許 劍

(浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000)

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方鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)的性能研究

許 劍

(浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000)

采用ANSYS有限元程序，建立了方鋼管混凝土柱—鋼梁螺栓型端板節(jié)點(diǎn)的非線性有限元模型，將其結(jié)果與文獻(xiàn)的理論公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果與理論公式吻合，論證了有限元模擬的有效性，并通過幾組不同的非線性模型，探討了各類組件對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。

鋼管混凝土柱，螺栓，端板，節(jié)點(diǎn)，有限元模型

0 引言

鋼管混凝土柱與鋼梁形成的結(jié)構(gòu)體系，充分發(fā)揮了鋼管和混凝土各自的優(yōu)點(diǎn)，具有承載力高、塑性好、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。近年來，鋼管混凝土柱與鋼梁組合體系在工程實(shí)踐中不斷推廣，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。鋼管混凝土柱—型鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，其力學(xué)性能直接影響著結(jié)構(gòu)的性能。本文采用有限元分析程序?qū)β菟ㄐ投税暹B接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了非線性分析，將計(jì)算結(jié)果與理論公式進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了采用ANSYS分析程序來模擬試驗(yàn)研究的可行性。

1 有限元分析模型

1.1 幾何模型描述

幾何模型的材料和尺寸選用與文獻(xiàn)[1]的試驗(yàn)試件(base)相同，試件梁截面尺寸為H300×150×6.5×9，方鋼管柱的截面尺寸為250×250×8，鋼材采用 Q235-B，泊松比為0.3，螺栓采用摩擦型高強(qiáng)螺栓(10.9級(jí))，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖見圖1。鋼管內(nèi)混凝土等級(jí)為C40。

1.2 幾何模型分析

1)鋼材本構(gòu)關(guān)系選用非線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型[2]?；炷敛捎肳illiam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則。

2)柱底采用固支，柱頂施加兩向約束，結(jié)構(gòu)對稱面采用對稱

約束。

2 分析結(jié)果與討論

數(shù)值模擬與理論公式的比較。為驗(yàn)證非線性有限元模型的正確性，將數(shù)值模擬和文獻(xiàn)[1]的模型base進(jìn)行比較。

兩個(gè)模型節(jié)點(diǎn)彎矩—轉(zhuǎn)角(M—θ)曲線結(jié)果對比如表1所示。

表1 數(shù)值分析與有限元計(jì)算結(jié)果對比

從表1看出，ANSYS計(jì)算所得試件的極限抗彎承載力比數(shù)值分析值略小，可能是由于混凝土采用Solid65單元，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫以后，ANSYS非線性計(jì)算收斂困難，導(dǎo)致在沒有達(dá)到理論計(jì)算值以前ANSYS退出工作。

根據(jù)計(jì)算可知，數(shù)值模擬和理論公式計(jì)算結(jié)果相近，可用于螺栓型端板連接節(jié)點(diǎn)在單向荷載作用下的性能分析。

3 參數(shù)變化對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響

本文以base試件為基礎(chǔ)，分析了端板加勁肋、軸壓比、梁截面、混凝土強(qiáng)度等級(jí)及端板厚度等參數(shù)變化對節(jié)點(diǎn)性能的影響。

3.1 加勁肋對節(jié)點(diǎn)性能的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，螺栓端板連接節(jié)點(diǎn)采用無端板加勁肋(SH1)和有端板加勁肋(base)兩種情況。SH系列試件的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 SH系列試件的計(jì)算結(jié)果

從有限元的計(jì)算結(jié)果可知，SH1試件的承載力和初始剛度分別較base試件下降了9.1%和19.8%，說明設(shè)置加勁肋能有效地提高節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度。由于端板的剛度對高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力損失影響較大，端板的變形會(huì)形成杠桿作用，產(chǎn)生撬力，而撬力對螺栓是不利的，端板的剛度越小，變形越大，base試件由于設(shè)置了加勁肋，增強(qiáng)了端板的剛度，顯著地提高了節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度。

3.2 混凝土強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)性能的影響

在節(jié)點(diǎn)部位其他參數(shù)不變的情況下，將混凝土強(qiáng)度分為：無(SQ1),C30(SQ2),C40(base)和C50(SQ3)四種情況。

SQ系列試件的M—θ曲線如圖2所示，SQ系列試件的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 SQ系列試件的計(jì)算結(jié)果

試件編號(hào)Rki/×104kN·m·rad-1Mu/kN·mθu/radSQ10.956145.570.035SQ21.211166.880.057base1.288167.630.058SQ31.319169.240.059

從有限元的計(jì)算結(jié)果可知，SQ1，SQ2試件與base試件相比，

其承載力和初始剛度變化很小，而SQ1試件較base試件的承載力和初始剛度分別下降了13.2%和25.7%，說明僅改變混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度無明顯的影響，但SQ1與base計(jì)算的結(jié)果比較可知，鋼管內(nèi)有無混凝土對節(jié)點(diǎn)承載力和初始剛度影響較大，在鋼管中填充混凝土可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度。

3.3 端板厚度對節(jié)點(diǎn)性能的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，端板厚度?。?6 mm(SD1),20 mm(base),22 mm(SD2)和24 mm(SD3)。SD系列試件的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 SD系列試件的計(jì)算結(jié)果

從有限元的計(jì)算結(jié)果可知，SD1的M—θ曲線較其他節(jié)點(diǎn)更早地進(jìn)入了非線性階段，主要原因是端板較薄時(shí)剛度小，很小的荷載就產(chǎn)生較大的變形。SD1試件的承載力和初始剛度較base試件分別減小了10.2%和10.1%；SD2的承載力較base增大了6.1%，初始剛度增加了5.2%；SD3的承載力較SD2增大了2.4%，初始剛度增大 0.1%?？梢钥闯龆税搴穸葘τ诠?jié)點(diǎn)性能的影響有兩種：當(dāng)端板厚度不能滿足承載力的要求時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)過早屈服而破壞，此時(shí)增大端板厚度能顯著提高節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度；當(dāng)端板厚度滿足承載力要求時(shí)，對節(jié)點(diǎn)初始剛度的提高幾乎已無影響，而節(jié)點(diǎn)承載力依然會(huì)隨端板厚度的增大而略有增大。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬與理論公式比較，驗(yàn)證了有限元分析方法可以用于螺栓端板連接在梁端豎向荷載作用下的力學(xué)性能分析。采用有限元系統(tǒng)地分析了端板有無加勁肋、柱軸壓比、鋼梁截面厚度及混凝土強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù)變化對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。有限元分析結(jié)果表明：

1)端板加勁肋對節(jié)點(diǎn)的性能影響比較大，設(shè)置端板豎向加勁肋能顯著提高節(jié)點(diǎn)的初始剛度和承載力，建議在實(shí)際工程中要設(shè)置加勁肋。

2)增加端板厚度有利于提高節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度，而且可以起到延續(xù)端板屈服的作用。

3)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對節(jié)點(diǎn)的承載力和初始剛度無明顯的影響。

[1] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 葛繼平，宗周紅，楊強(qiáng)躍.方鋼管混凝土柱與鋼梁半剛性連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力本構(gòu)模型[J].地震工程與工程振動(dòng),2005,25(6):81-87.

On performance of concrete-filled square steel tubular column-steel beam

Xu Jian

(ZhejiangPowerConstructionCo.,Ltd,Ningbo315000,China)

The paper adopts the ANSYS finite element program, establishes the linear finite element model for the concrete-filled square steel tubular column-steel beam bolt endplate node, compares its results with the calculation result of the literature’s theoretic formula, indicates the consistency of the results and theories, indicates the effectiveness of the finite element simulation, and explores the influence of the components on the node dynamic performance according to different non-linear models.

steel pipe concrete column, bolt, endplate, node, finite element model

1009-6825(2016)10-0036-02

2016-01-31

許 劍(1987- )，男，工程師

TU375.3

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