方钢管混凝土柱-H型钢梁栓接双T板连接节点受力性能分析.pdf

浙江建 筑 ， 第 2 9卷 ， 第 6期 ， 2 0 1 2年 6月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 9，No 6，J u n 2 0 1 2 方钢 管混凝 土柱 H 型钢梁栓接双 T板连接 节点受力性能分析 On L o a d B e a r i n g Ca p a c it y o f Do u b l e - T Sh a p e Pl a t e B o l t e d J o i n t Co n n e c t i n g Co n c r e t e - f i l l e d S q u a r e T u b u la r Co l u mn a n d S t e e l H b e a m 赵 滇生 ， 卢 平 ZHAO Di a n s h e n g，LU Pi n g ( 浙江工业大学建筑工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 3 2 ) 摘要 ： 钢管混凝土柱与梁的节点构造和受力分析是设计组合 结构的一个 主要 内容 。利 用 A N S Y S有 限元软件 ， 分 析了连接 方钢管混凝土柱与 H型钢梁的一种新 型节点 的应力分布情况 和内力传递机理 ， 以及影响节点受力性能 的主要因素。 关键词 ： T形连接件翼缘 ； T形连接件腹板 ； 节点刚度 ； 节点有限元分析 中图分类号： T U 3 2 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 2 ) 0 6一 O O l O一0 4 组合框架结构体系中的节点设计十分重要。目 前在 国内应用较多的是圆形钢管混凝土柱 ， 并且以与 钢筋混凝 土梁连接 为主 ， 而方钢管混凝 土节 点形式有 限 ， 以往工程也不多见 。我 国规范 中给 出了方管 混 凝 土和 H型钢梁 的四种 连接方 式 。这些 连接 方法 虽 然 整体性好 ， 但是传力 路径不 明确 ， 制作工 艺复杂 ， 生 产成本高， 而且都需要现场施焊， 构件中的焊接残余 应力较大， 会导致截面提前屈服； 较大的外环板不仅 妨碍墙板的安装， 而且使得室内角部有 凸角， 影响美 观 ； 方钢管柱 内隔板 一边须用 电渣 焊 ， 工艺 复杂 ； 隔板 即使 开圆孔也 会影 响节 点 区混凝 土 的浇 筑质 量 。因 此 ， 研发一种构造简单、 传力明确、 安全可靠、 节约材 料和施工方便的节点， 有利于钢管混凝土组合结构的 推广 应用 。本文对 一种新型栓接双 T型板连接节 点 ， 用 A N S Y S有 限元软件分 析其受力性能 。见图 1 。 1 栓接双 T型板连接节点的连接构造 与传 力路径 节点将两块 T形 连接件 的腹板通过高强螺 栓 与梁 翼缘摩 擦 型连接 ， 再 将 T形 连 接 件 的翼 缘 通 过 四个穿芯高强螺栓与柱连接 ， 梁腹板用高强螺栓和 5 0 8 O 6 O 1 4 J 1 4 6 0 8 0 5 0 ， 1 I1 1 l I 1 广+ 广 +1 f 6 0 0 ： ： - 景 ： Q 岛 2 一 - q昔 一 一兰 一 ll a )节点正 视图 b )节点俯视图 图 1节 点 构 造 详 图 焊接 在柱上 的角钢抗 剪件摩 擦 型连接 。梁 翼缘 的弯 矩通过两块 T形连接件 以力偶 矩的形式传递 给柱 子， 梁腹板的剪力和弯矩通过角钢抗剪件传递 给柱 子 ， 节点传力路径明确。节点主要通过高强螺栓连 接 ， 便于现场安装 ， 而且还通过穿芯高强螺栓的预拉 收 稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 0 作者简 介 ： 赵滇生 ( 1 9 5 7 一 ) ， 男 ， 浙江义乌人 ， 副教授 ， 研究方向为钢结构 、 空 间结构 。 第 6期 赵滇生等： 方钢管混凝土柱一 H型钢梁栓接双 T板连接节点受力性能分析 1 1 力把 钢梁 受拉 翼缘 对方 管混凝 土柱 壁 的拉力 转换 为 对方 管混 凝 土柱壁 的压 力 ， 从 而 有 效提 高 了节 点 连 接 的整体 性 能和动 力性 能 。 2 栓接双 T型板连接节点模型 节 点模 型构 造 见 图 1 ， 各 部 件 的 截 面 尺 寸 见 表 1 。梁长 和柱 高按 近似 反弯 点位置 选取 ， 上下 柱段 长 均取 1 2 0 0 mm， 左 右 梁段 均 取 1 2 0 0 m m， 螺 栓 全 采 用 1 0 9级 的高强 螺栓 M2 2 。 表 1截面尺寸 3 节点 的有 限元模型 本 文主 要研 究 栓 接 双 T型 板 连 接 节 点 在 框 架 平 面 内的受 力性 能 ， 不 考虑平 面外 影 响 ， 而试 件 为对 称 结构 ， 故 可 仅 建 立 一 半 的 模 型 ( 以框 架 平 面 为 对 称 面 ) ， 由此 节省 电脑 资源 、 缩短计 算 时间 。 3 1 节点模 型假 设 ( 1 ) 建模 时将 螺 栓 视 为一 个 连续 体 ， 螺 杆 和 螺 母 ( 螺 帽 ) 均 近 似按 圆柱体 处理 ， 忽 略螺母 ( 螺 帽 ) 和 钢板 之 间的滑 移 ， 将 其粘结 为 一体 。 ( 2 ) 不考虑板件 间接触 面不贴合 的情况 ， 即 T 形连 接件翼 缘 表 面 与柱 翼 缘 表 面 、 T形 连接 件 腹 板 表 面与梁翼 缘 表面均 重合 。 ( 3 ) 现 有 研 究 结 果 I 3 表 明 ， 考 虑 钢 管 内壁 与 混凝 土界 面之 间 的粘 结性 能对 钢管 混凝 土结构 的整 体性 能 的影 响甚小 ， 故 本 文 假 定 钢 管 内混 凝 土 和 钢 管 壁之 间完全 粘结 ， 忽 略其相 对滑 移 。 3 2单元模 型的 选取 与 网格 划分 远 离节 点 的钢 管 和钢梁采 用 S o l i d 4 5单元模 拟 ； 节 点 区域 的钢 管和 钢梁 受 力 比较 复 杂 ， 采用 S o l i d 9 5 单 元模 拟 ； T形 连 接件 、 L形 抗剪 件 和 高强 螺栓 采 用 S o l i d 9 2单元模 拟 ， 此单元 在 划 分螺 栓 及 螺栓 孔 周 边 区域 时较 为方 便 ； 混 凝 土 采 用 单 元 S o l i d 6 5单 元 模 拟 ； 高强 螺栓 的预 拉力 由 P R E T S 1 7 9单 元实 现 ； 面 面 接 触 采 用 目标 单 元 T A R G E 1 7 0和 C O N T A 1 7 4接 触 单 元模 拟 ， 包 括 柱 翼 缘 与 T形 连 接 件 翼 缘 、 梁 翼 缘 与 T形 连接件 腹板 接触 。 T形连接件 、 L型钢 、 高强螺栓、 节 点区域的钢 管和钢梁划分成四面体单元 ； 其他部位划分成六面 体 单元 。节 点 区域受力 复 杂 ， 网格 较 密 ， 远 离节 点端 的梁柱 受力 简单 ， 网格 较稀 ， 具体 划分 结果 见 图 2 。 一 a ) 节点网格划分整体图 b ) 节点网格划分局部图 图 2节 点 网 格 划 分 图 3 3 材料 的本 构 关 系 钢 材 的本 构 关 系 考 虑 B a u s c h i n g e r效 应 ， 采 用 A N S Y S程序 中的多线性 随动 强化模 型 ( M K I N) ， 材料 遵循 V o n Mi s e s 屈 服准则 及其 相应 的 塑性 流动 法则 ， 当 Mi s e s 应 力超过材 料 的屈 服应 力 时 ， 将发 生塑 性变 形 ， 该材 料模型完 全适 合钢材小应 变塑性分析 。 构件 或连接 件 的钢 材本 构 关 系见 图 3 a ， 高 强螺 栓 材料的本 构 关 系见 图 3 a ， 图 中 的控 制点 参 数 见表 2 ， 其 中钢材采 用 Q 2 3 5 ， 弹性模 量 E= 2 0 6 X1 0 M P a ， 泊松 比 0 3 ， 接 触面抗 滑 移系数 为 0 4 5 。 S S a ) 钢材本构关系 b ) 混凝土本构关系 图 3材 料 本 构 关 系 表 2钢材材性参数表 混 凝 土材 料 是 非均 质 材 料 ， 本 构关 系 也 因其 受 力 状态 的不 同而 异 ， 本 文 中的混 凝土受 钢 管约束 ， 抗 压 性能 大为 提高 。在 分析 程序 中采用 多重 线性 曲线 第 6期 赵滇生等： 方钢管混凝土柱一 H型钢梁栓接双 T板连接节点受力性能分析 1 3 ( 3 ) 高 强 螺 栓 。 加 载 开 始 至 极 限 荷 载 的过 程 中 ， 连接 受拉 T形连 接 件腹 板 和 梁翼 缘 之 间 的受 剪 高强 螺栓 首先 达 到屈 服 ， 然 后屈 服 扩 散 到 连接 T形 连 接件 翼缘 和方 钢管 壁 的受 拉 穿 芯 高强 螺 栓 ， 屈 服 区主要 出 现在 螺 栓 杆 和螺 母 ( 螺 帽 ) 的 交 接 处 。到 达极 限荷载 时 ， 连接 T形 连 接件 腹 板 和 梁 翼 缘之 间 的受剪 高强 螺栓 发 生较 大 的剪 切 变 形 ， 螺 栓 杆 和螺 母 ( 螺 帽 ) 连 接 处 的局 部 范 围 内应 力 较 大 ， 见 图 8 。 分 析表 明 ， 螺 栓破 坏 主 要 发 生 在 螺 栓 杆 和 螺 母 ( 螺 帽 ) 连 接处 附近 ， 因 此处 螺 栓 截面 突 变较 大 ， 出 现 了 严 重 的应力 集 中现象 。 S MN = 26 2 48 鲫 【 = 10 4 0 塞 图 8极 限状态下高强螺栓 的 Vo n Mi s e s 应力图 ( 左为受拉 T形连接件处螺栓 ， 右为受压 T形连接件处螺栓 ) 根 据上 述 T形 连 接 件 和 高 强 螺 栓 的 受 力 性 能 分 析 ， 节 点 的 薄 弱 环 节 是 受 拉 T形 连 接 件 翼 缘 与 连 接受 拉 T形 连 接 件腹 板 和梁 翼 缘 之 间 的受 剪 高 强螺 栓 ， 在 加 载 的过 程 中此 两 处 最 先 达 到 屈 服 ， 加 载到极 限荷载 时， 此两 处 的变形 最为 明显。建 议 设计 节点 时应验算受剪高强螺栓和 T形连接件 的 刚度 。 5 T形连接件板对节点性能的影响 本 小节 分析 T形 连 接 件 尺 寸 对 节 点 性 能 的影 响 ， 主要 考 虑 T形 连 接 件 翼 缘 板 和 腹 板 厚 度 两 个 因素 。 5 1 翼缘 厚度 的影 响 保持其他参数不变 ， 对 T形连接件翼缘厚度分 别取 1 4 、 l 6 、 1 8 m m 的 3个模 型进 行 分 析 ， 得 到节 点 M一 0 曲 线 和 节 点 的 初 始 刚 度 变 化 曲线 ， 见 图 9 、 图 1 0 。由 图可知 ， 翼 缘厚 度对 节点性 能 有一定 影 响 ， 厚 度越 大 ， 节 点初 始 刚度 和极 限弯 矩越 大 ， 但 当翼 缘厚 度增大到一定程度时， 极限弯矩不变 ， 而节点的初始 刚度依 然增 大 。 5 2腹板 厚度 的影 响 保持其他参数不变 ， 对 T形连接件腹板厚度分 20 0 1 O 0 0 0 0 图 l 1不 同 腹 板 厚 度 节点的 M p曲线 54 5 2 薹5 O 锻 暴4 8 担 腹板厚度 m m 图 1 2不同腹板厚度 节点的初始刚度 6 结 语 本文利 用 A N S Y S软 件 对 栓 接 双 板 连 接 节点 的 非线性 分析 可得 出以下初 步结 论 ： ( 1 ) 栓接双 T板连接节点的最大受力和变形均 发生在受拉 区， 受压区的受力和变形相对较小 ， 使节 点变形 可粗 略地 看成 绕梁 受压 翼缘 中心 线转 动 。 ( 2 ) 受拉 T形 连接件 翼 缘 的变 形 导致 其 上 下两 端存 在 明显 的撬 力 ， 建 议 在梁 外 侧 的 受 拉 T形 连接 件 翼缘 和腹 板 之 间设 置 加劲 肋 ， 以减 小 翼 缘 上 下两 端 的撬 力作 用 。 ( 3 ) T形 连接 件 腹 板 厚 度 对节 点性 能 的影 响较 翼 缘厚 度 大 。因此 节 点设 计 时 ， 在满 足 焊 接 施 工 和 构造要 求 的情况 下， 适 当增 大 T形连 接件腹板厚 度 ， 可 有效 改善 节点 的受 力性 能 。 ( 4 ) 本节点传 力途径明确 ， 具有 良好的受力性 能 ， 可 以用 于实 际工 程 。 参 考 文 献 1 沈祖炎 ， 吕西林 ， 何保 康 ， 等 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4型钢 管混凝 土结 构技术规程 S 北京 ： 中国工程建设标准化协会 ， 2 0 0 4 ( 下转 第 2 5页 ) ( p E， u H 为I) ， 越 露睡 鏖 ： 窭 窭 I l 第 6期 王 椽等： 土岩组合地基变刚度调平设计新方法 2 5 +模 型1 - 0 - 模 型2 一 模 型3 z 十模型4 1 星 ； j 5 00 l 0 8 6 4 2 0 2 6 I I 截面 m 图 6桩 顶 反 力 图 2 3数值 模 拟结果 分析 从 以上计 算结 果 ， 可 以得 出如 下结 论 ： ( 1 ) 提高摩擦桩单桩前期支承刚度能够减小土 岩组合地基差异沉降， 但作用有限； 设置等刚度调节 器 后差异 沉 降 明显 减小 ， 但会 出现 碟形 沉 降趋 势 ； 通 过桩 基及 调 节器变 刚度设 置后 基本 可 以实现基 础 的 零差异沉降 ， 碟形沉降得 以控制。 ( 2 ) 未进行变刚度处理时筏板弯矩变化较 大， 最 大值 出现 于土 、 岩 分界 面基 岩 出露 部位 ； 变形 调 节 器变刚度设置能够显著降低筏板弯矩 ， 使筏板弯矩 值整体趋于一致 ； 桩基及调节器联 合变 刚度设置能 够 降低摩擦 桩 上部筏 板弯 矩 ， 但 作用 较小 ， 且处 理后 最 大弯矩值 出现于此 部位 。 ( 3 ) 原 有 桩筏 基 础 土 、 岩 分 界 面桩 顶 反 力 差 异 较大 ， 桩基总体荷载分担 比较大； 变刚度处理可以降 低 基岩 出露部 位墩 基 础 顶 反 力 ， 提 高 摩擦 桩 支 承 作 用 ， 整体桩顶反力值较为平均， 地基土荷载分担比明 显 提高 ， 充分 利用 了地基 土 的前期 承载 能力 。 3 结 语 使用变形调节器对溶岩地区的土岩组合地基进 行变刚度优化调平设计 ， 可以显著降低因桩基支承 刚度不同而导致的筏板差异沉降， 减小筏板 内力 ， 与 以往通过 变桩 径 实现 调 平 优 化 的方 法 相 比 ， 不 仅 操 作 简单 ， 而且 调平 效 果 显 著 。从 结 果 分析 中也 可 以 看 到 ， 设 置变 形调 节器后 墩 基 础呈 现 向上 “ 刺人 ” 的 效果 ， 增加了筏板总体的沉降变形 ， 从而充分利用 了 地 基土 的承 载能力 ， 可 以大量 减少 基础 造价 ， 实 现 了 经 济上 的优 化 。 参 考 文 献 1 岩土工程手册 编写委员会 岩土工程手 册 M 北 京 ： 中国 建筑工业 出版社 ， 1 9 9 4 ： 3 8 2 3 8 3 2 罗宏渊 ， 尤天直 ， 张乃 瑞 北京嘉 里中心 基础底板 下垫泡 沫板 的设计 J 建筑结构 ， 1 9 9 7( 7 ) ： 4 4 4 7 3 童衍蕃 设置不 同材 料的基础 垫层减少建 筑物差 异沉降 的理 论与实践 J 建 筑结构学报 ， 2 0 0 3， 2 4 ( 1 )： 9 29 6 4 潘青春 中小型建筑 土岩组合 地基的处 理方法 J 长江职工 大学学报 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 4 )： 4 3 4 4 5 蒋专成 ， 宰金珉 ， 周峰 ， 等 差异沉降控制设计 的新方 法 J 常 州工学院学报 ， 2 0 0 8 ， 2 1 ( 2 1 ) ： 1 4 91 5 1 6 周 峰 ， 宰金 珉 ， 梅 国雄 ， 等 桩土变形 调节装 置的研 制与应 用 J 建筑结构 。 2 0 0 9， 3 9 ( 7 ) ： 4 04 2 ( 上接 第 1 3页) 2 N E O G I P K， S E N H K C o n c r e t e f i l l e d T u b u a r S t e e l c o l u m n s u n d e r E c c e n t r i c L o a d i l l g J T h e S t m c t E n g r ， 1 9 6 9 ， 4 7 ( 5 ) 7 98 4 3 S H A KI R - K HA H I H，Z E G H I C H E Z E x p e r i m e n t a l B e h a v i o r o f C o n c r e t e - f i l l e d R o l l e d R e c t a n g u l a r Ho l l o w S e c t i o n C o l u mn s J T h e S t r u c t E n g r ， 1 9 8 9 ， 6 7 ( 2 ) ： 5 5 5 9 4 王新 敏 AN S Y S工程结构数 值分析 M 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 7 ： 3 07 5 5 韩林海 ， 冯 九斌 混凝土 的本构关系模 型及 其在钢管混凝 土数 值分析中的应用 J 哈尔滨建筑大学学报 ， 1 9 9 5 ， 2 8 ( 5 ) ： 2 6 3 2 6 李卫青 T形件连接的梁柱 刚性节点性能分析 D 西安 ： 西 安 建筑科 技大学 土木工程学院 ， 2 0 0 4