趙滇生,嚴(yán)航洋

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014 )

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)在很多領(lǐng)域中有了廣泛的應(yīng)用,不僅具有承載能力高、韌性塑性好、耐火性能優(yōu)良的特點(diǎn),而且施工簡(jiǎn)便,節(jié)約人工費(fèi)用,降低工程造價(jià),經(jīng)濟(jì)效益好[1]。鋼管混凝土異形柱,可有效避免房間棱角,而且截面尺寸也可以減小。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的研究方向大多集中在圓鋼管混凝土柱以及方鋼管混凝土柱的節(jié)點(diǎn)上,而鋼管混凝土異形柱的節(jié)點(diǎn)研究相對(duì)較少。我們運(yùn)用有限元軟件分析豎向加勁肋對(duì)T形鋼管混凝土柱與H型鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。

1 有限元分析模型

1.1 節(jié)點(diǎn)尺寸

我們參考一棟鋼結(jié)構(gòu)建筑,節(jié)點(diǎn)上下柱的長(zhǎng)度取1/2的柱高,節(jié)點(diǎn)左右梁的長(zhǎng)度取梁跨度的反彎點(diǎn)位置。柱上下各取1 800 mm,截面尺寸為600 mm×400 mm×200 mm×200 mm,柱壁的厚度為12 mm,梁反彎點(diǎn)長(zhǎng)度取1 500 mm,截面尺寸為400 mm×200 mm×8 mm×12 mm。

豎向加勁肋的形狀見(jiàn)圖1。厚度和柱壁厚度和鋼梁翼緣厚度一致,為12 mm。

圖1 豎向加勁肋形狀

豎向加勁肋的高度取值滿(mǎn)足[2]：

hs≥tbfbbf/(2ts)

(1)

式中：hs為豎向加勁板高度；

tbf為梁翼緣厚度；

bbf為梁翼緣寬度；

ts為豎向加勁肋厚度。

由式(1)可計(jì)算得出,hs≥100 mm。

豎向加勁肋與梁翼緣的連接長(zhǎng)度l1取值滿(mǎn)足[3]：

l1≥M/(2hbtbffy)

(2)

式中:M為節(jié)點(diǎn)承受的梁端彎矩；

hb為鋼梁截面高度；

fy為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

式(2)中,可計(jì)算得到,l1≥126.44 mm。

豎向加勁肋與柱壁采用搭接連接,在搭接連接中,搭接長(zhǎng)度不得小于焊件最小厚度的5倍,并不得小于12 mm[4]。由此可以計(jì)算出豎向加勁肋與柱壁的搭接長(zhǎng)度不小于60 mm,并且需要保證焊縫與柱壁焊縫的距離不小于100 mm,則本文取150 mm。

豎向加勁肋的l1取25 mm,h1取50 mm。節(jié)點(diǎn)的正視圖和俯視圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 節(jié)點(diǎn)正視圖

圖3 節(jié)點(diǎn)俯視圖

1.2 材料屬性

柱鋼管內(nèi)灌注C35混凝土,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用韓林海[5]約束混凝土本構(gòu)關(guān)系模型,并通過(guò)有限元軟件ANSYS計(jì)算得出混凝土的彈性模量E=2.251×104MPa,泊松比μ=0.2,采用多線(xiàn)性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則。鋼材采用Q345鋼,屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk=345 N/mm2,彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.3,采用理想彈塑性模型,雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則。

1.3 單元類(lèi)型網(wǎng)格劃分

節(jié)點(diǎn)模型中,鋼管、鋼梁以及豎向加勁肋選用Shell181單元進(jìn)行模擬,核心混凝土采用Solid65單元進(jìn)行模擬,焊縫位置采用節(jié)點(diǎn)耦合的形式進(jìn)行模擬。節(jié)點(diǎn)有限元分析模型中焊縫不采用單獨(dú)的單元模擬,焊縫連接節(jié)點(diǎn)彼此耦合。忽略鋼管壁和混凝土之間的滑移影響。

網(wǎng)格采用映射法來(lái)劃分,所有單元為六面體,為了能夠提高分析效率以及較好精度,在節(jié)點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。具體的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 混凝土網(wǎng)格劃分圖5 鋼材網(wǎng)格劃分

1.4 邊界約束條件和加載方式

模型中鋼管混凝土柱底部的x、y、z三個(gè)方向的平移自由度進(jìn)行約束,對(duì)柱頂端邊界的x、y方向平移自由度進(jìn)行約束。梁端的約束則是兩側(cè)的梁端面弱軸約束y方向的水平平移自由度,中間梁端面弱軸約束x方向的水平平移自由度,這是為了防止梁在荷載作用下出現(xiàn)局部的側(cè)扭屈曲。

模型加載是在柱頂端施加2 500 kN軸向壓力,在梁端逐級(jí)施加z軸負(fù)方向位移荷載至100 mm。

2 節(jié)點(diǎn)受力性能的影響因素分析

通過(guò)改變豎向加勁肋的幾何尺寸,分析其變化對(duì)于節(jié)點(diǎn)受力性能的影響,從中得出影響節(jié)點(diǎn)受力性能的因素以及豎向加勁肋合適的幾何尺寸。

2.1 豎向加勁肋的高度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響

在本組模型中,僅改變豎向加勁肋高度hs,豎向加勁肋在高度上對(duì)稱(chēng)貼焊于柱壁與鋼梁翼緣上。模型的豎向加勁肋尺寸見(jiàn)表1。

表1 模型豎向加勁肋尺寸表

本文采用傾角差值法[6]來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角θ,將荷載位移曲線(xiàn)斜率發(fā)生明顯變化的點(diǎn)定為節(jié)點(diǎn)的屈服荷載。模型m-1a～m-4a左側(cè)梁節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6,以及節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度見(jiàn)表2。模型節(jié)點(diǎn)的中間梁的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)形狀與圖6類(lèi)似,只是其開(kāi)始階段的斜率略小于圖6所示的斜率。

從表2可以看出,隨著豎向加勁肋高度hs的增加,不管是左側(cè)梁還是中間梁,節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì),最大屈服荷載與最小屈服荷載的比值均為1.03倍,節(jié)點(diǎn)的最大初始剛度與最小初始剛度的比值大約為1.13倍。綜合以上,豎向加勁肋的高度不宜過(guò)小,也不宜過(guò)大,略大于鋼梁翼緣寬度的0.75倍,與鋼梁翼緣寬度一致為宜。

圖6 模型m-1a～m-4a中左側(cè)梁的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)

模型編號(hào)左側(cè)梁屈服荷載/kN初始剛度/(kN·m/rad)中間梁屈服荷載/kN初始剛度/(kN·m/rad)m-1a319.9589 536.85323.8465 136.64m-2a328.2298 486.6331.5670 779.18m-3a329.33100 508.55332.8872 321.02m-4a330.30102 133.89334.0573 671.06

2.2 豎向加勁肋的厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響

在本組模型中,僅改變豎向加勁肋厚度ts。豎向加勁肋尺寸見(jiàn)表3。

模型m-1b～m-5b中左側(cè)梁的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)曲線(xiàn)見(jiàn)圖7,以及節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度見(jiàn)表4。模型節(jié)點(diǎn)的中間梁的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)形狀與圖7類(lèi)似,只是其開(kāi)始階段的斜率略小于圖7所示的斜率。

表3 模型豎向加勁肋尺寸表

從表4可以看出,隨著豎向加勁肋厚度ts的增加,左側(cè)梁和中間梁的節(jié)點(diǎn)屈服荷載和初始剛度先增加后減小。尤其是當(dāng)豎向加勁肋厚度從8 mm增加至12 mm時(shí),節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度均有一個(gè)較大的增加,隨后增長(zhǎng)趨勢(shì)漸漸變緩。最大屈服荷載與最小屈服荷載的比值均為1.07倍,節(jié)點(diǎn)的最大初始剛度與最小初始剛度的比值大約為1.16倍。綜合以上,豎向加勁肋的厚度應(yīng)略大于鋼梁翼緣的厚度,其ts/tbf略大于1比較合適。

圖7 模型m-1b～m-6b中左側(cè)梁的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)

模型編號(hào)左側(cè)梁屈服荷載/kN初始剛度/(kN·m/rad)中間梁屈服荷載/kN初始剛度/(kN·m/rad)m-1b322.2893 776.92326.9568 333.82m-2b329.33100 508.55332.8872 321.02m-3b332.20104 510.49335.1874 505.96m-4b333.67107 106.68336.3775 898.37m-5b334.61108 876.58337.0976 799.74

2.3 豎向加勁肋與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響

在本組模型中僅改變豎向加勁肋與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度l1。取豎向加勁肋的幾何尺寸參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 模型豎向加勁肋尺寸表

模型m-1c～m-6c中中間梁的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)曲線(xiàn)見(jiàn)圖8,以及節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度見(jiàn)表6。模型節(jié)點(diǎn)的中間梁的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)形狀與圖8類(lèi)似,只是其開(kāi)始階段的斜率略大于圖7所示的斜率。

圖8 中間左側(cè)梁的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)

模型編號(hào)左側(cè)梁屈服荷載/kN初始剛度/(kN·m/rad)中間梁屈服荷載/kN初始剛度/(kN·m/rad)m-1c302.3684 379.53306.6262 232.17m-2c329.33100 508.55332.8872 321.02m-3c344.90110 213.89347.5277 721.47m-4c358.58116 219.86360.7480 942.38m-5c372.90120 033.15374.3482 838.8m-6c387.82122 831.82388.7484 178.43

從表6可以看出,隨著豎向加勁肋與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度l1的增加,節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度先是有較大的增加,然后增長(zhǎng)趨勢(shì)漸漸變緩。最大屈服荷載與最小屈服荷載的比值均為1.28倍,節(jié)點(diǎn)的最大初始剛度與最小初始剛度的比值大約為1.46倍。

模型m-1c～m-6c中節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)見(jiàn)表7。節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)由極限位移與屈服位移的比值來(lái)確定。

表7 模型延性系數(shù)表

從表7可以看出,隨著豎向加勁肋與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度l1的增加,節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)逐漸下降,最大延性系數(shù)與最小延性系數(shù)的比值大約為1.45倍。

綜合以上,豎向加勁肋與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度l1應(yīng)略大于鋼梁翼緣的寬度,其l1/bbf應(yīng)該在1.0～1.5比較合適。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析豎向加勁肋的各尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響,得出結(jié)論：豎向加勁肋的高度、厚度和與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度的增加,都能對(duì)節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度起到提高作用；相比較于豎向加勁肋的高度和厚度,與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度對(duì)于節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和初始剛度提升最為明顯。豎向加勁肋合理的尺寸為：高度略大于鋼梁翼緣的0.75倍,厚度略大于鋼梁翼緣厚度,與鋼梁翼緣的連接長(zhǎng)度應(yīng)略大于鋼梁翼緣寬度。