宋彬彬,甘文舉

(湖南理工學院 土木建筑工程學院, 湖南 岳陽414006)

圓柱鋼管混凝土梁柱節(jié)點性能分析

宋彬彬,甘文舉

(湖南理工學院 土木建筑工程學院, 湖南 岳陽414006)

對圓柱鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點局部模型進行非線性分析,討論了節(jié)點的應力傳遞機理,鋼管壁變形規(guī)律,并與試驗結果比較,考察有限元分析對實驗過程模擬的可行性.

圓鋼管混凝土;梁柱節(jié)點;有限元;非線性分析

引言

本文采用通用有限元分析軟件 ANSYS對無橫隔板及有橫隔板加強的圓鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點局部模型試件進行加載過程模擬,分析對象均為雙向試件:無橫隔板加強的一方向受拉、另一方向受壓試件BMN1及有貫通橫隔板加強的一方向受拉、另一方向受壓試件BMD1.為節(jié)約計算資源,依據試件對稱性,取試件的計算,各邊界面處的約束條件按對稱面要求施加,拉壓荷載按相應比例增減.試驗結果則建立在對實際工程中的鋼管混凝土框架結構梁柱節(jié)點進行簡化所采取的節(jié)點局部模型基礎上,其中柱為圓形鋼管混凝土柱,梁為H型鋼梁,在H型鋼梁的受壓翼緣處,由于填充混凝土可以分擔很大一部分壓力,節(jié)點受壓區(qū)總的強度要高于受拉區(qū),為了簡化起見,僅取受拉翼緣部分作為分析對象.

1 單元類型

由于柱鋼管管壁較厚,為了能夠比較準確地模擬實際情況,鋼管、鋼梁翼緣、填充混凝土均采用八節(jié)點彈塑性實體單元 SOLID45,分析中考慮梁翼緣與柱鋼管焊縫的影響,也采用 SOLID45建模;為考慮混凝土與鋼管管壁之間在加載過程中的接觸與脫離,采用三維面—面接觸單元 CONTA174和 TARGE170;試件上不施加軸向力,對鋼管與混凝土之間的粘結與摩擦可不考慮.

2 材料參數

各材料參數依據材料試驗的實測數據簡化得到,鋼梁翼緣和鋼管柱材料的應力—應變關系分別為多線性模型,鋼材和焊縫材料的屈服準則采用Von Mises準則,流動準則采用相關流動準則,由于計算僅限于初始各向同性的小應變分析,強化準則采用的是隨動強化,包含包辛格效應;混凝土應力—應變關系為雙線性模型,由于在三向受壓的情況下混凝土表現(xiàn)出良好的塑性,因此建模時不考慮混凝土的破壞,取泊松比為0.167,屈服準則按Drucker-Prager準則考慮,粘聚力等材料參數見表1.

表1 填充混凝土的材料參數

3 有限元模型

各試件的有限元模型如圖1所示,其具體尺寸均依據實測數據確定.為保證計算精度,全部采用六面體單元,在梁翼緣與柱鋼管焊縫連接處應力梯度較大,對其附近的鋼材與填充混凝土網格適當加密.試件BMN1、BMD1的FEM模型節(jié)點總數分別為27757、37536,實體單元總數分別為19245、29203,接觸單元總數分別為12438、6883.

圖1 有限元模型

4 有限元分析結果及試驗結果

4.1 梁翼緣應變分布

各試件梁翼緣應變分布如圖2所示,圖2給出了試驗結果與有限元分析結果(有限元結果指節(jié)點在最大抗拉強度時的梁翼緣斷面縱向應變分布),可見無橫隔板節(jié)點梁翼緣應變在受拉側中心部分比斷面邊緣部分集中,沿斷面呈馬鞍形分布,峰值對稱出現(xiàn)在距兩側邊緣約梁寬處,斷面邊緣則出現(xiàn)了較小的壓應變,梁翼緣斷面受力很不均勻,在節(jié)點最大抗拉強度時未到屈服應變(0.161%),梁處于彈性狀態(tài);而貫通橫隔板加強節(jié)點受拉側梁翼緣應變斷面邊緣比中心部分集中,應變分布呈波峰狀,峰值對稱出現(xiàn)在兩側邊緣處,梁翼緣斷面中心部分拉應變比較小,邊緣部分應變則較大,梁翼緣斷面受力相對較均勻;在節(jié)點最大抗拉強度時整個斷面已達到屈服應變 0.161%,鋼梁已處于塑性狀態(tài),兩種情況下受壓側對受拉側結果影響均不大.

圖2 各試件梁翼緣應變結果比較

試驗構件的加載方法為在X方向梁翼緣施加單調增加的拉伸荷載Px,同時對Y方向梁翼緣施加單調增加的壓縮荷載Py,在加載的過程中始終保持Py＝?Px.在雙向加載達到破壞后,保持X方向的受力不變,繼續(xù)沿y方向施加壓縮荷載直至構件完全破壞.在試件的下列相應位置處布置應變片以測定其應變數據:梁翼緣斷面方向處、梁柱節(jié)點附近的柱鋼管管壁處.試件BMN1的受拉梁翼緣斷面中心部分應變比斷面邊緣部分應變集中,而受壓側梁翼緣斷面邊緣部分由于填充混凝土抗壓能力的原因出現(xiàn)應變集中;試件BMD1在梁受拉側以及受壓側的應變都是梁翼緣斷面邊緣部分比斷面中心部分更早達到屈服,并且在梁受拉側最大拉應變?yōu)?.0% ,而受壓側梁翼緣斷面邊緣部分同樣出現(xiàn)了應變集中.由圖2可見有限元分析結果與試驗結果對應良好.

4.2 柱鋼管管壁應變分布

各試件柱鋼管管壁應變分布試驗結果與有限元結果如圖3所示,雙向受力試件BMN1與BMD1均給出受拉側應變結果,有限元結果是節(jié)點最大抗拉強度時柱鋼管管壁外表面的應變分布.可見在梁翼緣中心線及翼緣邊緣處,試件節(jié)點受拉側的柱鋼管管壁沿管軸方向V1、V2的表面應變分布在焊腳處呈正彎曲的拉應變,離開焊腳一定距離處漸變?yōu)樨搹澢膲簯?而梁翼緣邊緣處沿柱鋼管管周方向H2的表面應變分布總體上表現(xiàn)為拉應變,在接近梁翼緣處達到最大值,有、無橫隔板對柱鋼管壁應變影響不大.

圖3 各試件柱鋼管管壁應變結果比較

在實驗結果中,試件 BMN1試件受拉側的柱鋼管管壁在梁翼緣中心線處及在梁翼緣邊緣位置處沿管軸方向的表面應變(如圖中 V1和 V2所示)均在焊腳處呈正彎曲的拉應變,在離開焊腳一定距離處呈負彎曲的壓應變.在梁翼緣邊緣位置處沿管周方向的柱鋼管管壁表面應變分布(如圖中H2所示)在接近梁翼緣處呈現(xiàn)出較大的拉應變.試件BMD1在受拉側梁翼緣中心線管軸方向V1焊腳處呈正彎曲的拉應變,離開焊腳一定距離處呈負彎曲的壓應變,而在受拉側梁翼緣邊緣部分管軸方向V2位置處,鋼管沿管周方向比沿管軸方向更先達到屈服;受拉側的梁翼緣邊緣位置沿管周方向H2的柱鋼管管壁表面應變在接近貫通橫隔板處呈現(xiàn)出較大的拉應變.試件BMN1與試件BMD1的柱鋼管管壁表面應變分布比較一致,并且試驗結果與有限元結果對應良好.

在試驗中,焊縫附近區(qū)域鋼管壁應變無法測量,而有限元結果給出了這一范圍內柱鋼管壁應變分布情況.各應變圖中在縱坐標為 0～25mm 范圍內是焊縫區(qū)域,在此范圍內應變片無法布置,從而沒有試驗結果,但從有限元分析的結果則可以觀察到此區(qū)域范圍內的應變分布情況:在焊縫連接處應力集中、形狀也不規(guī)則,受力情況相當復雜,不僅應變的絕對值很大,應變的變化也很劇烈,在整個梁翼緣范圍內是最先屈服并且達到拉應變峰值的;壓應變的峰值則相對較小,而且出現(xiàn)的位置和離開梁翼緣斷面中心的距離有關,在梁翼緣斷面中心處離焊縫較遠,而在梁翼緣邊緣位置處則很接近焊縫.

5 結 論

本文用有限元程序對無橫隔板和有貫通橫隔板加強的圓柱鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點局部模型進行有限元分析并與試驗結果從梁翼緣應變、圓柱鋼管管壁應變兩個方面進行比較,分析對象取BMN1、BMD1兩個雙向試件,據此討論節(jié)點的屈服機理,分析了兩種節(jié)點的梁翼緣及柱鋼管壁應變分布規(guī)律.由此可知,有限元模擬試驗有其可行性、合理性、適用性,可將之做為試驗分析的有效補充手段.從數值分析的角度出發(fā),其精確度和正確性可以得到保證,并且可以分析試驗中無法測出其應變的復雜部位(如焊縫處),對其受力性能做出定性分析.

[1]任啟輝.ANSYS7.0工程分析實例詳解[M].北京:人民郵電出版社,2003

[2]葉先磊,史亞杰.ANSYS工程分析軟件應用實例[M].北京:清華大學出版社,2003

Nonlinear Finite Element Analysis of Connection Between Steel Beam and Concrete-Filled Circular Column Tube

SONG Bin-bin,GAN Wen-ju
(College of Civil Engineering and Architecture,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

Based on nonlinear finite element method and FEM analysis,the connection between steel beam flange and concrete-filled circular column tube was discussed.Comparing with the results of experiment,the feasibility of experimental process simulation based on nonlinear analysis was investigated.

concrete filled tube;beam-to-column connection;finite element;nonlinear analysis

TU398

A

1672-5298(2010)04-0072-04

2010-09-07

湖南省教育廳科研基金項目(09C475)

宋彬彬(1976? ),女,湖南岳陽人,湖南理工學院土木建筑工程學院講師.主要研究方向:結構工程