型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析.pdf

第4 0卷第 1期 2 0 1 4年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 9 型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析 于江 ， 张新 明 ( 新疆大学建筑工程学院， 新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 4 7 ) 摘要： 节点是结构传递内力的关键环节。本文利用 P K P M软件对某高校综合实验楼整体结构进行设计分析， 得 到桁架部分各个杆件的内力 ， 再运用 A N S Y S有限元分析软件建立节点有限元模型， 将得到的内力施加在节点的实 体模型上 ， 分析了节点中混凝土与型钢的应力分布情况和破坏机理以及型钢腹板厚度 、 混凝土强度等影响参数改 变对节点抗剪承载力的影响。 关键词 ： 桁架节点； 有限元分析 ； 应力分布； 影响参数 中图分类号： T U 3 9 2 ． 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 1 — 0 0 9— 04 F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f t r u s s j o i n t s o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e wi t h s t e e l YU J i a n g ， Z HAN G Xi n mi n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， X i n j i a n g U n i v e r s i t y ， U r u m q i 8 3 0 0 4 7， C h i n a ) Ab s t r a c t ： J o i n t i s t h e k e y p a r t c o n n e c t i n g b e a m s w i t h c o l u mn s ， a n d t h e i n t e r n a l f o r c e t r a n s f e r f r o m b e a m t o c o l u m n t h r o u g h j o i n t ． T h e s o f t w a r e P K P M i s a p p l i e d t o ma k e s t a t i c s a n a l y s i s ． T h e i n t e r n al f o r c e o f e a c h c o mp o n e n t i s d i s t i l l e d a n d b r o u g h t t o t h e h y p o s t a t i c mo d e l o f t r u s s j o i n t i n o r d e r t o m a k e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ， t h e s t r e s s d i s t ri b u t i o n o f c o n e r e t e a n d s t e e l o f t h e j o i n t s h a v e b e e n a n a l y z e d ． The i n fl u e n c e o f s t e e l w e b t h i c k n e s s ， c o n e r e t e s t r e n g t h o f t h e j o i n t h a s b e e n r e s e a r c h e d ． K e y w o r d s ： t r u s s j o i n t s ； f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ； s t r e s s d i s t ri b u t i o n ； i nflu e n c e p a r am e t e r 0前言 国内外对 型钢混凝 土组 合节点进行 了不少研 究， 但仍有很多问题没有解决。以往所做的试验大 多针对少数的实际工程来解决问题， 没有代表性。 因此， 对于复杂节点， 采用有限元方法， 就能够分析 各种影响参数变化时对节点受力性能的影响⋯ 。 本文研究 的对象是某高校的科技综合楼 ， 总建 筑面积为 5万平方米 ， 建筑总高度 4 8 ． 5 m， 采用框 架一 剪力墙结构 J 。由于在综合楼一层局部部位有 个会议室需要采用大空间 ， 为 了满足建筑功能的使 用要求 ， 需要将 一层 的柱子去 除， 设 置桁架转换结 构 ， 将柱距 7 ． 8 m转换为 1 5 ． 6 m， 如图 1所示 。 1 单元类型和材料模型 1 ． 1 单元类型 本文中桁架节点是由型钢和混凝土两种材料组 成 ， 型钢采用壳体 S H E L L 1 8 1 单元进行模拟。混凝 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 7 - 2 0 作者 简介 ： 于江( 1 9 6 0一) ， 男 ， 河南西 峡人 ， 教授 ， 研 究方 向为结 构 工程 。 基金 项 目： 新疆 维吾尔 自治区教育厅重点项 目( X J E D U 2 0 0 8 1 0 7 ) 通讯 作者 ： 张新 明( 1 9 8 6一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为结构工程 。 E —ma i l ： z x i n m1 9 8 6@ 1 2 6． c o m 图 1 桁 架转换结 构 Fi g．1 Tr a ns f e r t r u s s e s 土则采用实体单元 S o l i d 6 5单元模拟 ， 并且混凝土采 用钢筋弥散组成的整体式模型， 即在混凝土单元的 不同方 向分别设定参数 ， 使用参数来输人钢筋在混 凝土单元中的位置 、 角度及配筋率等。 1 ． 2材料模型 本文将 型钢及钢筋视为弹塑性材料 ， 不考虑其 刚度退化和 B a u s c h i n g e r 效应 ， 采用双线性 等向强化 模型( B I S O) 输入 ， 将材料屈服后的切线模 量设置为 0， 成理想弹塑性材料 ， 其模型如图2所示 。 混凝土单元采用弹塑性本构模型( 多线性等 向 强化模型) 来模拟混凝土。该本构模 型分为上升段 和下降段两个部分 ， 二者在 峰点处连续 ， 如 图 3所 示。数学表达式分别为 ： 当 ≤1 时 ： 于江， 等： 型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析 与混凝土单元对应节点的 3个平动自由度， 以保证 两种单元协同受力。 3 节点的计算分析 按照上述 的建模和荷载施加过程进行有限元分 析 ， 主要考察节点在极 限荷载下 的内力分布和破坏 机理 ， 以及 对 影 响节 点 承 载 能 力 的 参 数 进 行 分 析 ， 如图 8 、 9所示 。 NoDAL S0L UTI oN S丁Ep=-l S UB = 4 6 TI ME； 49 8 26 S E QV( A V G) DMX=00o2 98 SMN=0 1 5O e D 7 SMX=o 2 25 B+ 09 0 l 5 0B+ 07 0 533 E十08 0 1 0 5E+ 0 l 5 7E+0 9 0 20 9E+0 9 0 2 7 4 E + 0 8 0 7 9 3 E +0 8 0 l 3 I E + o 9 0 1 8 3 E + 0 9 0 2 3 5 E + 0 9 图 8 型钢 V o n Mi s e s 应 力云图 F i g ． 8 Vo n - M i s e s s t r e s s o f s t e e l NonAL S 0LUTl 0N SUB-- 46 TI ME--4 9 82 6 S E Q V( A V G) DMX 0o 294 9 SMN=9 99 03 S MX= o 2 5 2 E + 0 8 9 99 03 0 56 9E+0 7 0 l 】 3 E+o8 0 1 6 9E+o 8 0 22 4E+0 8 0 2 8 9 E+0 7 0 8 4 8 E +0 7 0 l 4 l E +0 8 0 ． 1 9 7 E + o 8 0 2 5 2 B + 0 8 图 9混凝土 V o n Mi s e s 应 力云图 F i g ． 9 Vo n - M i s e s s t r e s s o f c o n c r e t e 在对 中节点施加荷载 的过程中 ， 首先在型钢斜 腹杆的翼缘处会出现应力集 中现象 ， 型钢其他部位 的应力数值都很小 。混凝土单元在施加约束的部位 会产生局部的应力集中， 但是数值很小， 可以忽略不 计。 随着荷载的进一步施加 ， 型钢斜腹杆的翼缘处 应力数值有所增加 ， 但是 当中节点破坏 时型钢斜腹 杆 尚未屈服。型钢斜腹杆的腹板处应力数值也有较 大的变化 ， 并且沿着 中节点 受力 4 5 。 的方 向进行延 伸 ， 符合节点应力增长 的趋势。中节点混凝土部分 的应力依 旧是在施加约束的部位和施加荷载的部位 增长较快 ， 节点 的应 力分布 和型钢一致 ， 都是 沿着 4 5 。 的方 向进行延伸 ， 节点核心区域应力较其他 区域 都大。节点在极限荷载作用下时， 型钢应力分布的 区域大致没有发生变 化 ， 但是数值 有所增加 。节点 在极限荷载作用下会发生剪切破坏。在分析的过程 中 ， 除了能够得到中节点在极 限荷载作用下的应力 分布之外 ， 还能得 到中节点的极限承载力 ， 如 图 1 0 所示 ， 即为中节点的荷载一 位移曲线。 当荷载在 2 4 0 0 k N以内时 ， 节点处于弹性 工作 状态 ， 当加载到 2 4 5 0 k N以上 时， 节点 的荷载一 位移 曲线斜率有较小的改变 ， 有部分区域首先进入塑性 ， 内力发生重分配， 但整个节点仍可继续承受荷载， 当 图 1 0中节点 的荷载一 位移 曲线 F i g ． 1 0 T h e l o a d i n g - d i s p l a c e me n t c u r v e o f t h e j o i n t 荷载达到 2 9 0 0 k N以上时 ， 节点有明显的塑性变形 ， 曲线的斜率越来越小 ， 在达到 3 5 0 0 k N左右时节点 已达到其极限荷 载。实际上 ， 在静力荷 载下节点的 荷载设计值为2 8 2 5 k N， 这时， 节点核心区域应力较 大， 并进入了塑性， 内力进行了重分布， 当荷载继续 增大时， 塑性区域才不断向四周扩散， 使节点出现显 著的塑性变形 ， 节点才会受剪破坏 ， 所 以， 在设计荷 载作 用 下 该 节 点 不 会 破 坏 ， 满 足 承 载 能 力 的 要 求 。 4影响参数分析 分析了中节点 的受力性能后 ， 需要对影 响节点 受力性能的参数进行分 析 ， 主要是研究 当型钢节点 的型钢腹板厚度和混凝土的强度等级发生变化时， 节点 的极限承载力会如何变化。 4 ． 1 型钢腹板 型钢腹板厚度由 2 0 m m增加到 2 8 m m、 3 0 m m 和 3 2 mm时 ， 分别对 节点进行编号 S R C ． 1 、 S R C - 2 、 S R C - 3 、 S R C - 4 。研究当型钢腹板的厚度发生改变时 对节点承载能力的影响 ， 见表 1 。 表 1 分析结果 T a b l e 1 Re s u l t s o f a n a l y s i s 如图 l 1 所示 ， 为型钢腹板厚度不同时节点的荷 4 00 0 3 00 0 Z 娄2 o o 0 1 0 00 O 0 5 l 0 1 5 2 0 位移／ mm 图 1 1 腹板厚度改变时荷载一 位移曲线 Fi g．1 1 Th e l oa di n g di s p l a c e me nt c ur v e wh e n th e we b t hi c k n e s s c h an g e 1 2 四川建筑科学研究 第 4 0卷 载位移曲线。从图 l 1中可以清楚地看到 ， 当腹板的 厚度不断地增加时， 节点的极限荷载值也随之增加， 特别是当腹板的厚度 由2 0 mm增加到 2 8 mm时 ， 节 点的承载能力增加极为的明显 ， 这也就证实 了腹板 是影响节点承载能力的最主要参数之一。 作者列举 出不 同腹板厚度节点的极 限荷载 ， 然 后将它们带人《 型钢混凝土组合结构技术规程》 中 关于型钢节点剪力设计值 计算公式 ： v j ：1 ． 0 5 ( 1 一 ) ／ -／c 一 凡 b 结果见表 1 ， 由表 1 可以看到， 节点均是受剪破 坏。节点抗剪承载力与腹板厚度基本呈线性关系增 加 ， 这与已有的试验资料基本吻合。 4 ． 2 混凝土强度等级 对于型钢混凝土节点而言 ， 混凝土强度等级对 节点 的承载能力有很大的影响。作者通过改变混凝 土强度等级来研究其对节点承载能力的影响。得到 节点的荷载一 位移 曲线 ， 如图 1 2所示 。 40 0 0 30 0 0 Z 20 0 0 1 0 0 0 0 0 2 4 6 8 位移 ／ mm 图 1 2 混凝土等级改变时荷载一 位移曲线 Fi g ． 1 2 Th e l o a d i n g d i s p l a c e me n t c u r v e wh e n t h e c on c r e t e g r ad e c ha ng e 得到不 同混凝土等级时节点的极 限荷载 ， 带人 上述公式求解节点剪力设计值， 见表 2 。 表 2 分析结果 Ta bl e 2 Re s u l t s of a nal y s i s 模型号 极限荷载 V ／k N e ／b j h ／ o 破坏模式 S R C - 5 2 2 8 5 4 0 2 ． 5 0 ． 3 1 节 点剪切破 坏 S R C - 6 2 9 9 5 4 9 8 0 ． 3 4 9 节点剪切破 坏 S R C - 7 3 7 2 5 6 3 2 0 ． 4 1 3 节点剪切破坏 S R C - 8 3 9 3 2 7 3 2 0 ． 4 3 5 节点剪切破坏 5 结 论 型钢混凝土桁架节点的构造复杂、 形式多样 ， 混 凝土与型钢处于协同受力状态 ， 考虑非线性条件下 内力分布和传递不明确 ， 试验难度大 ， 难以把握节点 在不同荷载形式下的应力应变规律 。有限元分析方 法能够对不 同的构造形式 和型钢样式进行模 拟分 析， 通过非线性分析得 出节点 内部型钢和混凝土更 加接近实际状态的应力分布 ， 为节点 内部应力传递 机制的研究提供了有效的分析手段和直观 的分析结 果。针对确定 的节点形式 ， 可通过调整模型的各项 参数( 如材料强度、 板材厚度等) 以考虑相应的影 响 ， 为有针对性的进行节点设计 和优化提供科学依 据。文中的背景工程项 目正是应用了该模拟分析方 法来完成结构的设计 和优化过程 ， 目前项 目已经建 成并投入使用。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 赵鸿铁． 钢与混凝土组 合结构 [ M] ． 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2] 张新明 ， 于江． 某综 合楼转换构件设计方 案的选择 [ J ] ． 低 温 建筑技术 ， 2 0 1 1 ， 9 ( 5 ) ： 4 1 - 4 2 ． [ 3 ] 袁政强 ， 向皓 ， 李保明 ， 等． 型钢混凝土桁架 节点的非 线性 数 值模拟 [ J ] ． 重庆大学学报 ， 2 0 1 0( 9 )： 4 1 -43 ． [ 4 ] 李保 明， 周宏文 ， 王尧燕 ， 等． 型钢混凝土桁 架节点有 限元分析 [ J ] ． 后勤工程学院学报 ， 2 0 0 9 ( 5) ： 6 3 -6 5 ． [ 5 ] 张权斌． S R C柱一 R c梁组合节点的受剪承载力及其 A N S Y S 有 限元分析 [ D] ． 西安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 赵红梅． 钢梁一 钢骨混凝土柱节点的非线性有限元分析 [ D ] ． 北 京 ： 北 京工 、 I 大学 ， 2 0 0 1 ．