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(diǎn)分析蔣運(yùn)林1 李國(guó)華2 （1廣東省建筑設(shè)計(jì)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(diǎn)形式穿芯螺栓平端板節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其用通用有限元計(jì)算程序ANSYS進(jìn)行了三維非線(xiàn)性有限元分析，從而得到此節(jié)點(diǎn)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(diǎn)；穿芯螺栓平端板節(jié)點(diǎn)中圖分類(lèi)號(hào)：TU 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(diǎn)，同時(shí)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)一般外形規(guī)則，梁柱連接相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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(guó)對(duì)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(jì)方法的研究，而對(duì)節(jié)點(diǎn)的研究相對(duì)較少，而在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)類(lèi)型，對(duì)方形鋼管混凝土梁柱半剛性連接的研究并不多見(jiàn)。文獻(xiàn)1對(duì)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(diǎn)做了試驗(yàn)研究及有限元分析，宗周紅等通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究了矩形鋼管混凝土柱與鋼梁兩種半剛性節(jié)點(diǎn)加勁端板連接與雙T板連接節(jié)點(diǎn)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(diǎn)構(gòu)造要求，設(shè)計(jì)了一種方形鋼管混凝土柱與H型鋼梁半剛性連接節(jié)點(diǎn)：穿芯螺栓平端板連接節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了三維非線(xiàn)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(diǎn)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(diǎn)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(guò)穿芯螺栓連接，螺栓直徑為d=，為了防止混凝土不被過(guò)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(xiàn)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(jì)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(diǎn)實(shí)體單元Solid 65，單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度；鋼管與鋼梁采用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid 45，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度；螺帽近似按圓形考慮，采用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)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(lèi)型為柔體柔體接觸類(lèi)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(duì)稱(chēng)性原理，取模型的一半進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析，網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖2。整個(gè)模型具有11921個(gè)節(jié)點(diǎn)， 12482個(gè)單元，35763個(gè)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(guò)程中不會(huì)發(fā)生螺栓脫落現(xiàn)象，即認(rèn)為螺栓與螺栓帽之間無(wú)相對(duì)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(diǎn)受力特性。2 計(jì)算及分析結(jié)果 通過(guò)有限元分析可以得到節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度以及節(jié)點(diǎn)彎矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線(xiàn)等情況，可以詳細(xì)了解鋼管混凝土柱鋼梁半剛性節(jié)點(diǎn)在靜荷載作用下的工作特性。具體如下：2.1 節(jié)點(diǎn)受力特性 通過(guò)設(shè)計(jì)APDL（Ansys 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)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(diǎn)在外力荷載下的破壞機(jī)理：隨著梁端荷載F的逐級(jí)增加，當(dāng)梁端荷載為F時(shí)，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(shí)，鋼管內(nèi)混凝土在與螺栓相接觸的點(diǎn)開(kāi)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(shí)該點(diǎn)混凝土不能繼續(xù)承受逐漸增長(zhǎng)的外荷載，增加的外荷載由此點(diǎn)附近的混凝土來(lái)承擔(dān)；當(dāng)梁端荷載F增加時(shí)，鋼管螺栓孔附近的材料開(kāi)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(shí)，端板最上排螺栓孔與螺栓接觸處某點(diǎn)鋼材達(dá)到材料極限強(qiáng)度，我們可以認(rèn)為此時(shí)連接節(jié)點(diǎn)達(dá)到破壞狀態(tài)，結(jié)構(gòu)施加的荷載達(dá)到節(jié)點(diǎn)的極限荷載， （b） A-AAAB隨著荷載的增加，CBC（a） 節(jié)點(diǎn)變形示意圖 （c） B-B （

10、d） C-C圖3 節(jié)點(diǎn)變形及管內(nèi)混凝土螺栓孔受力示意圖此時(shí)，節(jié)點(diǎn)的彎矩為。D在梁端豎向荷載作用下節(jié)點(diǎn)變形示意見(jiàn)右圖圖3（a），端板以其左下端與柱的接觸點(diǎn)D為中心產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(lái)承擔(dān)；當(dāng)荷載增加時(shí)，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(lái)抵抗剩余的軸力，因此在柱的另一側(cè)（無(wú)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(shí)，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(guò)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(guò)早破壞。從整個(gè)分析過(guò)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?。▓D3（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(diǎn)D處為中心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)過(guò)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(duì)較小，節(jié)點(diǎn)的變形主要由

12、端板的變形引起；同時(shí)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(shí)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(diǎn)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(guò)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(duì)混凝土的約束作用在模型中未能體現(xiàn)出來(lái)，但在整個(gè)受力過(guò)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(diǎn)的受力特性可

13、以不考慮鋼管對(duì)混凝土的約束。圖4 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的特性圖6 穿芯螺栓端板齊平節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)初始剛度；連接轉(zhuǎn)角；形狀參數(shù) 通過(guò)有限元分析可以得到的節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)如右圖（圖6），連接節(jié)點(diǎn)的極限彎矩，是鋼梁極限彎矩的（鋼梁極限彎矩），通過(guò)曲線(xiàn)擬合可知節(jié)點(diǎn)的初始剛度為。從節(jié)點(diǎn)的初始剛度和極限彎矩這兩方面來(lái)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(diǎn)的變形特性主要以受剪變形為主，同時(shí)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(diǎn)的各個(gè)部件的變形引起

14、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角通過(guò)下式計(jì)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(zhǎng)量。由于鋼管混凝土柱的側(cè)向剛度較大，對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的貢獻(xiàn)較小，通過(guò)計(jì)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(diǎn)的彎矩轉(zhuǎn)角公式可以用RichardAbbott6公式來(lái)表示： （2）式中為節(jié)點(diǎn)的彎矩，為節(jié)點(diǎn)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，為參考彎矩（此處?。?，為節(jié)點(diǎn)的初始剛度，為曲線(xiàn)形狀參數(shù)，與節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造有關(guān)，通過(guò)迭代計(jì)算得出曲線(xiàn)的形狀參數(shù)。圖6中顯示的RichardAbbot

15、t計(jì)算曲線(xiàn)與有限元計(jì)算結(jié)果吻合較好，說(shuō)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(diǎn)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(duì)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(diǎn)進(jìn)行了三維非線(xiàn)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(diǎn)是一種主要以受剪變形為主，同時(shí)含有一定的彎曲變形的半剛性連接節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)半剛性連接節(jié)點(diǎn)的受力特性進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)造。2. 采用穿芯螺栓連接時(shí)，在應(yīng)力較高部位會(huì)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(diǎn)采用穿芯螺栓連接時(shí)，應(yīng)在節(jié)點(diǎn)區(qū)域受

16、力比較集中的地方設(shè)置適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)防止鋼管內(nèi)混凝土過(guò)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(shí)鋼管混凝土采用較高標(biāo)號(hào)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(hào)過(guò)高時(shí)帶來(lái)一系列其他影響因素，應(yīng)慎重綜合考慮，爭(zhēng)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(jí)、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(diǎn)的各個(gè)組件可以協(xié)調(diào)受力，半剛性節(jié)點(diǎn)的極限彎矩會(huì)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(diǎn)可以采用Richard-Abbott公式反映節(jié)點(diǎn)彎矩與梁端相對(duì)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(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究J建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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(guò)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