局部钢管混凝土柱半刚性节点性能研究.pdf

7 8 低温建筑技术 2 0 1 1 年第3期( 总第 1 5 3 期) 局部钢 管混凝土柱半刚性节 点性 能研究 姜延宏 ， 张天德 ， 胡彦飞 ， 陈文 ( 1 杭州高新技术产业开发总公司， 杭州3 1 0 0 5 3 ； 2 浙江祥生房地产有限公司， 浙江绍兴3 1 0 0 0 2 ； 3 城市建设研究院福建分院。 福州3 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】 通过足尺试验和有限元模拟分析研究半刚性连接节点的弯矩和相对转角之间关系。通过试验得 到了描述这些试件弯矩和相对转角之间关系的数据、 试件的初始刚度及极限承载力。利用有限元软件 A N S Y S对 试验的二组半刚性节点试件进行了有限元模拟分析， 考虑了材料和几何非线性。 【 关键词】 矩形钢管混凝土； 梁柱半刚性节点； 非线性有限元 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 7 8 0 3 钢管混凝土结构在国内外高层建筑中悄然兴起 ， 成为高层建筑结构体系中的重要形式。随着组合结构 的不断发展， 方钢管混凝土柱以其稳定承载力高， 节点 构造简单、 连接方便、 抗弯性能好和不低于圆钢管混凝 土的耐火性能等优点而 13 益受到工程界的重视。但迄 今为止， 有关钢管混凝土节点工作性能的研究国内外 开展尚不多， 可供选用的节点类型不多， 还没有专门的 设计计算方法， 在进行高层建筑受力分析时主要借用 钢结构的有关参数 ， 这 自然是不合理的。与钢筋混凝 土结构相 比， 钢管混凝土结构具有优越的抗震性能， 为 了合理而安全地在地震区推广这类结构 ， 对方钢管混 凝土结构抗震性能的研究就显得尤为重要。 1 节点模型试验 梁柱节点构造分为二种： 第一种为梁柱穿芯螺栓 N 呵 l | 5 ， 浇 1， 、 一 r一 一 乙 叮 v v u N - ， r n 一 1 n I ： ， 1 n ， 巷 _ ，一” 一 加劲端板连接节点 B C J 。 1 ， B C J - 2 ， 先将钢梁用螺栓 连接在端板上 ， 再通过穿心高强螺栓连接于柱上； 第二 种是常规螺栓连接 ( B C J - 3 ， B C J - 4 ) 节点， 钢梁翼缘与 柱用螺栓连接 ， 腹板与竖向剪切板螺栓连接。B C J 3 和 B C J 4为 目前 常用 的 H型柱、 梁端外伸端板节点 ( B C J - 3在节点处设加劲肋， B C J -4未设加劲肋) 。 表 1 4个试件的试验尺寸t r i m 图1 初级数据 B C J 1 模型试件的钢管混凝土内部浇捣 C 4 0混凝 土， 设计配合比( 重量比) 为 ： 水泥、 水、 砂、 碎石 =1 ： 0 4 4 ： 1 2 2 ： 2 4 7 ， B C J 2 模型试件的钢管混凝土内部浇 1 ， 一 ， 1 ,- 17 耐， n 一 1 ： J I ， n 2 0 ， - 一 ul ， r N t T - W i t ! 捣 C 2 0混凝土， 设计配合比( 重量 比) 为： 水泥、 水、 砂、 碎石 =1 ： 0 5 2 ： 1 1 9 ： 2 3 7 ， 同时掺加一定量的微膨胀 剂。浇捣混凝土过程中注意振捣 ， 保证混凝土的密实 姜延宏等： 局部钢管混凝土柱半刚性节点性能研究 7 9 性。浇捣钢管混凝土的同时制作混凝土标准试块， 数 量按混凝土材料检测标准进行 ； 养护条件保证与钢管 混凝土的养护条件的一致性。担2圆钢涂油穿孔， 混 凝土终凝后抽出， 形成螺栓孔。 实验在 MT S多向动力加载系统上进行， 两只加载 器同步加载， 荷载图式为三角形波形， 循环荷载的第一 级荷载为 6 0 k N， 其余各级荷载峰值的级差均为 1 5 k N， 拟静力试验加载方案。 循环荷载作用下梁端的位移由位移传感器采集， 采集频率为 1 0 0次 s 。每级位移增量 MT S系统持荷 时间为3 ra i n ， 然后进行应变数据采集约 2 m i n ， 加载速 率为 l k N s 或 0 0 5 m m s 。实测的局部填充混凝土钢 管柱节点的力一梁端位移滞回曲线见图 1 。 2 有 限元模拟分析 对梁柱构件、 螺栓都用 S O L I D 4 5单元来建立模 型， 其中的柱、 螺栓、 端板间存在大量的接触区， 采用覆 盖于 S O L I D 4 5实体单元表 面的三维 8结点的 C O N T A 1 7 4高阶四边形单元和三维 4结点 T A R G E 1 7 0目标 单元来定义接触对 ， 对端板和柱间进行接触模拟 ， 忽略 螺栓 与孔 壁 之 间 的 接触。高 强 螺 栓 预拉 力 采 用 P R E T S 1 7 9单元来施加预拉力。混凝土采用 S O L I D 6 5 单元( 八节点 3 D体单元) 。几何模型见图2 。 图2 B C J 一 1 构件A N S Y S 建立的几何模型 3 数 据整理与分析 整理试验及结果可得到各组试件 的 一0 曲线 如图 3 所 示 。 Z 一 -BCJ 一1 _ -BCJ 一 2 图3 B C J 1 ，B c J 2 的j l f 一 曲线 进一步分析 比较了各个节点的 M一0 ， 试验数据 和有限元模 拟数据 ， 并 且利用试 验数据对 K i s h i 和 C h e n的幂函数模型进行了拟合 ， 其幂函数形式为： M 1 0 一 F T R 1 M M “ ( ) ” “ 式中， R i 为连接初始刚度； 为连接的极限弯矩 承载力 ； n为曲线的形状参数。 +B C J - 2 实验数据 +B C J - 2 A N S Y S 效据 +拟合数据 图4 B C J 2 M - O 曲线比较 由图 3和图4可以得出J D 1 有限元模拟的M一 0 的初始刚度为 2 1 4 2 8 k N i n r a d ， 极限弯矩为 1 6 5 8 k N n l 。从图中可以看到， 有限元 M一 0 的曲线的转折点 和试验的 M一 0 ， 曲线的转折点相当接近， 但有限元模 拟的 M一0 曲线 的初始刚度和极限弯矩均比试验数 据大。拟合曲线与试验数据吻合得相当好 ， 参数 r , 为 1 5 6。 从以上结果可以看出， 模拟的初始刚度和极限荷 载大多比试验值偏大 ， 主要原因有如下几点： ( 1 ) A N S Y S模拟的钢材采用的是理想 的弹塑 性， 没有考虑材料的强度破坏。在 A N S Y S模拟中随着 荷载( 位移 ) 的增加 ， 梁翼缘会逐步屈服， 屈服面向远 离端板的区域扩展 ， 这就会导致极限荷载增加。 ( 2 ) 模型没有考虑截面削弱， 试验现象中节点 最后破坏大部分都是端板被拉开了， 这些都导致了模 拟的误 差 。 4结论与探讨 ( 1 ) 从试验可看出， 对于不同节点连接形式 ， 节 点刚度具有很大的区别， 显然局部填充混凝土梁柱节 点的刚度要大于常规的H形柱， 梁端外伸端板节点。 ( 2 ) 从各节点破坏模式来看 ， 大部分节点 T形 连接屈服 而破 坏 ， 梁和柱 的屈服 比较小 ， 说 明在局部填 充混凝土梁柱节点中 T形连接件是一个薄弱环节， 在 设计中要对 T形连接件的受力情况要充分重视。 ( 3 ) 从试验的 M一0 曲线来看， 方钢管中填充 的混凝土的强度大小对节点的性能影响不大。 ( 4 ) 通过有限元模拟分析得到的节点初始刚度 和极限弯矩虽有点偏大， 但结果还是比较令人满意的。 ( 5 ) 刚架梁通过 T型钢连接件与局部填充混凝 土方管柱连接是一种可靠、 有效的连接形式 ， 节点的延 性和耗能能力优于传统的刚架梁通过梁端封板与刚 架柱连接的节点形式 ； 在多层框架钢结构体系中， 方形 钢管柱是一种截面材料分布合理、 施工方便的构件， 梁 与柱可通过 T型钢连接件和长高强螺栓紧固件达到刚 一 低温建筑技术 2 0 1 1 年第3期( 总第 1 5 3期) 水泥稳定碎石干缩应变 B P网络预测模型 李侠， 耿敏， 张永芳 ( 河北工业大学 土木工程学院 。 天津3 0 0 1 8 0) 【 摘要】 采用三层 B P神经网络对水泥稳定碎石和聚丙烯纤维水泥稳定碎石的累计干缩应变建立 了预测 模型， 通过对干缩性能试验数据进行网络训练， 得出 B P网络模型训练效果较好； 为了检验网络的推广能力， 采用 测试样本对网络进行了测试 ， 并分析了目标值与仿真值的线性相关性 ， 结果表明网络预测效果较好 ， 用 B P网络模 型预测水泥稳定碎石的累计干缩应变是可行的。 【 关键词】 水泥稳定碎石； 累计干缩应变； B P 神经网络； 预测模型 【 中图分类号】 T U 4 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 8 0 0 3 随着半刚性基层在我国公路建设 中的广泛使用， 其缺点也逐渐显现出来， 主要表现为半刚性基层抵抗 温缩和干缩性能较差 ， 容易产生收缩裂缝 ， 在车辆荷载 和环境因素的作用下 ， 裂缝会延伸至路面面层 ， 使路面 结构的承载能力降低， 路面使用寿命缩短， 因此对半刚 性基层抗裂性能的研究一直是我国公路研究的重点。 由于半刚性基层收缩性能试验周期较长， 且需要大量 的人力、 物力资源， 针对这一问题， 本论文采用 B P网 络模型来预测水泥稳定碎石在不同龄期、 不同失水率 下的累计干缩应变。 1 B P神经 网络 B P ( B a c k P r o p a g a t i o n ) 网络是一种应用最为广泛 的神经网络， 它是由 D E R u m e l h a r t 和 J L Mc C l e l l a n d 于 1 9 8 6年提出的， 是一种基于误差反向传播的多层神 经网络 。B P网络神经元采用单调递增可微的传递 函数， 可以在输入数据与输 出数据之间实现任意非线 性映射， 因此它在实际中得到广泛应用。 B P神经网络结构通常由输入层、 隐层 ( 一层或多 层) 和输 出层组成 ， 各层可以为一个或多个神经元。 B P网络是一种具有指导学习的网络， 它依靠调节各层 节点的权值和阈值来“ 记忆” 各学习样本。通过对大 量样本的学习将样本的输入与输 出的非线性映射关 系反映出来。B P网络算法 由信息的正向传递和误差 的反向传播两部分组成。在正向传播过程中， 输入信 息从输入层经隐含层计算传向输出层， 每一层神经元 的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输 出层没 有得到期望的输出， 则计算输出层误差变化值， 然后 反向传播， 通过网络将误差信号沿原来的连接通路反 传回来修正每层神经元的权值，直至达到期望 的 目 标 。 2 累计 干缩应 变的 B P网络模型 2 1 模型的建立 图 1 B P网络结构图 ( 1 ) 网络结构的选定 ： 选取表 1中的 1 8组数据 作为训练样本。将龄期、 累计失水率作 为累计干缩应 变的影响因素 ， 因此输入层节点数为2 ， 传递函数选为 t a n s i g函数； 输出层节点数为 1 ， 传递函数选为 p u r e l i n 性连接， 可应用于实际工程 ； 设计和计算中应考虑节点 的半刚性性能。 ( 6 ) 提出了工程实用公式， 结合实验， A N S Y S 模 拟以及工程实际的应用， 可供设计人员参考。 参考文献 1 沈之容， 蒋涛 矩形钢管混凝土结构的经济性分析 J 特种 结构， 2 0 0 1 。 1 8 ( 4 ) ： 1 4 2 吕西林， 等 方钢管混凝土结构应用技术研究 J 建筑施工， 2 0 0 0 ， ( 3) ： 4 85 4 3 张素梅， 张大旭 钢管混凝土柱与梁节点荷载 一位移滞回曲线 理论分析 J 哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 1 ， 3 4 ， ( 4 ) 4 樊海涛， 周绪红 T 型矩形钢管混凝土受压节点性能研究 J 湖南大学学报， 2 0 0 2 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 0 5 1 0 9 收稿日期 2 0 1 0一 l 1 一 o 4 作者简介】 姜延宏( 1 9 6 7 一) ， 男， 河北沧州人， 硕士， 高级工 程师、 一级注册结构师， 从事建筑结构设计、 技术 管理工作。