新型卯榫节点约束下的复式中空钢管混凝土柱偏心受压力学性能分析.pdf

2 0 1 5年 第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 2 Fe b r ua 1 w 新型卯榫节点约束下的复式中空钢管混凝土柱 偏心受压力学性能分析 孙 威 ， 赵 媛 ， 阎 石 ( 沈阳建筑大学土木工程学院 ， 1 1 0 1 6 8 ) 摘要 ： 提 出一种新型 卯榫 节点 ， 可解决 当前 复式 中空钢 管混凝 土构件所 面临的 问题。为考察新 型节点对 复式 中 空钢管混凝土柱 的约束效果 ， 以空心率和新型 卯榫 节点榫 头长度 为主要研 究参数 ， 开展 偏压荷栽作 用下的新型 卯榫 节点和普通节点约束下复式 中空钢管混凝土柱承 载力和侧 向挠度 的对比分析 。分析结果表 明， 与普通 节点约束相 比， 新型 卯榫 节最可以提 高复式 中空铜 管混凝 土柱的承 载力， 降低侧 向挠度 ； 构件 的空心率和节点榫 头长度对新型 卯榫 节点 约 束 效 果 影 响 明 显 。 关键词 ： 新型 卯榫节点 ； 圆复式 中空铜管混凝土柱 ； 偏压 ； 有限元 分析 Ab s t r a c t ： A n e w t y p e o f mo r t i s e a n d t e n o n j o i n t w h i c h c a n s o l v e t h e c u r r e n t p r o b l e ms o f c o n c r e t e fi l l e d d o u b l e s k i n s t e e l t u b u l a r me mb e r i s p u t f o r w a r d i n o r d e r t o r e s e a r c h t h e c o n fi n e me n t e f f e c t o f n e w o i n t T a k i n g t h e h o l l o w r a t i o a n d t e n o n l e n g t h a s t h e ma i n s t u d y p a r a me t e r s ，a c o mp a r i s o n a n a l y s i s o n t h e b e a rin g c a p a c i t y a n d mi d s p a n d e f l e c t i o n o f c o n c r e t e fi l l e d d o u b l e s k i n s t e e l t u b u l a r c o n s t r a i n e d b y mo r t i s e a n d t e n o n j o i n t a n d o r d i n a r y j o i n t u n d e r t h e e c c e n t r i c l o a d e d i s d o n e 1 h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e n e w j o i n t c a n i m p r o v e t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f me m b e r s a n d r e d u c e t h e mi d s p a n d e fl e c t i o n ； a n d i t s c o n fi n e me n t e f f e c t i s d e t e r mi n e d b y t h e h o l l o w r a t i o a n d t e n o n 1 e n g t h Ke y w o r d s ：N e w t y p e m o rt i s e a n d t e n n o n j o i n t ； C i r c u l a r c o n c r e t e - fi l l e d d o u b l e s k i n s t e e l t u b u l a r ； E c c e n t r i c a l y l o a d e d ； F i n i t e e l e me n t me t h o d 中 图分 类号 ： TU5 2 8 7 9 文 献 标识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 01 5) 0 2 4 6 0 4 O前 言 传 统 的钢 筋混 凝 土结 构 由于受 材 料 自身 限制 ， 用于高层建筑建设 时常导致结构 的“ 肥梁胖柱” ， 影 响建筑物的使用功能和使用空间 ： 而钢管混凝 土结 构因其优势受到工程界的青睐 ， 其基本原理是借助 内填混凝 土增强钢管壁 的稳定性和钢管对核心混 凝 土 的套 箍约 束作 用 ， 使 核 心混 凝 土处 于 三 向受压 状态 ， 从 而 使核 心 混凝 土 具有 更 高 的抗 压 强度 和 压 缩变形 能力 1 1 复式 中空钢管混凝土是 由两层 同心钢 管中间 浇筑混凝土所形成的结构形式。与实心钢管混凝土 相 比 它不但减轻了 自重还使截面更为开展 ， 且能 提高构件 的抗弯刚度 ， 弥补 了实心钢管混凝土用作 大长细比或荷载偏心率较大构件时的缺点闭 。复式 中空钢管混凝土柱在受 力性能上较实 心钢管混凝 土构件有所提高。近年来 ， 对钢管混凝土结构力学 性 能 的理论 与试 验研 究 已较 为 系统化 l3 - 砌 。但 是 ， 目 前 复 式 中空 钢 管 混凝 土 结 构 因 为没 有 提 出合 适 的 节点形式 并且未开展细致的研究工作等原 因未能 基金项 目： 国家 自然基金资助项 目( 5 1 2 0 8 3 1 5 ) 。 46 在工程中得到进一步推广应用。 基 于 以上 问题 ， 本文 提 出 了一 种 新 型卯 榫 节点 ( 该节 点可与复式 中空钢管 混凝 土柱及 型钢梁组 合 ， 形成具有装配式施工特点的框架结构体系) ， 采 用有限元 软件 A B A Q U S建立新型卯榫节点约束 与 普通节点约束下复式中空钢管混凝土柱模型 ， 并对 构件在偏心荷载作用下的承载力和跨 中挠度进行 对 比分 析 1新型 卯榫节 点 新型卯榫节点由榫柱和墩柱组成 ， 榫柱部分 a J 以是 实心 钢 柱 、 钢管 混凝 土或 钢管 一 钢 筋混 凝 土柱 ； 墩柱 为 外 包 钢 管 ， 管 内浇 筑 混凝 土 ： 墩 柱 的 四角设 有螺杆孔 ，用来连接复式中空钢管混凝土端板 ； 在 墩柱 的 四周 设置 拼 接板 。 用 来 与钢 梁 进行 连 接 。卯 榫结点构造如图 1 所示。 新型卯榫节 点可与带端板 的复式 中空钢管混 凝 土柱 采用 装配 式 的方式 进行组 装 。将 新型 节点 榫 柱部 分插 入 复式 中空钢 管 混凝 土 内腔 ， 端 板螺 孔 与 墩柱螺孔对正 ， 通过螺杆将节点与构件连接。墩柱 四周 的拼 接板可 与 型钢梁 进行 连接 。所 形成 的装 配 孙威 ， 赵媛 ， 阎 石新型卯榫节点约束下 的复式中空钢管混凝土柱偏心受压力学性能分析 式结构体系见图 2 。 该体系受力时 ， 主要靠榫柱和钢 管 内腔之间的紧密接触来传递水平剪力和弯矩。 图 1 新 型卯 榫 节 点 l 0 1 1 2 ( ： = _ = = 注 ： 1 节点榫柱 ： 2节 点 墩柱 ； 3拼接板 ； 4墩柱 内填 充混凝 土 ： 5墩 柱 外 钢 管 ； 6榫 柱 外 钢 管 ； 7榫 柱 内 加 劲 钢 筋 ： 8榫柱 内填充 混凝 土： 9螺杆穿 孔。 注 ： 1 O复 式 中 空钢 管 混 凝 土 柱 ： l 1端 板 ； 1 2螺杆及螺栓 ； l 3型钢 梁 ； 1 4端板 螺 孔 ： 1 5内钢 管 内 腔 。 图 2 复式 中空钢管混凝土柱 、 型钢梁与卯榫节点 的拼接 2 有 限 元模型 的 建 立 为考 察新型卯榫节点约束对 复式 中空钢管混 凝 土柱 力 学 性 能 的影 响 ， 选 取 复式 中空 钢 管混 凝 土 柱 的空 心 率 以及新 型 节 点榫 头长 度 f 作 为 主要研 究 参数 ， 对普通节点和新型卯榫节点约束下的构件力 学性 能 进行 对 比分 析 。 运用 A B A Q U S软件进行建模 ， 并作 以下假设 ： ( 1 ) 假 设 新 型 卯 榫 节 点 榫 头 部 分 刚 度 足 够 大 ， 以保证复式 中空钢管混凝土先于榫头屈服。 ( 2 ) 新 型 卯榫 节 点 的榫 头部 分 与 复 式 中 空钢 管 混凝土 内腔 紧密结合 ，二 者之间的相互 作用采用 AB A Q U S中的接触来实现。 ( 3 ) 关于复式 中空钢管混凝 土构件 的模拟 ： 不 考虑钢管与混凝土之间的滑移 ， 假设混凝土的破坏 是受 拉 开裂 和受 压破 坏 。 基于上述假设 ， 按 照试件参数 ( 见表 1 ) 建立新 型卯榫节点 和普通节 点约束下的复式中空钢管混 凝土 构 件模 型 ，并 且 对 构件 模 型 施加 偏 压 荷 载 ， 偏 心率取 0 4 。钢管和混凝土的本构关系采用文献 2 1 中 的本 构关 系 ， 即钢 管 的本 构 关 系采 用 五段 式 钢材 本构 模 型 ：混 凝 土 的本 构关 系 采 用压 混凝 土 应 力 一 塑性 应 变模 型 。模 型 中 ， 外 钢 管采 用 四节 点完 全 积 分的壳单元 ( S 4 ) ， 混凝 土和内钢管试件采用八节点 减缩积分的三维实体单元( C 3 D 8 R) 。 对于普通节点 ， 其上下盖板由刚性体模拟 。对于新型卯榫节点 ， 其 节点及与其连接的盖板采用刚性体模拟 。钢管和混 凝 土 之 间 采 用 接 触 连 接 ， 选 择 钢 管 为 主 面 混 凝 土 为从面 ，采用库伦摩擦来模拟切线方向的接触 ， 摩 擦系数取 0 2 5 截面法向行为设为硬接触 。对 于榫 头节点约束 盖板与榫头之间的连接及榫头与内钢 管之间的连接也采用此接触分析。由于几何模型和 边界条件 的对称性 ， 取 1 2进行模拟分析 ( 见图 3 ) 。 表 1 试件参数表 注 ： 为外 钢管 直径 ； t 。 为外 钢管 厚度 ； D 为 内钢 管直径 ； t 为 内钢管厚度 ； 为构件 空心率 ； L为构件长度 ； Z 为新型节点 榫头长度 ； 厶 为外钢管屈服强度 ； 为内钢管屈服强度； 混 凝 土抗压 强度 为 4 6 8 MP a 。 图 3有 限 元 分 析 模 型 3结果 分析 3 1 空 心率 的影 响 表 2为两种约束下构件极限承载力对 比数据 。 由表 2可知 ， 新型卯榫节点约束下 的构件极 限承载 力与普通约束下 的构件相 比，都有一定 幅度 的提 升 。当X = 0 5 4时 ， 新 型卯榫节点对于构件极 限承载 47 2 0 1 5年第 2 期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 6期 表 2 不 同空心率对构件承载力的影响 力的提高程度最为明显。 图 4为 不 同空 心率 下 两 种 节 点 约 束 形 式 所 对 应的构件侧 向挠度一 构件距柱底 的对比结果。图中 ram ( a ) 空心率 X = 0 3 mm ( b ) 空心率 x ： 0 5 4 0 9 0 9 0 8 0 8 0-N 0 7 毫 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 9 N= 9 8 虬 8 虬 7 7 9N 9 8 8 7 1N mm ( c ) 空心率 x = 0 7 图 4普通节点与新型卯榫节点不同空心率下 的侧 向挠 度 48 三部分 的侧 向挠度曲线分别 为构件所受荷载下 降 至 0 9 N 、 0 8 N u 和 O 7 时 所对 应 的挠 度 曲线 ( 是 构 件 的极 限 承载力 ) 。 由图 3可知 ， 相较于普通 约束 ， 不 同空心率工 况下新型卯榫节点约束 的构件侧 向挠度基本有一 定程度的降低 。表 3为两种约束下构件侧 向挠度对 比数据 ， 当X = 0 5 4时， 构件侧向挠度减小最为明显。 表 3 不 同空心率对构件侧 向挠度的影响荷载值 综合 以上 结果 可 知 ： 在新 型 卯 榫结 点 的约束 作 用下 ，复式 中空钢管混凝土柱的承载力有所提高 ， 侧向挠度有所降低。这是因为新型节点榫头部分插 入 复式 中空钢 管混 凝 土柱 内腔后 ， 改 变 了构 件 两端 的约束效应 ， 提高了构件的刚度。因此 ， 可以在一定 程度上提高构件的极限承载力 、 降低侧 向挠度。但 不 同空心率导致新型节点约束下 的复式 中空钢管 混 凝 土 柱 承 载力 的 提 高程 度 和侧 向挠 度 的降 低 程 度 有所 不 同 。在 三种 空 心率工 况 中 ， 当 X = 0 3时 ， 虽 然构件 自身的抗弯刚度大 ，但是榫头的直径较小 ， 榫头对于构件 的约束作用相对较弱 。因此 ， 对于构 件的极 限承载力提高不多 ， 也没有减小构件的侧 向 挠 度 ； 当X = 0 7时 ， 虽 然榫 头 的直 径较 大 ， 但 是 由于 构 件 自身 的抗 弯 刚度 较 低 ， 构件 的极 限 承载 力 和侧 向挠度 减小 的并 不 明显 。当X = 0 5 4时 ， 构件 的抗 弯 刚度适 中， 榫头的直径和空心率 的比例关系较为合 理 ， 新型节点榫头对构件 的作用效果最为明显。所 以 在 此工 况 下构 件 的 承载力 提 高 幅度 和 侧 向挠 度 的降低 幅度都 比较 明显 。 3 2 榫头 长度 的影 响 取构件参数空心率X = 0 5 4 、 长细 比 h = 2 8时 ， 对 比节 点 榫 头 长 度 为 0 1 3 L、 0 1 5 L、 0 1 7 L、 0 2 L、 0 2 3 L 和 0 2 5 L等六种工况下构件 的跨 中挠度和 承载力 ( 见 图 5和表 4 ) 。由图 5 ( a ) 图 5 ( c ) 可 知 ， 这六 种 工 况下 ， 0 1 3 L与 0 1 5 L的跨 中挠度相当，其余四种T 况侧 向挠度相当 ， 构件的侧 向挠度 随着榫头长度的 增长而逐渐减小 。 但是 当榫头长度大于 0 2 L时则趋 于平 稳 。 由表 4可 知 ， 榫 头长 度 f 为 0 1 3 L和 0 1 5 L 孙威 ， 赵媛 ， 阎 石新型卯榫节点约束下 的复式中空钢管混凝土柱偏心受压力学性能分析 ram ( a ) 荷 载降至 0 9 时各榫 头长度下构件 的侧 向挠度对 比图 mm ( b ) 荷载降至 0 8 儿 时各榫头长度下构件 的侧 向挠度对 比图 ram ( c ) 荷载 降至 O 7 时各榫 头长度下 构件的侧 向挠度对 比图 图 5 不 同榫 头长度约束下构件侧 向挠度对 比图 表 4榫头长度对跨 中挠度的影响 时 ， 构件 的极 限承载力相 当 ， 且所对应 的构件极 限 承载力都要高于榫头长度 为 0 1 3 L和 0 1 5 L时的极 限承载力。榫头长度为 0 2 L时， 构件承载力达到最 大值 。当构件承载力降到极限承载力 的 8 7 左右 时 。 榫头长度对构件承载力的提高作用减小 。榫头 长度 2 为 0 1 3 L与 0 1 5 L时构件的侧向挠度相 当， 榫 头长度 为0 1 7 L、 0 2 L、 0 2 3 L和 0 2 5 L时构件 的侧 向 挠度相 当。构件 的侧 向挠度随着榫头长度的增长而 逐渐减小 ，但是 当榫头长度大于 0 2 L时则趋于平 稳 。 4结论 ( 1 ) 新型卯榫节点可以在一定程度上提高复式 中空钢管混凝土柱构件 的承载力 ， 降低侧 向挠度。 ( 2 ) 构件的空心率和新型卯榫节点榫头长度是 影 响节 点 约束构 件效 果 的主要 因素 。 ( 3 ) 空心率 X = 0 5 4时 ， 新型卯榫节 点的优势 发 挥 最 为 明显 。 ( 4 ) 当构件 空心率X = 0 5 4， 榫头长度 = 0 2 L时 为最优锚固长度 。 参考 文献 ： 1 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 2 黄宏 中空夹层 钢管混凝 土压弯构 件的受力性能研究 D 福州： 福州大学 2 0 0 6 【 3 】 苏献祥 ， 邢华 平 反复荷 载作用下 矩形 中空钢管混凝 土柱 的滞 回性 能研究 【 J 】 钢结构， 2 0 1 2 ， 2 7 ) ： 1 8 2 0 4 黄宏圆中空夹层 钢管混凝土压扭构 件工作机 理研 究 J 广西大学学报： 自然科学版， 2 0 1 3 ， 3 8 ( 1 ) ： 4 2 4 7 5 王羡农， 高从超， 王 囡囡 圆中空夹 层钢管混凝 土轴压短柱 承载 力 研究 【 J 河北 工 程大 学 学报 ： 自然 科 学 版， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 1 ) ： 2 0 24 【 6 J6 王铁 成， 张磊 钢管混 凝土柱抗 震性能参数 影响分 析【 J 】 建 筑结构学报， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 增刊 ) ： 3 3 9 3 4 4 【 7 】K o j i r o U e n a k a , Hi r o a k i K i t o h M e c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e fi l l e d d o u b l e s k i n t u b u l a r c i r c u l a r d e e p b e a m s J T h i n - Wa l l e d S t r u c t u r e s ，2 0 1 1 ,4 9 ( 2 ) ： 2 5 6 - 2 6 3 8 】 马淑芳， 郭红香， 赵均海， 等 复式钢管混 凝土偏压柱试验 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 3 7 ( 1 2 ) ： 2 8 3 0 9 周嫒 中空夹层 复式钢管混凝土柱承载力研 究 D 西安： 长 安 大 学 ， 2 0 0 9 1 0 】Q i n g Y u ， Z h o n g Y a o ， Y i n g - X i n g Wu E x p e r i m e n t a l b e h a v i o r o f h i g h pe r f o r ma nc e c o n c r e t e -f i l l e d s t e e l t u bu l a r c o l u mn s J T h i n - Wa l l e d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 8 ， 4 8 ( 4 ) ， 3 8 2 - 3 7 0 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 2 4 作者 介绍 ： 孙威 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 副教授。 通讯地址 ： 沈 阳市浑南东路 9号沈 阳建筑大学 联系 电话 ： 1 5 0 4 1 2 1 2 5 9 9 E -ma i l ： l gl 31 5 1 2 6 c o r n 49