方鋼管混凝土柱—工字梁節(jié)點(diǎn)靜力加載試驗(yàn)有限元分析

段玉鑫 程 銘 胡英煒 張宇霞

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近年來(lái)，科學(xué)的發(fā)展帶動(dòng)了時(shí)代的進(jìn)步，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)也有了更嚴(yán)格更多元的要求，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究漸漸成為建筑工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用在大跨度的結(jié)構(gòu)及高層建筑的過(guò)程中時(shí)，受制于該結(jié)構(gòu)較弱的抗彎與抗拉能力，混凝土表面常常會(huì)出現(xiàn)裂縫，在運(yùn)輸和裝吊等操作中也帶來(lái)了一些困難。鋼管的抗彎性好，但穩(wěn)定性較差，而混凝土的承載力較好，但抗拉抗彎能力較弱，且易產(chǎn)生裂縫。在鋼管柱中灌注混凝土，形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，可以使兩者優(yōu)點(diǎn)得到充分結(jié)合，同時(shí)彌補(bǔ)了鋼管和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷，有效提高了結(jié)構(gòu)的承載能力、塑性、韌性等力學(xué)性質(zhì)，并具備良好的防火性能及抗震性能[1-3]。

鋼管混凝土柱的截面主要分為兩種，方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土，如圖1所示。就其抗彎能力而言，同面積情況下方鋼管的慣性矩要大于圓鋼管的慣性矩，因此方鋼管的抗彎能力較強(qiáng)。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，方鋼管混凝土柱—工字梁連接較為簡(jiǎn)單，在裝飾裝修方面也更加美觀便捷，因此方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在各類(lèi)建筑中應(yīng)用更加廣泛[4-6]。

其中在推廣與使用方鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，限制其廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中的一個(gè)重要原因就是節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程中需要多元化的節(jié)點(diǎn)連接來(lái)滿足人們?cè)谠O(shè)計(jì)上的要求。為了快速應(yīng)用與推廣方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師們需要努力研究處理在節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)的問(wèn)題，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[7,8]。

1 方鋼管混凝土柱—工字梁的節(jié)點(diǎn)形式

此節(jié)點(diǎn)為將節(jié)點(diǎn)處端板與工字梁焊接，并采用穿芯螺栓將端板與鋼管混凝土柱連接形成的梁柱試件。具體連接形式如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)的具體尺寸如表1所示。

表1 構(gòu)件尺寸

2 有限元模型的建立

節(jié)點(diǎn)由方鋼管、混凝土、工字梁、端板和螺栓等共同組合而成。模型分析單元一般分為線性單元和二次單元，在對(duì)其進(jìn)行有限元的建模時(shí)，考慮到得出結(jié)果的精度方面，運(yùn)用線性單元和二次單元的差別不大，但是在模型運(yùn)算過(guò)程中，線性單元在計(jì)算上的效率要高于二次單元，所以本次建模選用線性單元進(jìn)行模擬分析[9]。

為了研究節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，因此在整個(gè)模型中，混凝土的劃分相對(duì)較粗略，柱壁、鋼梁與螺栓的劃分相對(duì)混凝土較細(xì)，具體網(wǎng)格劃分形式見(jiàn)圖3。

模型通過(guò)選擇構(gòu)件的接觸面或單元來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建構(gòu)件之間的接觸。在創(chuàng)建接觸時(shí)，一般兩個(gè)平面接觸的情況下會(huì)選擇表面與表面接觸，并分為主從面，通常情況下選擇定義剛度較大的部件為主接觸面，剛度較小的部件為從接觸面[10]。

本文模型施加三種載荷，分別為：試件自重、螺栓預(yù)緊力和柱頂加載力。

3 節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能分析

3.1 節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)

應(yīng)用ABAQUS建立好有限元模擬的模型后，模仿位移加載的形式，固定左右梁的端部，對(duì)試件柱頂施加豎直向下的位移荷載，模擬得到試件的破壞形態(tài)為節(jié)點(diǎn)端板下排穿芯螺栓斷裂，最終的破壞形態(tài)如圖4所示。

3.2 節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能

方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件在模擬的豎向靜力荷載下經(jīng)歷了彈性階段，塑性階段和極限破壞三個(gè)受力階段。

此方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件模擬的極限荷載值達(dá)到了68 kN，承載力位移曲線整個(gè)過(guò)程比較平滑，說(shuō)明試件在加載中的彈塑性階段表現(xiàn)穩(wěn)定，試件具有較好的力學(xué)性能(見(jiàn)圖5)。

4 結(jié)語(yǔ)

使用ABAQUS有限元模擬軟件對(duì)方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了模擬靜力加載試驗(yàn)的有限元模擬分析，得出以下結(jié)論：

1)首先介紹了鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節(jié)點(diǎn)有限元模型的主要建立過(guò)程，規(guī)定材料的本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置材料塑性損傷后，對(duì)鋼管，工字梁，混凝土，端板，螺栓進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，隨后設(shè)置了邊界條件和接觸。

2)確定了在模型運(yùn)算過(guò)程中，選取線性單元進(jìn)行模擬分析。對(duì)模型按照靜力加載試驗(yàn)中的約束條件與加載制度設(shè)置了約束及荷載，使數(shù)值模擬結(jié)果具備充分的合理性。

3)方鋼管混凝土柱—工字梁穿芯螺栓連接節(jié)點(diǎn)試件在模擬的豎向靜力荷載下經(jīng)歷了彈性階段，塑性階段和極限破壞的三個(gè)受力階段。模擬得到試件的破壞形態(tài)為節(jié)點(diǎn)端板下排穿芯螺栓斷裂，使試件失去繼續(xù)承擔(dān)豎向荷載的能力。

4)ABAQUS模擬結(jié)果表明，試件承受豎向荷載極值為68 kN，試件在加載過(guò)程中的彈塑性階段表現(xiàn)穩(wěn)定，具有較好的力學(xué)性能。