带有芯钢管的钢管混凝土节点核心区竖向承载力分析.pdf

52 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 5 2 0 3 带有芯钢管的钢管混凝土节点核心区竖向承载力分析 卜永红 ， 王毅 红 ( 长安大学 建筑工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ) 摘要： 基于带有芯钢管的钢管混凝土节点承载力试验研 究结果， 运用有限元软件 A N S Y S建立带有芯钢 管的钢管混凝土节点核心 区有限元分析模型 ， 进行节点竖向承载力数值分析， 与试验结果进行 了对比， 并 对影响 钢 管混凝 土节点核 心 区承 栽 能力的 因素进 行 了分 析 。研 究结果 表 明 ： 有 限元模 型 计算 所得 极 限 承栽 力与试 验 实测结果 吻合较 好 ； 混凝 土强度 、 芯钢 管 强度 、 外 围纵筋 和 箍 筋的 强度 均对 节 点核 心 区 的竖 向承 载 力影响较 大。 关键词 ： 钢管混凝土 节点 极限承载力 有 限元分析 中图分类 号 ： T U 3 7 5 3文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 5 1 6 文献 1 4 提 出一种 新 型钢 管 混凝 土 柱一钢 筋 混 凝土梁节点。该种节点在节点区全部或局部中断外钢 管 ， 使钢筋混凝土梁中的钢筋在节点内直通 ， 在节点区 设置芯钢管、 环箍和竖 向短钢筋加强节点。试验结果 表 明 ： 粱 、 柱 破 坏 先 于 节 点 破 坏 ， 试 件 满 足 “ 强 节 点 、 弱构件” 的抗震设计原则。文献 5 利用 4个带芯 钢管的钢管混凝土残节点试件 ， 再次进行试验 ， 研究节 点 的破坏 过程 、 破 坏形 态 和 受 力性 能 。本 文在 已有 试 验研究的基础上 ， 采用 A N S Y S有限元软件 ， 对影 响钢 管混凝土节点核心区承载能力的因素进行数值分析 ， 为此类节点的工程设计提供参考 。 1 试验概况 文献 1 4 中4个带芯钢管的钢管混凝土节点试 件在第一次梁端加载试验中， 与节点相连的梁、 柱均已 破坏 ， 但节点核心 区基本完好 。文献 5 截去上下钢 管混凝 土 柱 ， 以露 出节 点 区 竖 向短 钢筋 而 未 露 出芯 钢 管为截断标准。试件 J D 2 A尺寸及配筋见图 1 ， 其它 试件节点构造相似， 试件特征参数及材料强度见表 1 。 对截 取 的带芯钢 管 的钢 管混凝 土节 点核心 区施加 竖 向 荷载。具体试验设计 、 试验现象、 试验结果分析等见文 献 5 。 8 9 x 2 5 5 x 4： 12 妒 。 芯 3 s 钢 管 5 o 基 l 1墨 8 3 0 表 1 试件特征参数及材料强度 图 1 J D 一 2 A尺寸及配筋 ( 单位 ： m m) 注- L为屈服强度， f u 为极限强度。 收稿 日期： 2 0 1 2 1 1 2 6 ； 修 回15 t 期 ： 2 0 1 3 一 O 1 0 8 基金项 目： 陕西省 自然科学基金项 目( 2 0 0 6 E 2 0 8 ) 作者简介：I- 永红 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 陕西白水人 ， 工程师 ， 博士研究生 。 2 参数选取及模型建立 2 1 本 构 关 系选 用 考虑 到节点残 余 的梁对 芯钢管 内混凝 土承 载能力 2 0 1 3年第 5期 b 永红等 ： 带有芯钢管的钢管混凝土节点核心区竖 向承载力分析 5 3 的影响很小， 在建立 有限元分析模型时将其去掉。芯 钢管内部的混凝土在竖向荷载和芯钢管的侧 向约束作 用下处于三向受压状态 ， 采用文献 6 给出的钢管混 凝土 本构 关 系 。节 点核 心 区的环 形箍 筋柱部 分 的混凝 土受到的是竖 向轴力和环形箍筋 的侧 向约束作用 ， 也 处于三轴受压状态 ， 但是环形箍筋对 于核心混凝土的 约束 作用 不 如 钢 管 ， 采 用 文 献 7 给 出 的 约 束 混凝 土 的本构关系。破坏准则采用 Wi l l a m- Wa r n k e五参数破 坏 准则 。钢材 是理 想 的弹塑 性 材料 ， 服 从 V o n - Mi s e s 屈 服 准则 ， 考虑 包兴 格效 应 ， 采 用 运动强 化模 型 和混合 强 化模 型 。 2 2模 型建 立 采用 A N S Y S单元库 中 S o l i d 6 5单元模拟混凝土单 元 ， 采用 L i n k 8模拟钢筋单元 ， 钢管采用八节点实体单 元 S o l i d 4 5单元模拟。在混凝土与钢管的接触 面上设 置 面一 面接 触单 元 冈 0 性 面 ( 亦 即钢 管 的某 一 面 ) 被 当 作“目标”面 ， 用 T a r g e 1 7 0来模拟 ， 柔性面 ( 亦 即混凝 土 的某一面) 被当作“ 接触” 面 ， 可用 C o n t a l 7 1 来模拟。 T a r g e 1 7 0单 元 和 C o n t a l 7 1单 元 通 过 共 享 一 个 实 常 数 号 形成 “ 接 触对 ”， 用 以模 拟 钢管 和 混 凝 土 间在 加 载过 程 的接触 和脱 离 ， 两 者之 间 的摩擦 系数 取 0 4 4 。 采用人工控制单元边长 的方法控制单元尺寸 ， 对 模 型进行 网格 划分 ， 钢 筋 及 钢 管单 元 网格 划 分 后 的模 型如图 2所示。有限元模型的约束条件和荷载按实际 情 况 输入 ， 对 坐标 面 z =0上设 置 一 刚性 底 座 ， 对底 座 上节点在 ， Y ， 方向上施加平 动和转动 自由度 约束 ， 耦合柱顶面所有节点 z方 向的平移 自由度 ， 保证 方 向 的变形 始终 相等 。 图 2模 型 钢 筋 及 钢 管 单 兀 网格 划 分 3 结 果 分 析 3 1 有 限元 计算 结果 与试验 结果 对 比 节 点模 型 有 限 元 计 算 结 果 与试 验 结 果 对 比见 表 2 。从表 2可见 ， 四个模型的计算结果与试验结果吻合 较好 ， 表 明数值分 析参 数选 取 、 模 型建 立及加 载计 算正 确， 模型有限元分析能较准确地计算 出带芯钢管的钢 管混凝 土 节点核 心 区的竖 向承 载能 力 。 表 2 有限元计算结果与试验结果的对 比 3 2极 限承载 力影 响 因素分 析 3 2 1混 凝 土 强 度 以 HD 一 4作为参考模 型( 模型参数见表 3 ) ， 只改 变混凝土强度 ， 其余参数不变， 建立 5个有限元模型进 表 3有 限元计算模 型参数 行数值分析。分析结果见表 4 ， 混凝土轴心抗 压强度 与钢 管混 凝 土节点 核 心 区的竖 向极 限承 载力关 系 曲线 见 图 3 。 由图 3可得 ： 在一定范围内改变混凝土强度 ， 钢管 混凝 土节 点 核心 区的 竖 向极 限 承载力 随混 凝土 强度 增 加 而增长 ， 基 本是 线性 关 系 ， 并且 增加 较快 。 3 2 2箍 筋 强度 以 G D 一 3作为参考模型 ( 模型参数见表 3 ) ， 只改 变箍筋强度 ( 等同改变箍筋配 置) ， 其余参数不变 ， 建 立 5个有限元模型进行数值分析。分析结果见表 5 ， 箍筋强度与钢管混凝土节点核心区的竖向极限承载力 关 系 曲线 见 图 4 。 表 4不 同混凝土强度模型有限元计算结果 由图 4可得 ： 在一定范 围内改变箍筋强度或箍筋 配置 ， 钢管混凝土节点核心 区的竖向极 限承载力 随箍 筋强度增加增长缓慢 ， 表 明箍筋强度或箍筋配置对节 点 核心 区竖 向极 限承载 力 的影 响相对较 小 。 5 4 铁道建筑 表 5不 同箍筋强度模型有限元计算结果 3 2 3芯钢 管强度 以 X D 5作为参考模型 ( 模 型参数见表 3 ) ， 只改 变芯钢管强度 ( 或改变 芯钢管厚度) ， 其余参数不变 ， 建立 5个 有 限元 模 型 进 行 数 值 分 析 。分 析 结 果 见 表 6 ， 芯钢 管强 度与 钢管混凝 土节 点核 心 区竖 向极 限承 载 力关 系 衄线 见 图 5 。 图 3 混凝 土强度一节点核心区 竖 向极 限承载力关系曲线 4 结论 暴 莲 辎 表 6 不 同芯钢管强度模型有限元计算 结果 由图 5可 得 ： 芯 钢管强 度 ( 或 芯钢 管 厚度 ) 对 钢 管 混 凝土 节点核 心 区竖 向极 限承载 力 的影 响规 律与混凝 土 强度 的影 响规律相 近 。即在一 定范 围 内改 变芯钢 管 强度 ( 或芯钢 管厚度 ) ， 钢 管混 凝 土节 点核 心 区的竖 向 极 限承载力 随 芯 钢管 强 度 ( 或 芯钢 管 厚 度 ) 增 加 而 增 长 ， 基本 是线 性关 系 ， 并且增 长较 快 。 图 4 箍筋强度一节点核心区竖向 极 限承载力关系 曲线 1 ) 对 4个残余节点试件建立三维实体模型 ， 选择 材料 的本构关系、 破坏准则， 确定模型的约束条件、 加 载模式 ， 分析了残余节点试件在竖向荷载作用下 的受 力 性能 。通 过 对 数值 计算 结 果 与试 验结 果 的 对 比分 析 ， 验证了数值分析参数选取、 模型建立及加载计算的 的正确性 。 2 ) 模型受力过程 的数值分析结果 与试验结果一 致表明： 钢管混凝土节点核心 区各组成部分直接承受 外荷载 ， 从加荷之初到破坏 ， 芯钢管内混凝土、 芯钢管、 外 围纵 筋 、 外 围箍筋 及 外部 混 凝 土各 部 分 的应力 同步 增长 ， 节点破坏时， 节点核心区各组成部分均充分发挥 了作用 。 3 ) 对影 响 带 芯 钢 管 的 钢 管混 凝 土 节点 核 心 区竖 向极限承载力 的因素进行 了分析 ， 表明混凝土强度 和 芯钢管强度 ( 或钢管壁厚 ) 对钢管混凝土节点核心区 竖向极限承载力影响较大， 外围箍筋的强度( 或间距 ) 对节 点核 心区竖 向极 限承载 力影 响相对 较小 。 图 5 芯钢管强度一节点核心区 竖 向极限承载力关 系曲线 4 ) 本 文分 析 的带 芯 钢 管 的 钢 管混 凝 土节 点核 心 区竖 向极 限 承 载 能力 可反 映该 节 点 的最 大 竖 向承 载 力 ， 研 究结 果可 为此类 节 点 的受 力 机 理分 析 和 工程 设 计提供参考 。 参 考 文 献 1 王毅红 ， 汤文峰 芯钢管连接 的钢管混凝土中柱节点试 验研 究 J 建筑 结构 ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 2 ) ： 6 0 6 3 2 蒋建 飞 半 连 通钢 管混 凝 土柱一芯 钢管 边 节点 试 验研 究 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 5 3 汤文峰 新型钢管混凝土节点的力学性能试验研究 D 西 安 ： 长安大学 ， 2 0 0 4 4 郭春华 ， 刁砚 钢管混凝 土桥管节点疲劳性能研究现状 J 铁 道建筑 ， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 5 8 5 王毅红 ， 付敏 ， 郭增辉 ， 等 带有芯钢管 的钢管混凝土节点 承 载力试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 增 2 ) ： 4 9 1 4 9 4 6 韩林海 钢管混凝土结 构 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 0 7 过镇 海 钢 筋 混凝 土 原 理 M 北 京 ： 清 华 大 学 出版 社 ， 1 9 9 9 ( 责任 审编孟庆伶)