为 ： 1 5 0 m m 2 5 0 m m 。 节 点 高 1 5 6 4 m m， 宽 1 4 1 4 m m， 如图 2所示 ； 框架尺寸为 ： 柱高 1 5 3 4 m m， 梁 长 1 1 2 4 m m， 如 图 3所 示 。本 文 的接触 在法 向均 采用 硬 接触 ； 切向混凝土与钢材的摩擦系数设为 0 6 ， 钢材与 钢材 的摩擦 系 数设 为 0 2 。模 型 中钢 管 选 用壳 单 元 ( S 4 R)， 其它均选用实体单元( C 3 D 8 R ) 。 图2节点模型 图3框架模型 图4 节点循环加载控制 高升等 ： 螺栓连接 钢管混凝士节点及框架力学分析 91 ( 4 ) 加载方式及边界条件定义。节点与框架均 在梁端进行加载 ， 节点在梁端施加竖 向荷载 ， 框 架在梁 端施加水平荷载； 节点与框架的循环加载， 采用图4的 加载方式； 框架的单调荷载的作用， 采用位移加载方 式 。对于节点模型 ， 柱底 除垂直于 梁柱平 面 的角位移 外其方向的自由度全部约束， 柱顶除竖向和垂直于梁 柱平面的角位移不外其余 自由度均约束， 梁端不添加 任何约束 ； 框架的模拟 ， 柱底全约束， 柱顶除沿梁方 向的线位移外其余均约束 ， 梁端不添加任何约束 。 2 节点有 限元模拟结果与试验的对 比分析 钢管混凝土梁柱节点模拟 ， 参照试验 ， 轴压 比选取 。 图5试验获得的滞回曲线 ( 2 ) 骨架 曲线 的对 比。骨架 曲线是连 接各次 循 环加载峰值点的曲线 。如图7所示 ， 模拟与试验的 骨架曲线在第一象限十分相近， 在第三限略有偏差， 不 过均在允许的范围之内。这是 由于模拟为理论计算， 而在实际构件中， 由于有焊缝的存在 ， 会降低构件的承 载力 ， 同时， 试验的器具、 环境以及人的操作都会引起 实验 结果 的误差 。 1 ： B V hI 、 圜 。00 。 I = 茧验 ： 1 0 0 。 加一 1 0 2 O 3 0 4 位 - 一3 0 0 图7模拟与试验的骨架的对比 综上， 可以看出， 钢管混凝土节点有限元的模拟与 试验基本吻合， 其模拟的基本参数， 可以用在钢管混凝 土框架的有限元模拟计算。 3 钢管混凝土框架的有限元模 拟 节点的选取是根据框架的反弯点位置确定 的尺 寸， 钢管混凝土框架尺寸的确定是假设节点是选取的 中间节点而进行反 推出来 。 0 3 ， 在梁端施 加低周期 循环荷 载 ， 通过 A B A Q U S有 限 元模拟计算 ， 把节点模拟的滞回曲线、 骨架曲线和破坏 现象等与试验对比分析 。 ( 1 ) 梁端荷载 一 位移滞回曲线的对 比。滞回曲 线能够反 映构件在往 复荷 载作 用下 的力学 性能 ， 是 衡 量抗震性能 的重要指标 。如 图 5 、 图 6所示 ， 试验 与模 拟的的结果对比， 荷载一位移曲线可以看出试验与模 拟的峰值点虽有所偏差， 但相差不大。模拟与试验的 偏差， 主要是由于实际试验事件的钢管存在焊缝， 在焊 缝处力学性能不稳定造成 的。 饲f 霉 14： N 3 0 o E 卜 麓 图6有限元模拟获得的滞回曲线 ( 1 ) 不 同轴压 比下 的梁端 水平荷 载 一水平 位移 曲线。轴压比是指施加在柱顶轴压力值与柱可承载的 极限压力值的比值， 如图 8 所示 ， 钢管混凝土框架随着 轴压比增大， 其水平承载力反而会减小， 强化阶段的刚 度也会减小。当轴压比小于0 3时， 轴压比的改变 ， 对 曲线的影响并不明显。当轴压比较大时， 构件的水平 承载力会明显下降。这是因为轴压比较大时， 会引起 柱底钢管的鼓曲， 从而降低钢管对混凝土的约束作用。 6W 6 o 0 4 O O 2 o 0 位移 ， m m 图8不同轴压比对钢管混凝土框架荷载一 位移曲线的影响 ( 2 ) 荷载 一 位移滞 回曲线。滞 回曲线是结构在 循环往复荷载作用下得到的荷载 一位移曲线， 钢管混 凝土梁端滞回曲线如图 9 所示 ， 它呈现明显的梭形 ， 形 状饱满， 这就说明钢管混凝土框架结构具有 良好的塑 性变形 性能 、 抗震性 能以及耗 能能力 。 亳I ， 挺 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 2期 ( 总第 2 1 0期 ) ， K l 6 0 o 。 图9钢管混凝土框架梁端水平荷载一 位移滞回曲线 ( 3 ) 骨架 曲线 。骨架 曲线是各次循环加载的极 6UU z 6 0 0 - 4 0 0 2 0 O D - 4 0 2 0 I l 2 0 4 0 6 一 2 0 0 位移 mm 4 0 0 o 值点依次相连而得， 它是一种包络曲线。骨架曲线能 很大程度反映构件强度、 刚度、 延性和耗能性等各个阶 段 的受力和变形特征 。从骨架 曲线上 看 ， 钢管混 凝土 框架的梁端屈服荷载在 4 5 0 k N左右 ， 极限荷载大约在 7 0 0 k N。弹性阶段 ， 骨架 曲线近似为过原点的直线。 随着加载次数的增多和施加 荷载 的不断增大 ， 构件进 入弹塑性阶段， 塑性变形不断增大 ， 造成骨架曲线逐渐 趋于水平 。 ( 4 ) 强度 及 刚度 退化 曲线 。在 弹性 阶段 ， 框架 的强度刚度退化现象并不显著 ， 随着荷载的不断增加， 强度退化趋于明显。框架的刚度在刚开有了下降的趋 势 ， 这是由于混凝土进入了塑性阶段 ， 刚度有所下降。 - - f 0 8 t 。 6 0 。 2 4 ， - I n - 5 4 3 2 一l 0 1 2 3 4 5 图1 0钢管混凝土框架骨架曲线 图l 1 强度退化曲线 4结语 ( 1 ) 利 用 A B A Q U S对钢管混凝 土梁柱节点进行 有限元分析， 其结果与试验基本吻合， 表明所选用的钢 材 的三折线 模 型、 混凝 土 的刘 威 本 构模 型 、 D r u c k e r P r a g e r 计算模型、 屈服点 的选定和接触定义等较为合 理， 所建立的有限元分析模型较为准确， 可以进一步用 在钢管混凝土框架试件的模拟分析上。 ( 2 ) 有限元模拟结果显示， 随着钢管混凝土框 架轴压 比的增 大 ， 框架 的水平 承载力和强 化 阶段 的 刚 度都会下降。当轴压比小于 0 3时， 轴压比的改变， 对 框架水平承载力和强化 阶段 的刚度影 响不 大 ； 当轴压 比超过0 3时， 轴压比的改变 ， 对框架的水平承载力和 强化阶段 的刚度 的影 响较大 。 ( 3 ) 螺栓连接 钢管混凝 土框架 ， 梁 端水平 荷载一 位移滞回曲线饱满 ， 抗震性能良好； 强度在弹性阶段退 化不显著， 弹塑性阶段退化显著； 刚度退化较显著。 参考文献 1 韩林海 ， 杨有福 现代钢管混凝土结构技术 M 北 京 ： 中国 A A 图1 2刚度退化曲线 建筑工业 出版社 ， 2 0 0 7 2 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结构设计规范 s 3 韩林海 钢管混凝 土结构一理论与实践 M 北京 ： 人 民交通 出版社 2 0 0 4 4 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 ， 2 0 0 9， ( 6 ) ： 1 1 61 2 1 5 聂建 国， 王宇航 A B A Q U S中混凝土本构模型用于模拟结构静 力行为的比较研究 J 工程力学， 2 0 1 3 ， ( 4 ) ： 5 9 6 7+ 8 2 6 刘威 钢管混凝土局部受压时的机理研究 D 福州 ： 福州 大 学 2 0 0 5 7 张冬芳 复式钢管混凝土柱 一钢梁节点力学 性能研究 D 西安 ：长安 大学， 2 0 1 3 8 王文 达 钢 管 混凝 土柱 一钢 梁 平面 框架 的力 学性 能 研究 D 福州 ： 福州大学 ， 2 0 0 6 9 李淼 新型方钢管混凝土梁柱节点抗震性 能分析 D 沈阳： 沈 阳工业大学 ， 2 0 1 4 1 0 韩林海， 杨有福现代钢管混凝土结构技术 M 北京： 中国 建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 1 1 王杜 良 抗震 结构 设计 M 武汉 ： 武汉理 工大 学 出版社 ， 2 O O1 收稿 日期 2 0 1 5 0 91 4 作者简介 高升( 1 9 8 7 一) ， 男， 河南滑县人， 硕士研究生 研究方 向 ： 钢混组合结构。