《芯钢管连接的钢管混凝土半连通角节点非线性有限元分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《芯钢管连接的钢管混凝土半连通角节点非线性有限元分析（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第38卷 第3期建 筑 结 构2008年3月芯钢管连接的钢管混凝土半连通角节点非线性有限元分析3卢先军 王毅红 付 敏 郭增辉 (长安大学建筑工程学院 西安710061)提要 应用有限元分析软件ANSYS对一种新型的芯钢管连接的半连通钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁角节点进行非线性分析。确定单元类型、 材料本构关系、 破坏准则和梁端荷载,利用对称性建立的三维实体模型分析模型中梁、 柱、 外钢管、 节点芯钢管、 环箍、 竖向钢筋和混凝土的应力状况。研究模型破坏过程、 受力性能、 破坏机理以及模型破坏的原因,并将有限元分析结果与模型试验结果进行了对比分析,互相验证了分析结果的正确性。证实这种新型节点的合
2、理性、 可行性,指出节点还有较大的承载潜力,满足 “强柱、 弱梁、 节点更强” 的抗震设计原则,用于实际工程有望解决节点传递弯矩能力弱、 刚度差、 构造复杂、 施工不便等问题。关键词 钢管混凝土 节点 芯钢管 破坏机理 有限元方法 非线性分析Nonlinear Finite Element Analysis of Semi2connected Corner Joint with Core Steel Tube in Concrete Filled SteelTubeLu Xianjun ,Wang Y ihong ,Fu Min ,Guo Zenghui(School of Civil Eng
3、. , Changan University , Xian 710061 , China)Abstract:The new joint connects concrete filled steel tubular (CFST) column and RC beam. The element types , the materialconstitutional relationship and the failure criterion are confirmed , and the load at beam end is simplified. Based on thesymmetrical
4、character , the three2dimensional model is presented to analyze the stress statusof the members in the joint model ,including the beam, the column , the outer steel tube , the joint core steel tube , the hooping , the vertical reinforcement andthe concrete. The forced behavior , the failure mechanis
5、m and the cause of the model failure are studied. The results of themodel test are compared with the results of the finite element analysis. By the comparative results , the correctness of theanalysis results is validated , and the rationality and feasibility of the new type joint are approved. The
6、results also indicatesthat the joint still has potential bearing capacity. The joint model meets the seismic design principles“strong column , weakbeam, stronger joint”. In the actual projects , it will solve lots of the problems , such as the weak capability of the joint inpassing the moment , the
7、weak stiffness , the complex conformation and the inconvenience construction.Keywords:concrete filled steel tube ; joint ; core steel tube ; failure mechanism; finite2element method; nonlinear analysis作者简介:卢先军(19792) ,湖北谷城人,硕士。 3 陕西省自然科学基金资助项目(2001C07)。0 引言非连通钢管混凝土梁柱节点研究表明,该节点用于中、 边节点具有良好的力学性能,能够可靠地
8、传递梁中的内力,钢管混凝土柱具有很好的连续性1 ,3。节点混凝土与梁混凝土一次整浇,节点具有良好的强度和刚度,梁、 柱的破坏先于节点的破坏,满足 “强柱、 弱梁、节点更强” 的抗震要求。但由于上下钢管在节点区中断,施工上下柱对中困难。另外边节点无梁一侧有混凝土开裂、 脱落现象。为解决上述问题,文2提出在无梁穿过的区域保留钢管的局部连通的思路。根据这一思路提出了芯钢管连接的钢管混凝土柱半连通角节点形式,模型试验论证,试件节点性能优于不连通节点。为此,针对半连通节点试验模型的受力机理和破坏形态进行了非线性有限元分析。1 节点试件模型介绍芯钢管连接的半连通钢管混凝土柱2钢筋混凝土梁节点的主要特点是在
9、钢管混凝土柱与梁相交处开洞口,在节点内部设置芯钢管、 密排环形箍筋和竖向短筋进行补强,以保证节点的强度、 刚度和钢管混凝土柱的连续性,梁纵筋在节点中直通或直接锚固于节点核心区混凝土中。试件按照实际模型的14缩尺,节点模型试件的材料力学性能见表1。节点平立面尺寸及配筋如图1所示。材料力学性能表1名称材料直径或壁厚 (mm)弹性模量(105Nmm2)屈服强度fy或抗压强度fc(Nmm2)梁纵筋HRB235617421224397170节点竖筋及梁纵筋 冷拔丝4172210396751453节点环箍8#铁丝315821336420138外钢管Q235218021272309113芯钢管Q235415
10、621270390111混凝土C300130126130注:3 为条件屈服强度。83图1 试件尺寸及配筋2 有限元分析模型的建立 节点模型试验时,一根梁加单调荷载,另一根梁加 低周往复荷载。试验结果表明,梁的荷载形式和破坏 对节点和柱的影响很小。因此在建立有限元模型时做 了适当的简化:1)不考虑钢管与混凝土、 钢筋与混凝土 之间的滑移,采用位移协调的分离式有限元分析模型;2)角节点的两根梁均只施加单调荷载,不考虑另一根 梁施加低周往复荷载的情况;3)根据对称性,取节点模 型的一半进行计算分析。211单元类型的选取 根据前述简化结果,建立节点有限元计算模型如 图2所示,其中混凝土采用Solid6
11、5单元,共2 252个;钢 管采用Solid45单元,共415个;钢筋采用Link单元,共824个,共计3 408个单元。节点核心区芯管及钢筋骨 架如图3所示。图2 节点有限元计算模型图3 节点核心区芯管及钢筋骨架212混凝土本构关系及破坏准则的确定 在节点试件中框架梁为普通混凝土构件,大钢管及芯钢管内的混凝土三轴受压,节点区芯钢管外密排 环箍内的约束混凝土虽也是三轴受压,但其所受的约 束作用没有钢管内的混凝土强。因此,对于各种不同 受力状态的混凝土采用不同的本构关系。 (1)柱钢管和节点芯钢管内的混凝土的本构关系,选用文5的公式。当c 0时,c=0Ac 0-Bc 02当c0时,c=0(1 -
12、q) +0qc 0011 (1112)c=0c 01 (c 0- 1)2+c 0(0132抗压强度fcc= (1 +015t)fcfcc= (0155 +119t)fc峰值应变pc= (1 +215t)ppc= ( - 612 +25t)p曲线方程x= pcy= fccx110:y=1x+ (3 - 21)x2+ (1- 2)x3x110:y=x 2(x- 1)2+xy=x0168- 0112x 0137 +0151x111注:混 凝 土C20C30时,1= ( 1 + 118t)a,2=(1 - 11750155t)d,其中a,d为素混凝土的曲线参数,按表3取值。全曲线方程参数的选用表表3强
13、度等级水泥标号adp(10- 3)C20 ,C3032521201411404251170181160C40425117210118093ANSYS中,对于Solid65单元,采用William2Warnker 五参数破坏准则和拉应力准则的组合模式来描述混凝 土的非线性特性。213钢材本构关系 对于钢管、 环向及竖向钢筋采用理想弹塑性模型, 对于梁钢筋采用双线性随动强化模型,强度准则均选 用Mises屈服准则。图4 节点试件混凝土本构关系曲线3 有限元计算结果分析 在进行有限元计算时,共划分了三个荷载步,即第一阶段施加柱顶荷载800kN ,第二阶段施加梁端荷载 至破坏,第三阶段继续施加柱顶荷载
14、至试件破坏,以下 对计算结果进行分析。311节点试件承载力分析为了分析钢筋混凝土梁的破坏对节点试件受力性 能的影响,进行了仅柱端加载和柱端、 梁端都加载两种 情况下节点试件承载力的对比计算分析。仅柱端加载时,节点试件的最大承载力为970192kN;柱端和梁端都 加载时,节点试件的最大承载力为955192kN ,梁端最大承载力为24kN。由此可见,钢筋混凝土梁的破坏,对 节点试件的承载力的影响较小。两个模型试验的试件 极限承载力的平均值为1 143kN ,梁端极限承载力平均值为1811kN。有限元计算得到的节点试件的承载力比 试验值小,而梁的承载力则比试验值要高。这种差异主要是由于材料的本构关系
15、与实际情况的误差造成 的;同时,梁的钢筋在试验中有滑移产生,而有限元计 算时,没有考虑钢筋与混凝土之间的滑移,所得梁的承载力比试验值高。有限元计算时,有梁端加载和无梁 端加载两种情况下试件的破坏,最终都是源于钢管混 凝土柱的破坏,而节点核心区均完好,与试验时观察到 的现象完全吻合。表明该节点力学性能优越,节点完全满足 “强柱、 弱梁、 节点更强” 的抗震设计要求。312变形分析 有限元分析与试验两种情况下所得试件竖向荷载 2位移曲线比较如图5所示,曲线吻合较好。有限元计图5 柱荷载2位移曲线比较 算在弹性阶段的刚度稍 大,试件屈服时的位移接 近两个试件试验位移值 的平均值,屈服荷载和极 限荷载
16、略低于试验值。313应力分析11 柱钢管应力分析 柱钢管在加载的三个阶段的von Mises应力云图如 图6所示。由图(a)可见,在柱端作用800kN荷载时, 钢管除节点核心区局部连通的钢管外,应力基本上都 已经接近或达到屈服,分布非常均匀,节点核心区的局 部连通钢管除了在洞口角部应力集中部位外,绝大部 分应力值处于弹性状态。由图(b)可见,在梁端荷载的 作用下,柱钢管的应力分布发生了一些变化,梁端的弯 矩传给柱,在与柱接触处作用了一个力偶,应力呈反对 称分布。由图(c)可见,节点发生破坏时,除节点区局 部连通的钢管应力略低外,上下钢管的应力分布非常 均匀,均已处于屈服状态。这也说明节点中的竖筋、 芯 钢管、 混凝土也能很好地传递各种内力。半连通部分的 钢管主要起构造作用、 模板作用、 上下钢管对中等作用。图6 柱钢管von Mises应力云图(M
