方鋼管混凝土柱與鋼梁半剛性連接三維有限元分析

1、方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁半剛性連接節(jié)點分析蔣運林1 李國華2 （1廣東省建筑設(shè)計研究院， 廣州 510010）（2河海大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 210098）摘要：本文介紹了一種方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁半剛性連接節(jié)點形式穿芯螺栓平端板節(jié)點，并對其用通用有限元計算程序ANSYS進(jìn)行了三維非線性有限元分析，從而得到此節(jié)點在外力荷載作用下的受力特性及其彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系。關(guān)鍵詞：方形鋼管混凝土；梁柱半剛性節(jié)點；穿芯螺栓平端板節(jié)點中圖分類號：TU 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A3D FEM Analysis on Behavior of Concrete Filled Square TubeColumn to Ste

2、el Beam Semi-rigid ConnectionAbstract: A new type of square concrete-filled steel tube column-to-H steel beam semi-rigid connections, namely flush end plate though-bolted connection, was designed, and then 3D nonlinear FEM analysis on this type of connection was developed by FEM analysis program-ANS

3、YS. The behavior of the joint and the relationship of between moment and relative rotation under the load were obtained through 3D nonlinear FEM analysis.Keywords: square concrete-filled steel tube; column to beam semi-rigid connection; flush end plated though-bolted connection0 前言 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于充分發(fā)揮了混凝土

4、與鋼材的材料特性，具有承載力高、塑性與韌性好、節(jié)省材料等顯著特點，同時鋼管混凝土結(jié)構(gòu)一般外形規(guī)則，梁柱連接相對簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工都較方便，是一種綜合性能優(yōu)良的新型組合結(jié)構(gòu)，在實際高層建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。方形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的一種，目前我國對方形鋼管混凝土的研究主要集中于單一構(gòu)件受力性能及設(shè)計方法的研究，而對節(jié)點的研究相對較少，而在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，節(jié)點設(shè)計的好壞也是結(jié)構(gòu)安全與否的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)有的方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁的連接主要有剛接與鉸接兩種節(jié)點類型，對方形鋼管混凝土梁柱半剛性連接的研究并不多見。文獻(xiàn)1對方鋼管混凝土柱與鋼梁上下頂

5、底角鋼半剛性連接節(jié)點做了試驗研究及有限元分析，宗周紅等通過擬靜力試驗研究了矩形鋼管混凝土柱與鋼梁兩種半剛性節(jié)點加勁端板連接與雙T板連接節(jié)點的抗震性能 2。為此，本文參照文獻(xiàn)1的模型尺寸，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造要求，設(shè)計了一種方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁半剛性連接節(jié)點：穿芯螺栓平端板連接節(jié)點，并通過通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS對該節(jié)點進(jìn)行了三維非線性有限元分析，了解其在外力作用下的受力性能、應(yīng)力分布情況及節(jié)點彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系。1 有限元模型介紹方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁連接的穿芯螺栓平端板節(jié)點形式如圖1，方鋼管尺寸為，H型鋼梁翼緣寬度、厚度，梁腹板厚度，梁高；鋼梁與端板采用剖口全熔焊透連接，端板厚度；

6、柱與端板通過穿芯螺栓連接，螺栓直徑為d=，為了防止混凝土不被過早壓碎，在鋼管柱的另一側(cè)設(shè)置螺栓墊板，厚度為t=。圖1 模型試件尺寸梁端力；柱軸壓力 鋼管內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度為，彈性模量；鋼管屈服強(qiáng)度為，鋼梁及端板屈服強(qiáng)度為；鋼管及鋼梁彈性模量為，采用雙線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，屈服后的彈性模量為。 圖2 模型3D有限元網(wǎng)格有限元計算模型中，混凝土采用能夠反映混凝土特性的六面體八節(jié)點實體單元Solid 65，單元的每個節(jié)點具有3個自由度；鋼管與鋼梁采用六面體八節(jié)點實體單元Solid 45，每個節(jié)點具有3個自由度；螺帽近似按圓形考慮，采用六面體八節(jié)點實體單元Solid 45單元，螺栓為楔形體（由Solid 4

7、5退化而成）。考慮鋼管與混凝土、鋼管與端板、鋼管與螺栓墊板、螺栓與混凝土、螺栓與鋼管、螺栓與端板以及螺栓與墊板之間的接觸。接觸類型為柔體柔體接觸類型，目標(biāo)單元選用Targe 170，接觸單元選用Conta 174，混凝土與鋼管之間的摩擦系數(shù)取0.254。鋼管與端板、墊板之間的摩擦系數(shù)為0.332。根據(jù)對稱性原理，取模型的一半進(jìn)行非線性有限元分析，網(wǎng)格劃分情況見圖2。整個模型具有11921個節(jié)點， 12482個單元，35763個自由度。假設(shè)模型不考慮鋼材的幾何缺陷，也不考慮焊縫及施焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，在受力過程中不會發(fā)生螺栓脫落現(xiàn)象，即認(rèn)為螺栓與螺栓帽之間無相對滑移，將兩者粘為一體。鋼管混凝土柱頂

8、部施加軸向均布荷載，柱軸壓比為0.4；下端固定，上端在和方向固定，即在軸力作用下，允許鋼管混凝土柱發(fā)生軸向位移。在梁端逐步施加豎向荷載，以跟蹤節(jié)點受力特性。2 計算及分析結(jié)果 通過有限元分析可以得到節(jié)點區(qū)域鋼管與管內(nèi)混凝土應(yīng)力分布、方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度以及節(jié)點彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線等情況，可以詳細(xì)了解鋼管混凝土柱鋼梁半剛性節(jié)點在靜荷載作用下的工作特性。具體如下：2.1 節(jié)點受力特性 通過設(shè)計APDL（Ansys 參數(shù)化設(shè)計語言）跟蹤可以了解方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁穿芯螺栓平端板節(jié)點在外力荷載下的破壞機(jī)理：隨著梁端荷載F的逐級增加，當(dāng)梁端荷載為F時，端板中最上排螺栓孔附近的

9、鋼材首先屈服，并且屈服區(qū)域隨著荷載的增加向著端板與鋼梁連接處不斷發(fā)展并向梁端逐漸擴(kuò)大；當(dāng)梁端荷載F達(dá)到時，鋼管內(nèi)混凝土在與螺栓相接觸的點開始達(dá)到混凝土抗壓強(qiáng)度，此處混凝土出現(xiàn)局部壓碎現(xiàn)象，此時該點混凝土不能繼續(xù)承受逐漸增長的外荷載，增加的外荷載由此點附近的混凝土來承擔(dān)；當(dāng)梁端荷載F增加時，鋼管螺栓孔附近的材料開始屈服，屈服區(qū)域隨著外荷載增加而不斷向外擴(kuò)張；當(dāng)施加于梁端的豎向荷載達(dá)到時，端板最上排螺栓孔與螺栓接觸處某點鋼材達(dá)到材料極限強(qiáng)度，我們可以認(rèn)為此時連接節(jié)點達(dá)到破壞狀態(tài)，結(jié)構(gòu)施加的荷載達(dá)到節(jié)點的極限荷載， （b） A-AAAB隨著荷載的增加，CBC（a） 節(jié)點變形示意圖 （c） B-B （

10、d） C-C圖3 節(jié)點變形及管內(nèi)混凝土螺栓孔受力示意圖此時，節(jié)點的彎矩為。D在梁端豎向荷載作用下節(jié)點變形示意見右圖圖3（a），端板以其左下端與柱的接觸點D為中心產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，穿芯螺栓在外力作用下呈受拉狀態(tài)。最上排螺栓距轉(zhuǎn)動中心距離最遠(yuǎn)，受到的拉力最大，在加荷初期，螺栓中的拉力由混凝土與螺栓之間的摩擦力來承擔(dān)；當(dāng)荷載增加時，螺栓與混凝土之間的摩擦力不足以抗衡此拉力，需要借助于螺帽承壓來抵抗剩余的軸力，因此在柱的另一側(cè)（無梁側(cè)）螺帽附近的管內(nèi)混凝土Von Mises應(yīng)力比較大（圖3（b）；荷載繼續(xù)增加時，螺帽承受的壓力也逐漸增大，但由于螺帽的面積較小，導(dǎo)致螺帽附近的管內(nèi)混凝土很容易因局部壓力過大而壓碎

11、，因此需在螺帽與鋼管壁之間加設(shè)墊板，增加管內(nèi)混凝土的受力面積，減緩管內(nèi)混凝土的過早破壞。從整個分析過程可知，中間位置穿芯螺栓受到的拉力較上排螺栓的拉力小，其螺栓孔附近的混凝土應(yīng)力也比較小（圖3（c），而底排的螺栓受力最小，它與管內(nèi)混凝土間的摩擦力足以抵抗螺栓拉力，因此管內(nèi)混凝土摩擦力較大，而螺栓孔附近的應(yīng)力較?。▓D3（d）。由于端板以其底部與柱接觸點D處為中心發(fā)生轉(zhuǎn)動，梁下翼緣的壓力猶似以集中力的形式作用于鋼管壁上，因此在此部位也形成了較大的應(yīng)力集中，材料出現(xiàn)屈服，這在設(shè)計過程應(yīng)引起注意。另外，管內(nèi)混凝土的存在使得鋼管柱的剛度迅速增加，因此在外荷載F作用下鋼管柱的側(cè)移相對較小，節(jié)點的變形主要由

12、端板的變形引起；同時混凝土又為傳遞螺栓拉力提供了傳力介質(zhì)，減輕了鋼管壁的“負(fù)擔(dān)”。由于管內(nèi)混凝土同時受到柱頂?shù)呢Q向荷載與螺栓提供的水平荷載雙向作用，因此在節(jié)點區(qū)域的管內(nèi)混凝土中形成了約的壓桿鍥體（如圖4）。由此可知管內(nèi)混凝土在螺栓孔附近出現(xiàn)的局部壓碎現(xiàn)象是由于螺栓產(chǎn)生受剪變形，擠壓管內(nèi)混凝土，在螺栓孔附近形成局部應(yīng)力過高，使得局部混凝土出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象。當(dāng)然由于ANSYS本身混凝土材料屬性的局限性，鋼管對混凝土的約束作用在模型中未能體現(xiàn)出來，但在整個受力過程中，除了在與鋼管壁直接受力接觸部位（螺栓孔附近、端板底部與柱接觸處）產(chǎn)生應(yīng)力集中以外，鋼管整體受力還是比較均勻的（圖5），因此節(jié)點的受力特性可

13、以不考慮鋼管對混凝土的約束。圖4 節(jié)點區(qū)域柱內(nèi)混凝土的應(yīng)力分布梁混凝土局部壓碎鋼管圖5 節(jié)點區(qū)域鋼管的應(yīng)力分布混凝土鋼管梁材料屈服Compress strut 2.2 平端板半剛性節(jié)點的特性圖6 穿芯螺栓端板齊平節(jié)點彎矩轉(zhuǎn)角曲線初始剛度；連接轉(zhuǎn)角；形狀參數(shù) 通過有限元分析可以得到的節(jié)點彎矩轉(zhuǎn)角曲線如右圖（圖6），連接節(jié)點的極限彎矩，是鋼梁極限彎矩的（鋼梁極限彎矩），通過曲線擬合可知節(jié)點的初始剛度為。從節(jié)點的初始剛度和極限彎矩這兩方面來考察，方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁穿芯螺栓平端板節(jié)點的變形特性主要以受剪變形為主，同時含有一定的彎曲變形，符合半剛性連接要求：5，且5。組成節(jié)點的各個部件的變形引起

14、節(jié)點轉(zhuǎn)角，節(jié)點轉(zhuǎn)角通過下式計算： （1）其中，分別為端板、柱以及螺栓變形引起的轉(zhuǎn)角，為梁高，為端板彎曲引起的變形，為柱受力引起的變形，為受拉螺栓的伸長量。由于鋼管混凝土柱的側(cè)向剛度較大，對節(jié)點轉(zhuǎn)角的貢獻(xiàn)較小，通過計算可知，由鋼管混凝土柱變形引起的轉(zhuǎn)角僅占總轉(zhuǎn)角的，可以忽略；螺栓受力變形產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角占總轉(zhuǎn)角的，其余由端板變形而產(chǎn)生。 另外，從文獻(xiàn)可知，節(jié)點的彎矩轉(zhuǎn)角公式可以用RichardAbbott6公式來表示： （2）式中為節(jié)點的彎矩，為節(jié)點的相對轉(zhuǎn)角，為參考彎矩（此處取），為節(jié)點的初始剛度，為曲線形狀參數(shù)，與節(jié)點的構(gòu)造有關(guān)，通過迭代計算得出曲線的形狀參數(shù)。圖6中顯示的RichardAbbot

15、t計算曲線與有限元計算結(jié)果吻合較好，說明Richard-Abbott公式可以反映方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁穿芯螺栓平端板半剛性節(jié)點的彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系。3 結(jié)論 本文采用ANSYS通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件對方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁穿芯螺栓平端板半剛性連接節(jié)點進(jìn)行了三維非線性分析，得出以下結(jié)論：1. 方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁穿芯螺栓平端板節(jié)點是一種主要以受剪變形為主，同時含有一定的彎曲變形的半剛性連接節(jié)點，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)半剛性連接節(jié)點的受力特性進(jìn)行設(shè)計與構(gòu)造。2. 采用穿芯螺栓連接時，在應(yīng)力較高部位會出現(xiàn)管內(nèi)混凝土局部壓碎現(xiàn)象，因此當(dāng)鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點采用穿芯螺栓連接時，應(yīng)在節(jié)點區(qū)域受

16、力比較集中的地方設(shè)置適當(dāng)?shù)拇胧﹣矸乐逛摴軆?nèi)混凝土過早地出現(xiàn)局部壓碎，如在螺帽與鋼管壁間設(shè)置墊板，加強(qiáng)端板底部與鋼管接觸部位的保護(hù)，同時鋼管混凝土采用較高標(biāo)號的混凝土，可以防止管內(nèi)混凝土在較小外力作用下提前出現(xiàn)破壞，但也應(yīng)考慮混凝土標(biāo)號過高時帶來一系列其他影響因素，應(yīng)慎重綜合考慮，爭取最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。3. 將鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級、端板材料屈服強(qiáng)度、端板厚度、鋼管材料屈服強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化后，則節(jié)點的各個組件可以協(xié)調(diào)受力，半剛性節(jié)點的極限彎矩會有進(jìn)一步的提高。4. 方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁穿芯螺栓平端板節(jié)點可以采用Richard-Abbott公式反映節(jié)點彎矩與梁端相對轉(zhuǎn)角的關(guān)系。 參考文

17、獻(xiàn)：1Shih-Wei Peng. Seismic Resistant Connections for Concrete Filled Tube Column-to-WF Beam Moment Resisting FramesD. Lehigh University, Pennsylvania, 2001, 3.2宗周紅，林于東，林杰矩形鋼管混凝土柱與鋼梁半剛性節(jié)點的抗震性能試驗研究J建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004，12，29363A. M. Citipitioglu, R. M. Haj-Ali, D. W. White. Refined 3D Finite Element Modeling of Partially-restrained Connections Including SlipJ. JournaJl of Constructional Steel Research, 2002, 58, 9951013.4過鎮(zhèn)海鋼筋混凝土原理M北京：清華大學(xué)出版社，1999，35Rafiq Hasan, Nor