方鋼管混凝土柱_鋼梁外隔板式節(jié)點非線性有限元分析

1、第35卷第1期2009年2月四川建筑科學(xué)研究SichuanBuildingScience59方鋼管混凝土柱鋼梁外隔板式節(jié)點非線性有限元分析黃炳生,杜培源,樊建慧(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京210009)摘要:選擇合適的材料本構(gòu)模型,利用三維實體單元,對方鋼管混凝土柱鋼梁外隔板式節(jié)點建立了同時考慮幾何非線性和材料非線性的有限元分析模型,模擬分析了單調(diào)加載下節(jié)點的受力性能,較為精確地分析了節(jié)點區(qū)應(yīng)力分布。結(jié)果表明,由有限元模型所得的位移曲線與試驗所得的低周反復(fù)荷載作用下的骨架曲線極為相似,由有限元模型所得的應(yīng)變分布和發(fā)展規(guī)律與試驗結(jié)果一致。外隔板式節(jié)點的梁端彎矩一部分通過柱腹板兩側(cè)隔板傳遞

2、到柱鋼管腹板和核心混凝土,另一部分則主要通過柱角兩內(nèi)側(cè)各0125倍柱寬范圍內(nèi)的隔板直接傳遞給柱鋼管翼緣和核心混凝土,柱角附近的隔板出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中,節(jié)點因受壓翼緣屈曲、梁翼緣變截面最窄處形成塑性鉸而破壞。關(guān)鍵詞:方鋼管混凝土柱;鋼梁;外隔板式節(jié)點;非線性有限元;應(yīng)力分布中圖分類號:TU398.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1008-1933(200901-059-NonlinearanalysisonconnectionsbetweensquareconcretefilledsteelsHUANGBingsheng,J(CollegeofTechnology,Nanjing210009,Chin

3、a)Abstract:by3Dsolidelement,thenonlinearFEMmodelsofouterdiaphragmconnectionbetweenconcrete2filledcolumnsandsteelbeamsinvolvinggeometriclargedeformationandmaterialnonlinearispresented.Jointbehaviorsandstressdistributionareanalyzedunderthemonotonicload.Theresultsindicatethatthemonotonicload2displaceme

4、ntcurves,stressdistributionanddevelopingfromtheFEMagreewellwithframeworkcurvesofthecyclicbehaviorfromthelow2cyclereversedloadingtests.Someoftheendmomentsofbeamsaretransformedtothecolumntuberwebandthecoreconcreteatthepanelzonebytheouterdiaphragmconnectedtothecolumnweb.Othersaredirectlytransformedtoth

5、ecolumntuberflangeandthecoreconcretebythediaphragmnearthecolumncorner.Seriousstressconcentrateisoccurredindiaphragmnearthecolumncorner.Thespecimenisfailurebecausecompressedflangesarebuckledandtheplastichingesareformedatnarrowestsection.Diagonalcompressionstrutmechanismisformedinconcreteatpanelzone.K

6、eywords:concretefilledsquaresteeltube;steelbeam;outerdiaphragmjoint;nonlinearFEM;stressdistribution0引言以方(矩)形鋼管混凝土柱與鋼梁形成的框架結(jié)構(gòu)體系充分發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的長處,具有外形美觀、承載力高、抗震性能好、施工周期短、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點,近幾年來,在我國住宅、辦公樓、工業(yè)廠房等多層鋼結(jié)構(gòu)工程中逐漸得到應(yīng)用與122發(fā)展。方(矩)形鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點是結(jié)構(gòu)的重要部位,CECS1592004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程推薦了內(nèi)隔板式、外隔板式和外伸內(nèi)隔板式3種節(jié)點形式。對多層

7、建筑,柱截面尺寸不大,采用冷成型方(矩)形鋼管是發(fā)展趨勢,由于鋼管柱內(nèi)徑比較小,內(nèi)隔板的焊接很難實現(xiàn),外伸內(nèi)隔板式需把柱在節(jié)點處斷開,外隔板節(jié)點可避免這些問題,但國內(nèi)未見對此類節(jié)點的研究。325人們在連接節(jié)點試驗研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行節(jié)點的非線性有限元分析,可以經(jīng)濟(jì)地深入了解節(jié)點629的受力性能。本文在方鋼管混凝土柱鋼梁外隔板節(jié)點梁端作用低周反復(fù)荷載的擬靜力試驗研究10的基礎(chǔ)上,同時考慮大變形的幾何非線性和材料非線性等因素,按試件尺寸建立三維實體模型,通過合理的單元選取和網(wǎng)格劃分,對方鋼管混凝土柱與鋼梁外隔板式節(jié)點進(jìn)行了有限元分析,模擬單調(diào)加載作用下外隔板式節(jié)點的受力性能,以期達(dá)到較為精確地分析節(jié)

8、點區(qū)應(yīng)力分布和塑性發(fā)展過程。收稿日期:2007206219作者簡介:黃炳生(1962-),男,江蘇啟東人,副教授,博士,研究方向為鋼結(jié)構(gòu)理論及應(yīng)用、空間結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。基金項目:江蘇省普通高校自然科學(xué)研究計劃資助項目(04KJB560049)E-mail:hsah860四川建筑科學(xué)研究第35卷1有限元分析模型的建立1.1鋼材本構(gòu)關(guān)系和屈服準(zhǔn)則常用的鋼材本構(gòu)關(guān)系有雙折線模型、多折線模型等,這些本構(gòu)關(guān)系模型雖然定義簡單,但精度不高,難以精確地描述鋼材在非線性階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。本文鋼材本構(gòu)關(guān)系根據(jù)鋼材拉伸試驗獲得,應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。采用Von.圖1鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線Mises屈服準(zhǔn)則,隨動強F

9、ig.1Stress2straincurveofsteel化模型。1.2混凝土本構(gòu)關(guān)系和屈服準(zhǔn)則=sin-1)C=(3)6cos2+c-tct2(4)k=3(c+t)3(c+t)c和t分別為受壓屈服應(yīng)力和受拉屈服應(yīng)式中力。本文有限元分析時各材料參數(shù)的取值見表1,其中,膨脹角f被用來控制體積的大小,計算中采用f=。表1填充混凝土的材料參數(shù)Table1Thematerialparameterofthefilledconcrete抗拉強度抗壓強度彈性模量粘聚力c內(nèi)摩擦角膨脹角2混凝土屬于顆粒狀材料,離散性較大,且受壓屈服強度遠(yuǎn)大于受拉屈服強度,受剪時顆粒會膨脹,常用的Von.Mises屈服準(zhǔn)則不適合

10、這種材料。D2P(Drucker2Prage)許多研究者和大型軟件采用修正的Von.Mises,但其屈服強,其塑性行為被假定為理想彈塑性。另外,該準(zhǔn)則考慮了由于屈服引起的體積膨脹。本文采用雙線性模型,D2P屈服準(zhǔn)則。11屈服條件為:F=I1+2-Fy=0112131.3,x,y兩個方y(tǒng),。與試驗一致,柱頂施加400。為了模擬試驗中腳手架對梁的水平約束作用,防止梁出現(xiàn)整體失穩(wěn),在梁端部翼緣兩側(cè)施加了y方向的水平約束,如圖2所示。在柱兩側(cè)梁端部施加z方向的反對稱位移荷載,加載采用位移控制,并逐圖2試件有限元模型級加大,以便與試驗進(jìn)行Fig.2Elementmodelofspecimens比較。1.

11、4單元的選擇與劃分有限元模型的尺寸與試驗試件尺寸相同,如圖3所示。節(jié)點有限元分析模型中,鋼管、鋼梁、節(jié)10(1)式中I1應(yīng)力第一不變量;J2應(yīng)力偏量第二不變量;,Fy與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。=Fy)3(3-sin3(3-sin(2)圖3模型尺寸Fig.3Dimensionofmodes2009No11黃炳生,等:方鋼管混凝土柱鋼梁外隔板式節(jié)點非線性有限元分析61點板采用實體單元solid45進(jìn)行劃分,混凝土采用8節(jié)點非線性實體單元solid65,單元全部采用映射劃分,在節(jié)點域及其附近,由于應(yīng)力梯度較大且本文主要研究節(jié)點的性能,適當(dāng)加密網(wǎng)格,在遠(yuǎn)離節(jié)點域部分,則采用較稀疏的網(wǎng)格,試件內(nèi)填混凝土的單

12、元劃分如圖4所示,鋼材的單元劃分如圖5所示。圖4內(nèi)填混凝土單元劃分Fig.4Meshofthefilledconcrete圖6.6i2dmentcurve、試件的初始缺陷、加載點的偏心等不利因素,因而有限元計算的承載力和延性較好。SJ-02C有限元分析所得的屈服荷載、極限荷載、極限位移及延性系數(shù),均大于SJ-01C的結(jié)果,與試驗圖5鋼材單元劃分Fig.5Meshofsteelcolumnsandbeams結(jié)果一致。2.2節(jié)點應(yīng)力分布和發(fā)展有關(guān)的研究表明,加入粘結(jié)單元對鋼管混凝土性能的影響不明顯,本次分析中,假設(shè)鋼材與混凝土之間完全粘結(jié)。14圖7、圖8分別為試件SJ-01C,SJ-02C屈服時1

13、-1截面(變截面處)、2-2截面處(梁翼緣根部)(圖9)有限元分析所得應(yīng)變分布與試驗結(jié)果的比較,可以看出,有限元分析的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較為吻合。2有限元結(jié)果分析2.1荷載位移曲線圖6為有限元分析所得的SJ-01C,SJ-02C荷載位移曲線與試驗骨架曲線比較,表2為有限元分析所得的試件性能與試驗結(jié)果對比。表2試件SJ-01C和SJ-02C性能參數(shù)Table2PerformanceofSJ-01CandSJ-02C試件編號SJ-01CSJ-02CPyy13.213.813.012.3Puu38.748.345.555.4試驗有限元試驗有限元78.591.082.196.7118.2141.7140.

14、4164.2延性系數(shù)3.03.53.54.5可以看出,試驗的骨架曲線和由有限元計算出的曲線形態(tài)相似,但有限元分析得到的屈服荷載、極限荷載、極限位移及延性系數(shù)均大于試驗結(jié)果,這是因為有限元分析的結(jié)果是在單調(diào)加載下獲得的,而試驗是反復(fù)循環(huán)加載,并且有限元分析中沒有考慮圖7SJ-01C截面應(yīng)變比較Fig.7ComparisonofsectionstrainonSJ-01C圖10為試件SJ-01C,SJ-02C屈服時的Mises應(yīng)力分布圖,可以看出,節(jié)點屈服時,1-1截面柱角62四川建筑科學(xué)研究第35卷處翼緣和2-2截面梁翼緣外伸端部已經(jīng)屈服,而節(jié)點域仍處于彈性階段遠(yuǎn)未達(dá)到屈服,與試驗分析結(jié)果一致。鋼

15、管腹板外側(cè)隔板也處于彈性階段。試件SJ-01C和SJ-02C在不同荷載下1-1截面、2-2截面處的應(yīng)變分布和發(fā)展如圖11和圖12所示,在荷載較小時,1-1截面、2-2截面上應(yīng)變還算均勻。隨著梁端荷載增大,1-1截面翼緣邊緣應(yīng)變增長較快,不均勻性逐漸加劇,但全截面屈服形成塑性鉸;而2-2截面柱角附近,翼緣應(yīng)變增長較快,出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象,翼緣中部約柱截面寬度一半的范圍內(nèi)應(yīng)變增長緩慢,一直處于彈性階圖8SJ-02C截面應(yīng)變比較Fig.8ComparisonofsectionstrainonSJ-02C段。因此,外隔板式節(jié)點在1-1截面主要靠柱角附近的隔板傳遞彎矩,;另一01為柱截面寬?？?。圖9

16、Fig.9Locationsection圖11SJ-01C截面應(yīng)變發(fā)展Fig.11StraindevelopingofSJ-01C圖10試件屈服時Mises應(yīng)力分布Fig.10Misesstresscontourwhenspecimensyielding圖12SJ-02C截面應(yīng)變發(fā)展Fig.12StraindevelopingofSJ-02C2009No11黃炳生,等:方鋼管混凝土柱鋼梁外隔板式節(jié)點非線性有限元分析63圖13為梁全截面屈服時試件Mises應(yīng)力圖,試件在梁變截面處形成塑性鉸,塑性鉸有一定的分布長度,柱端應(yīng)力較小,柱外側(cè)隔板應(yīng)力更小,中節(jié)點域鋼板應(yīng)力明顯大于邊節(jié)點域鋼板應(yīng)力。梁端腹

17、板及與之連接的柱鋼管翼緣應(yīng)力也較小。圖14試件核心區(qū)混凝土第三主應(yīng)力Fig.14Thirdprincipalstresscontourofthefilledconcreteatpanelzone帶狀分布,和斜壓桿模型相吻合。從圖14中還可以圖13梁全截面屈服時試件Mises應(yīng)力Fig.13Misesstresscontourwhenthesectionofthebeamyielding看出,中節(jié)點斜壓桿區(qū)域發(fā)展較充分,邊節(jié)點在無梁一側(cè)形成的斜壓桿寬度較小;外隔板式節(jié)點核心區(qū)混凝土形成的斜壓桿區(qū)域在梁的兩受壓翼緣之間。2.3節(jié)點核心區(qū)混凝土剪力傳遞模型節(jié)點剪力由鋼管壁和核心區(qū)的混凝土共同承擔(dān),但

18、在試驗時沒有測定節(jié)點核心區(qū)混凝土應(yīng)變,下面,利用有限元計算的結(jié)果加以分析。圖14為試件SJ-01C,SJ-02C屈服時內(nèi)填混凝土節(jié)點核心區(qū)的第三主應(yīng)力分布圖。從圖上可以看出,節(jié)點核心區(qū)混凝土的應(yīng)力關(guān)于x軸大致呈反對稱分布,節(jié)點核心區(qū)及其附近應(yīng)力較大,離節(jié)點核心區(qū)較遠(yuǎn)處應(yīng)力較小,最大應(yīng)力出現(xiàn)在梁的受壓翼緣附近,應(yīng)力較大的區(qū)域呈傾斜的帶狀分布,中節(jié)點的變形和核心區(qū)混凝土的應(yīng)力明顯大于邊節(jié)點,與節(jié)點域鋼板的Mises應(yīng)力和剪切變形相吻合。圖15節(jié)點域混凝土剪力傳遞模型Fig.15Sheartransfermodelinpanelzone2.4節(jié)點的破壞試件SJ-01C,SJ-02C破壞時的情況如圖1

19、6所示。從圖中可以看出,兩種節(jié)點破壞時塑性鉸沿梁長方向得到進(jìn)一步的發(fā)展,柱鋼管應(yīng)力明顯小于梁中應(yīng)力,梁翼緣變截面最窄處梁和腹板出現(xiàn)了明顯的局部屈曲現(xiàn)象,但試驗時只在梁端部翼緣出現(xiàn)輕微的局部屈曲現(xiàn)象10目前,節(jié)點核心區(qū)混凝土的剪力傳遞模型多采用斜壓桿模型15,如圖15所示,即認(rèn)為在節(jié)點核心區(qū)混凝土主要依靠兩側(cè)鋼管壁之間的一傾斜區(qū)域的混凝土來承擔(dān)剪力。從上面有限元分析結(jié)果可知,節(jié)點核心區(qū)混凝土第三主應(yīng)力較大的區(qū)域呈傾斜的,其原因是節(jié)點在試驗時都出現(xiàn)了焊縫斷裂。焊縫質(zhì)量對節(jié)點的性能有較大的影響,因此,制造時一定要保證焊縫質(zhì)量,才能使節(jié)64四川建筑科學(xué)研究第35卷點具用良好的性能。(5)剪力由鋼管壁和

20、核心區(qū)混凝土共同承擔(dān),節(jié)點核心區(qū)混凝土應(yīng)力較大的區(qū)域呈傾斜的帶狀分布,符合斜壓桿受力機制。(6)梁柱連接焊縫是傳力的關(guān)鍵部位,焊縫質(zhì)量對節(jié)點的性能有較大的影響,只有焊縫質(zhì)量的保證,才能使節(jié)點具有良好的受力性能。參考文獻(xiàn):1趙風(fēng)華,杜建明.方鋼管混凝土柱在多層輕鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用J.工業(yè)建筑.2003,33(9):82284.2韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)理論與實踐M.北京:科學(xué)出版社,2000.3RiclesJM,PengSW,LuLW.Seismicbehaviorofcompositecon2cretefilledsteeltubecolumn-widebeammomentconnec2tionJ.

21、JournalofStructural2004,130(2):2232232.4,等.,2004,25(1):9216.5,陳慧文,等.方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2005,26(1):77284.6周天華,郭彥利,盧林楓,何?？?方鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)圖16Fig.16Mspecimenfailure點的非線性有限元分析J.西安科技大學(xué)學(xué)報,2005,25(3):2832287,316.7宗周紅,葛繼平,楊躍強.反復(fù)荷載作用下方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點非線性有限元分析J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2006,273結(jié)語通過方鋼管混凝土柱工字鋼梁外隔板式節(jié)點的非線性有限元分析,驗證了試驗分

22、析結(jié)果,得到主要結(jié)論如下:(1)有限元分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較為吻合,從而證明有限元分析結(jié)果是可靠的。但由于在有限元計算過程中沒有考慮鋼材的殘余應(yīng)力、試件的初始缺陷、加載點的偏心以及加載方式的不同,由有限元分析的屈服荷載、極限荷載、極限位移及延性系數(shù)均大于試驗結(jié)果。(2)外隔板式節(jié)點柱角附近的隔板出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象,而翼緣中部約柱截面寬度一半的范圍內(nèi)應(yīng)變較小,直至節(jié)點破壞仍處于彈性階段。(3)外隔板式節(jié)點的梁端彎矩一部分由柱腹板兩側(cè)外隔板傳遞到柱鋼管腹板和核心區(qū)混凝土;另一部分則主要通過柱角內(nèi)側(cè)大約0.25倍柱截面寬度范圍的隔板傳遞到柱鋼管翼緣和核心混凝土。(4)外隔板式節(jié)點因受壓翼緣屈曲、梁翼緣變截面最窄處形成塑性鉸而破壞。(2):75281.8AlostagYM,SchneiderSP.Analyticalbehaviorofconnectionstoconcrete-filledsteeltubesJ.Journa