半剛性混凝土組合節(jié)點(diǎn)有限元分析

亓萌， 王冬花

(1. 安徽工商職業(yè)學(xué)院會(huì)計(jì)系，安徽 合肥 230000； 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木系，安徽 合肥 230009)

半剛性混凝土組合節(jié)點(diǎn)有限元分析

亓萌1,2， 王冬花2

(1. 安徽工商職業(yè)學(xué)院會(huì)計(jì)系，安徽 合肥 230000； 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木系，安徽 合肥 230009)

采用有限元分析SAP2000軟件，利用軟件中轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元模擬組合節(jié)點(diǎn)的半剛性，建立了半剛性鋼管混凝土組合節(jié)點(diǎn)有限元模型.對(duì)半剛性鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的荷載(P)-位移(Δ)關(guān)系滯回曲線進(jìn)行了模擬，并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性，為模擬半剛性鋼管混凝土組合框架提供了基礎(chǔ).

半剛性;組合節(jié)點(diǎn);有限元模擬;滯回曲線

1994年美國(guó)Northridge地震、1995年日本Kobe地震和1999年臺(tái)灣集集地震表明，鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)所發(fā)生的震害比人們預(yù)期的嚴(yán)重，特別是連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了大量的嚴(yán)重?cái)嗔褤p傷[1].針對(duì)上述強(qiáng)震所暴露的問題，國(guó)內(nèi)外開展了大量的相關(guān)研究工作.

半剛性鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)是指鋼管混凝土柱和鋼-混凝土組合梁通過端板和單邊高強(qiáng)螺栓連接形成的半剛性節(jié)點(diǎn).在實(shí)際工程中端板類型主要有平齊端板連接和外伸端板連接.通過節(jié)點(diǎn)區(qū)樓板內(nèi)連續(xù)貫穿鋼筋和抗剪栓釘來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的組合作用.試驗(yàn)研究表明[2]，端板連接鋼管混凝土組合節(jié)點(diǎn)具有良好的受力性能和抗震性能，且施工快捷，節(jié)省造價(jià).

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到了半剛性鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的滯回性能和破壞模式.Loh等[3]通過5個(gè)十字形組合節(jié)點(diǎn)和1個(gè)純鋼節(jié)點(diǎn)在負(fù)彎矩作用下的靜力加載試驗(yàn)，得到了如何提高節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力的方法；Loh等[4]在進(jìn)一步的研究中，對(duì)平齊端板連接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究以及有限元分析，并將試驗(yàn)的結(jié)果與有限元分析進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好，從而證明了模型的正確性.

本文利用工程設(shè)計(jì)軟件SAP2000建立了半剛性鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)有限元模型.用軟件中的轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元來模擬節(jié)點(diǎn)的半剛性，對(duì)半剛性鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的荷載(P)-位移(Δ)關(guān)系滯回曲線進(jìn)行了模擬，并通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型的簡(jiǎn)化

在SAP2000程序[5]中，非線性連接單元是由6個(gè)獨(dú)立的彈簧組成.圖1顯示了XOY平面內(nèi)的三個(gè)彈簧：在XOY平面內(nèi)的軸向、剪切和純彎.本文利用XOY平面內(nèi)的非線性連接單元中純彎曲彈簧，精確地模擬了梁-柱半剛性連接節(jié)點(diǎn).

圖1 連接單元的彈簧

圖2 滯回特性

SAP2000軟件中有十種不同類型的連接單元，分別是Linear、Multilinear Elastic、Multilinear Plastic、Damper、Gap、Hook、Plastic(Wen)、Rubber Isolator、Friction Isolator和T/C Friction Isolator，分別用于模擬不同類型構(gòu)件的線性與非線性行為，可以解決實(shí)際中的多種工況.其中多線段塑性連接單元采用六個(gè)獨(dú)立的非線性彈簧.在對(duì)連接單元的六個(gè)自由度的承載力參數(shù)進(jìn)行定義時(shí)，有固定和非線性兩種.本文采用SAP2000中多線段塑性連接單元(Multilinear Plastic)和(Takeda)滯回規(guī)則對(duì)半剛性鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬.其中彎矩(M)-轉(zhuǎn)角(θ)關(guān)系用圖2所示的滯回(Takeda)模型模擬.

1.2 建立有限元模型

本文以試驗(yàn)[6]為基礎(chǔ)，采用簡(jiǎn)化的方式，簡(jiǎn)化了非線性有限元模型.在模擬中，用桿單元來模擬梁、柱構(gòu)件等，模型中的約束與邊界條件與試驗(yàn)中的約束與邊界條件相一致.模型建立中，使用位移控制加載方式.設(shè)定分析控制為位移控制[7].

由于SAP2000是工程類應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件， SAP2000最大的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算方便快捷，特別適合結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算，模型[6]相關(guān)尺寸及詳細(xì)構(gòu)造見表1與圖3.

表1 模型尺寸一覽表

圖3 模型具體尺寸

根據(jù)以上條件及尺寸，建立有限元模型.

2 試驗(yàn)與有限元模型結(jié)果對(duì)比

模型1

模型2

模型1

模型2

兩個(gè)模型與試驗(yàn)試件的滯回曲線及骨架曲線見圖4、圖5，從圖中可以得到，二者滯回曲線均成“梭形”，曲線形狀飽滿的，具有較好的耗能性能[7].同時(shí)滯回曲線沒有明顯的捏縮，則表明構(gòu)件具有良好的延性，構(gòu)件出現(xiàn)殘余變形，卸載后不能回到原來的位置.

3 結(jié)論

本文利用SAP2000程序，建立了半剛性鋼管混凝土組合節(jié)點(diǎn)理論分析模型，采用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧單元來模擬實(shí)際中鋼管柱與組合梁的半剛性連接.由于試驗(yàn)中和模擬中的加載方式略有不同，以及對(duì)鋼管混凝土柱中混凝土和鋼管的協(xié)同作用定義并不完善，不能考慮兩種材料之間的粘結(jié)與相互滑移，只能簡(jiǎn)單定義兩種材料的幾何疊加，所建模型在精確度上有不足.所以圖5、圖6的曲線有所差異，但是兩個(gè)曲線走勢(shì)基本相同，差異性在合理范圍內(nèi)，整體吻合度較好，可以起到模擬半剛性鋼管混凝土組合節(jié)點(diǎn)的作用.同時(shí)也證明了用該單元來模擬半剛性混凝土組合節(jié)點(diǎn)的正確性.為用此模擬方式模擬半剛性鋼管混凝土組合框架奠定了基礎(chǔ).

[1] 韓林海, 楊有福. 現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[2] 李國(guó)強(qiáng), 石文龍, 王靜峰. 半剛性連接鋼框架設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2009.

[3] Loh H Y, Uy B, Bradford M A. The effects of partial shear connection in composite flush end plate joints: Part I-experimental study[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006,62: 378-390.

[4] Loh H Y, Uy B, Bradford M A. The effects of partial shear connection in composite flush end plate joints: Part Ⅱ- Analytical study and design appraise[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006,62: 391-412.

[4]北京金土木軟件技術(shù)有限公司,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M ]. 北京:人民交通出版社, 2006.

[5] Wen R, Akbas B, Shen J. Practical moment-rotation relations of steel shear tab connections[J]. Journal of Constructional Steel Research,2013,88 :296-308.

[6] 姜濤. 半剛性鋼管混凝土組合框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能及設(shè)計(jì)方法[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[7] ATC-24 Guidelines for cyclic seismic testing of components of steel structures[S]. Redwood City: Applied Technology Council, 1992.

(責(zé)任編校：晴川)

Finite Element Analysis of Semi-rigid Concrete Composite Joint

QI Meng1,2, WANG Donghua2

(1. Department of Accounting,Anhui Vocational College of Business, Hefei Anhui 230001,China；2. Department of Civil Engineering,Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

The study uses the finite element analysis software of SAP2000 to simulate the semi-rigid character of composite joints and establishes the finite element model of semi-rigid concrete-filled steel tubular. It simulates the load (P) - displacement (Δ) lag relationship of semi-rigid concrete-filled steel tubular joint under low cycle repeated load, and verifies the correctness of the model through the experiment results, which provides the basis for the simulation of composite frame of semi-rigid concrete-filled steel tubular.

semi-rigid; composite joint; finite element analysis; hysteretic curve

2015-09-06

2013安徽省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2013tszy091).

亓萌(1983— )，男，安徽臨泉人，安徽工商職業(yè)學(xué)院會(huì)計(jì)系助教，碩士.研究方向：工程造價(jià).

TU377

A

1008-4681(2015)05-0026-03