某方鋼管混凝土柱鋼梁節(jié)點(diǎn)非線性有限元分析

凡 紅 鄒萬(wàn)山

(1.深圳市中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司,深圳 518057;2.深圳市深圳金光華實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司,深圳 518048)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、施工方便、耐火性能好、耐腐蝕性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)連接簡(jiǎn)單、傳力可靠、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn),從而成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1].隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注[2].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行了大量研究工作[3-6],內(nèi)隔板貫穿式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)是《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 159: 2004)推薦的節(jié)點(diǎn)形式,對(duì)這類節(jié)點(diǎn)的研究成果尚不多見(jiàn),且規(guī)程中對(duì)其受力機(jī)理及承載力計(jì)算方法均未提及.

文獻(xiàn)[7]進(jìn)行4個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的靜力破壞試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了該種節(jié)點(diǎn)形式的可行性和優(yōu)越性,但在試驗(yàn)過(guò)程中,由于試驗(yàn)測(cè)量條件的局限性,僅通過(guò)應(yīng)變片來(lái)測(cè)量關(guān)心點(diǎn)的應(yīng)變,不便于了解整個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律.本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用ABAQUS軟件建立三維有限元靜力分析模型,為進(jìn)一步了解內(nèi)隔板外伸式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)提供參考.經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的有限元模型可以有效地彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足之處,可以方便地了解任意一點(diǎn)的應(yīng)變和任意時(shí)刻構(gòu)件總體的應(yīng)力應(yīng)變分布情況,能夠很好地獲取試驗(yàn)中無(wú)法測(cè)量得到的結(jié)果,并且可以較清晰地看到各個(gè)節(jié)點(diǎn)試件主應(yīng)力分布,以及核心混凝土的受力狀態(tài),從而獲得對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能更準(zhǔn)確、更全面的認(rèn)識(shí).

1 試件概況

試件為平面中柱節(jié)點(diǎn),其中試件SZ61為規(guī)程中推薦的節(jié)點(diǎn)形式.試件的框架梁為組合工字形鋼梁,框架柱采用冷彎空心方形鋼管,鋼管柱內(nèi)填C40混凝土,試驗(yàn)鋼材為Q235B.試件示意圖如圖1所示,試件的具體構(gòu)造形式為:鋼管柱在節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi),鋼梁翼緣與外伸隔板焊接,腹板與鋼管柱通過(guò)節(jié)點(diǎn)板用高強(qiáng)螺栓連接.隔板與鋼梁翼緣和鋼管柱的所有焊縫均采用全穿透焊接,節(jié)點(diǎn)板與柱壁采用雙面角焊縫焊接[8].節(jié)點(diǎn)試件的具體截面尺寸和編號(hào)見(jiàn)表1,主要材性指標(biāo)見(jiàn)表2.

圖1 節(jié)點(diǎn)示意圖

表1 節(jié)點(diǎn)試件截面尺寸及編號(hào)

表2 材料性能參數(shù)

2 有限元模型的建立

2.1 單元類型

在本文的有限元模擬中對(duì)于鋼材和核心混凝土采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R),雖然這種單元與其它高次等參單元相比,計(jì)算精度稍低,但卻可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間,從計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性出發(fā),整個(gè)模型采用C3D8R單元.

2.2 材料本構(gòu)模型

圖2 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

混凝土是一種脆性材料,在拉,壓方向上具有不同的力學(xué)性質(zhì),各國(guó)學(xué)者對(duì)混凝土的本構(gòu)提出了不同的模式.文中采用ABAQUS中的塑性損傷模型,由于混凝土材料的復(fù)雜性,其本構(gòu)關(guān)系也因?yàn)槭芰顟B(tài)的不同而不同,核心混凝土處于方鋼管的圍壓作用下,因此受壓曲線采用韓林海提出的約束混凝土本構(gòu)模型,而受拉曲線則采用單軸作用下受拉本構(gòu)模型[10].

2.3 模型的建立與求解

為減少單元數(shù)量,利用對(duì)稱性取一半模型計(jì)算,試件的有限元整體模型如圖5所示.建模時(shí),根據(jù)受力簡(jiǎn)圖,在柱端放置剛度很大的墊塊,通過(guò)在墊塊上施加均布面荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)軸心受壓.根據(jù)力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖,在柱頂和柱腳設(shè)為鉸節(jié)點(diǎn),因此在柱頂施加x,y方向的約束,在柱腳施加 x,y,z 3個(gè)方向的約束,在對(duì)稱面施加y,z平面的對(duì)稱邊界,求解時(shí),首先在柱頂施加均布荷載,然后保持柱頂?shù)暮奢d不變,在梁端進(jìn)行位移加載.利用增量迭代法進(jìn)行非線性方程組求解,采用牛頓法進(jìn)行迭代計(jì)算,分析過(guò)程中考慮了幾何非線性作用[11].

圖5 節(jié)點(diǎn)三維有限元模型

3 有限元計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 極限承載力的對(duì)比

有限元計(jì)算得到的荷載值與試驗(yàn)中試件的承載力對(duì)比見(jiàn)表3,有限元分析得到的極限荷載值和試驗(yàn)的破壞荷載相差較小,表明有限元模型可以較好地反映節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作狀態(tài).

表3 節(jié)點(diǎn)承載力試驗(yàn)值與有限元值對(duì)比

3.2 荷載-位移曲線的對(duì)比分析

從圖6可以看出,試件在加載初始階段試驗(yàn)值與計(jì)算值兩者吻合地較好,進(jìn)入非線性階段后,后3個(gè)試件兩者相差較大,試驗(yàn)曲線剛度比有限元模擬的剛度小,而試件SZ61兩者吻合地較好.這是由于后3個(gè)試件的梁端翼緣增加了鋼側(cè)板,使梁端翼緣的寬厚比增加,鋼梁的局部穩(wěn)定性減小,且試件加工過(guò)程中不可避免地存在一定的缺陷,加載過(guò)程中鋼梁更易發(fā)生平面外扭曲,而在有限元模擬中無(wú)法考慮構(gòu)件的原始缺陷,并且對(duì)于邊界條件的模擬也有一定的差異,一般情況下試驗(yàn)中的支座和各種支承不可能達(dá)到理論分析的絕對(duì)剛性,從而使后3個(gè)試件的荷載-位移曲線相差較大.但隨著荷載的增加,變形的發(fā)展趨勢(shì)一致,表明有限元方法還是能夠很好地模擬構(gòu)件的整體受力性能,這為進(jìn)一步運(yùn)用有限元方法探討節(jié)點(diǎn)的受力性能提供了正確的依據(jù).

3.3 節(jié)點(diǎn)內(nèi)力分布及破壞機(jī)理分析

由表4中的梁柱截面抗彎剛度比η值可知,4個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的方鋼管混凝土柱的剛度遠(yuǎn)大于鋼梁,屬于典型的“強(qiáng)柱弱梁”,故在外荷載下,顯然柱子的承載能力較梁要大得多,正如試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)的破壞形式,當(dāng)梁端達(dá)到屈服,直到形成塑性鉸或局部屈曲時(shí),柱子及節(jié)點(diǎn)域仍處于彈性階段,節(jié)點(diǎn)的最終破壞均為梁端破壞.從圖7中可以明顯看出,鋼梁已經(jīng)達(dá)到屈服,柱子和節(jié)點(diǎn)域仍處于彈性狀態(tài).

表4 節(jié)點(diǎn)試件的梁柱截面彎曲剛度比值

圖7 SZ61節(jié)點(diǎn)σx應(yīng)力分布云圖

圖8 試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)的破壞形式

3.4 節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析

3.4.1 節(jié)點(diǎn)鋼梁的應(yīng)力分布云圖

從圖9中可以看出,試件SZ62梁端的拉應(yīng)力比SZ61要小,SZ61隔板與梁端的應(yīng)力相差較大,而后3個(gè)試件隔板與梁端的應(yīng)力相差較小,表明在梁端增加鋼側(cè)板后,使梁端的應(yīng)力比較均勻地傳遞給隔板,減緩了應(yīng)力集中現(xiàn)象.對(duì)于后3個(gè)試件,受壓翼緣的應(yīng)力比較接近,而受拉翼緣的應(yīng)力分布SZ81和SZ82的應(yīng)力分布比較接近,SZ62的拉應(yīng)力稍大于SZ81,表明隔板的外伸長(zhǎng)度和柱的寬厚比對(duì)鋼梁翼緣的受力影響較小.

3.4.2 節(jié)點(diǎn)隔板的應(yīng)力分布云圖

從隔板的應(yīng)力分布云圖圖10可以看出:(1)4個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的上隔板應(yīng)力分布比較均勻,而下隔板在與混凝土交界處Mises應(yīng)力減小很多,這表明節(jié)點(diǎn)上隔板承擔(dān)了上翼緣傳來(lái)的拉應(yīng)力,而壓應(yīng)力則通過(guò)下隔板傳遞給了核心混凝土柱,從而使下隔板的Mises應(yīng)力分布較上隔板要小.(2)比較試件SZ61和SZ62的應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn),在梁端增加鋼側(cè)板后,隔板的有效凈截面與鋼梁梁端的截面相差較小,隔板的應(yīng)力分布比較均勻.而試件SZ61應(yīng)力分布在中間趨于均勻,角部的應(yīng)力很小.(3)試件SZ81和SZ82的應(yīng)力云圖分布比較相似,試件SZ62上隔板的應(yīng)力稍小于SZ81上隔板的應(yīng)力,而下隔板的應(yīng)力則稍大于SZ81下隔板的應(yīng)力,表明隔板外伸長(zhǎng)度的改變對(duì)節(jié)點(diǎn)受力影響較小,而寬厚比對(duì)隔板的受力有一定的影響.

綜上所述,隔板的應(yīng)力云圖的顯示規(guī)律與試驗(yàn)中應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變變化規(guī)律是一致的.上隔板主要承擔(dān)翼緣傳來(lái)的拉力,而下翼緣傳過(guò)來(lái)的壓應(yīng)力則通過(guò)隔板傳遞給了核心混凝土.

3.4.3 核心混凝土

核心混凝土柱下隔板處的Mises應(yīng)力比較大,而上隔板處的應(yīng)力比較小,表明在上隔板處主要由隔板來(lái)承受拉力,核心混凝土并未承受很大的力,而在下隔板處,則節(jié)點(diǎn)的壓應(yīng)力由隔板傳遞給了核心混凝土柱來(lái)承擔(dān).

4 結(jié) 論

本章通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)建立有限元模型,對(duì)試件進(jìn)行了三維非線性有限元分析,通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)有限元分析得到的梁端荷載-位移曲線與試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線吻合較好,由于理論分析較試驗(yàn)的邊界條件,材料性質(zhì)等因素要理想一些,且理論模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g總存在著一定的差距,使得試驗(yàn)的曲線剛度比理論計(jì)算的小.

(2)有限元分析結(jié)果表明內(nèi)隔板外伸式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的傳力路徑清晰明確,柱的剛度遠(yuǎn)大于鋼梁的剛度,滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則.

(3)有限元分析與試驗(yàn)觀察到的試件破壞過(guò)程,應(yīng)力及變形規(guī)律一致,表明所建立的三維有限元模型是合理的,進(jìn)一步明確了該類節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和工作機(jī)理.

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