考虑楼板组合效应的装配式SRC柱-钢梁中节点非线性分析.pdf
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1、 第4 4卷第5期V o l.4 4 N o.5 2 0 2 3青 岛 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y 考虑楼板组合效应的装配式S R C柱-钢梁中节点非线性分析谭文娅,刘继明*,时 伟,吴成龙(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 2 6 6 5 2 5)摘 要:为研究考虑楼板组合效应时装配式S R C柱-钢梁中节点的抗震性能,基于拟静力试验结果,运用A B A Q U S软件对装配式S R C柱-钢梁节点进行有限元分析,通过对比有限元与试验的滞回曲线和骨
2、架曲线,验证模型可靠性。在该模型基础上,分析轴压比分别为0.1 5,0.2 5,0.4 0和0.6 0时,对考虑楼板组合效应的装配式S R C柱-钢梁节点抗震性能的影响,结果表明:增大轴压比可使考虑楼板组合效应的节点试件承载力提高,但由于柱端钢板变形和螺栓滑移,考虑楼板组合效应的节点试件的破坏形态为柱端破坏,在地震作用下的耗能能力降低;轴压比越大,前期节点刚度退化越大,但后期退化平缓,表明节点具有较强的抗侧移能力。关键词:装配式;组合节点;数值模拟;楼板组合效应中图分类号:T U 3 7 5.4 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-4 6 0 2(2 0 2 3)0 5-0 0 3 7-
3、0 9收稿日期:2 0 2 1-0 1-1 4基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 0 7 8 1 9 5);山东省高校科研计划项目(A 2 0 1 8-0 6 5)作者简介:谭文娅(1 9 9 5-),女,云南大理人。硕士,研究方向为结构抗震。E-m a i l:q i u d i y a 1 6 3.c o m。*通信作者:刘继明(1 9 6 3-),男,陕西榆林人。博士,教授,博士生导师,主要从事装配式组合结构抗震性能方面的研究。E-m a i l:l i u j m 6 3 1 6 3.c o m。N o n l i n e a r a n a l y s i s o f p r
4、 e f a b r i c a t e d S R C c o l u m n-s t e e l b e a m j o i n t c o n s i d e r i n g s l a b c o m b i n a t i o n e f f e c tT A N W e n y a,L I U J i m i n g*,S H I W e i,WU C h e n g l o n g(S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f T e c h n o l
5、o g y,Q i n g d a o 2 6 6 5 2 5,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o f u r t h e r s t u d y t h e s e i s m i c p e r f o r m a n c e o f t h e p r e f a b r i c a t e d S R C c o l u m n-s t e e l b e a m c o m p o s i t e m i d-j o i n t w h e n c o n s i d e r i n g t h e s l a b c o m b
6、i n a t i o n e f f e c t,a n d b a s e d o n t h e r e s u l t s o f t h e q u a s i-s t a t i c t e s t o f t h e j o i n t,t h e p r e f a b r i c a t e d S R C c o l u m n-s t e e l b e a m c o m-p o s i t e m i d-j o i n t w a s m o d e l e d i n t h i s s t u d y b y u s i n g A B A QU S s o f
7、 t w a r e.T h e r e l i a b i l i t y o f t h e m o d e l i s v e r i f i e d b y c o m p a r i n g t h e h y s t e r e t i c c u r v e a n d s k e l e t o n c u r v e o f t h e f i n i t e e l e-m e n t a n d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s.O n t h e b a s i s o f t h e m o d e l,t h e
8、 s e i s m i c p e r f o r m a n c e o f t h e p r e f a b r i c a t e d S R C c o l u m n-s t e e l b e a m j o i n t s u n d e r d i f f e r e n t a x i a l c o m p r e s s i o n r a t i o s(0.1 5,0.2 5,0.4 0 a n d 0.6 0)i s a n a l y z e d,c o n s i d e r i n g t h e s l a b c o m b i n a t i o n
9、 e f f e c t.T h e r e-s u l t s s h o w t h a t i n c r e a s i n g t h e a x i a l c o m p r e s s i o n r a t i o c a n i n c r e a s e t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e j o i n t c o n s i d e r i n g t h e s l a b c o m b i n a t i o n e f f e c t.H o w e v e r,d u e t o t h e d e f
10、 o r m a t i o n o f c o l u m n e n d s t e e l p l a t e a n d b o l t s l i p,t h e f a i l u r e m o d e o f j o i n t c o n s i d e r i n g t h e s l a b c o m b i n a t i o n e f f e c t i s c o l u m n e n d f a i l u r e.A n d t h e e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y o f t h e
11、 j o i n t s i s r e d u c e d u n d e r e a r t h q u a k e.T h e l a r g e r t h e a x i a l c o m p r e s s i o n r a t i o i s,t h e g r e a t e r t h e s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n o f 青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷t h e j o i n t i s i n t h e e a r l y s t a g e,b u t t h e d e g r a d a t i
12、 o n i s s l o w e r i n t h e l a t e r s t a g e,w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e j o i n t h a s s t r o n g l a t e r a l d i s p l a c e m e n t r e s i s t a n c e.K e y w o r d s:p r e f a b r i c a t e d;c o m b i n a t i o n j o i n t;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;s l a b c
13、 o m b i n a t i o n e f f e c t随着建筑工业化的发展,为加快建筑结构转型升级,装配式钢筋混凝土和装配式钢结构在低层建筑和大空间结构中得到广泛推广1,对于高层建筑而言,要满足其抗震要求和承载能力要求,可考虑使用承载力、刚度、延性和耗能能力更好的装配式型钢混凝土组合结构,国内外学者对此进行了大量研究。Y A N G等2设计了1 1个实心部分预制型钢骨混凝土(P P S R C)柱和3个空心P P S R C柱试件,研究P P S R C柱在箍筋间距、现浇混凝土强度和翼缘剪力钉影响下的力学性能。K O E T A K A等3提出了一种高度装配化的节点形式,通过试验证明
14、该连接具有良好的力学性能。K E S HA V A R Z I等4通过有限元可变参数分析研究了一种梁柱节点的传动机理和角撑板性能,并根据试验中接头的塑性角可以达到0.0 6 r a d,证明其具有良好的延性。WU等5-7等提出了一种由节点模块、预制H型钢混凝土柱和钢梁组成的新型模块化预制组合框架节点,并对该节点进行了一系列试验和有限元研究,分析了不同梁柱刚度比、3种不同连接方式节点的抗震性能,研究结果表明该新型节点具有很高的承载能力和良好的抗震性能,且随着刚度比的增大,节点破坏模式由梁端弯曲破坏发展为节点剪切破坏和柱端压弯破坏。对于楼板组合作用对于组合节点的影响,国内外学者也做了一系列研究。K
15、 I M等8对五个带楼板的组合节点试件进行试验研究,结果表明楼板对节点性能有极大影响,给出了三种加固方案。L E E等9通过研究北岭地震中楼板对梁翼缘连接的破坏模式,对三种带楼板焊接钢节点进行了试验,结果表明楼板对节点抗震性能有负面影响。李威1 0对带楼板的圆钢管混凝土柱-钢梁外环板式框架节点进行了梁端往复荷载试验,试验结果表明该类节点的刚度退化和强度退化稳定,抗震耗能能力良好。徐晋东等1 1采用试验和有限元模拟对照的方法对楼板组合作用下钢管混凝土柱-钢梁节点进行了研究,发现梁柱线刚度比对节点延性和刚度都有较大影响。张猛1 2对带楼板的中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点进行了试验研究,发现S B
16、T D混凝土楼板对节点在正负弯矩作用下的延性系数和转动能力有较大影响。梁柱节点的连接方式直接影响装配式型钢混凝土组合结构的受力性能,而楼板的存在会对节点的抗震性能和受力性能产生较大影响,但目前对装配式组合结构节点考虑楼板组合效应的相关研究相对较少。本文在课题组前期试验研究基础上1 3,利用A B A QU S有限元软件分析不同轴压比下,对考虑楼板组合效应的装配式S R C柱-钢梁组合中节点的滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能和刚度退化的影响,旨在为装配式组合结构节点干式连接研究提供参考。1 节点概况该新型梁柱节点由截面尺寸为3 5 0 mm 3 5 0 mm的S R C上下柱、2 8 0 mm 1
17、 5 0 mm 1 0 mm 1 0 mm的H型钢梁以及节点连接模块组成。S R C柱由截面尺寸为HW 1 5 0 mm 1 5 0 mm 7 mm 1 0 mm的H型钢、四根直径为2 0 mm的HR B 4 0 0纵筋、直径为8 mm间距为1 0 0 mm的H P B 3 0 0箍筋、柱端连接板以及外包C 4 0混凝土组成。节点连接模块由节点模块盖板和带肋方钢管焊接组成,加劲板与方钢管通过焊接连接。节点连接螺栓均采用S 1 0.9摩擦型高强螺栓,其中S R C柱与节点连接模块通过2 4个M 2 0高强螺栓连接,梁腹板与节点连接模块通过6个M 2 4高强螺栓连接。装配式S R C柱-钢梁中节点
18、如图1所示。为研究楼板组合效应对该新型节点抗震性能的影响,按照文献1 4 的要求,取楼板计算单元为1 0 0 0 mm 2 9 2 0 mm,现浇板按双向板设计,分别在板底和板顶布置直径为1 0 mm、间距为1 0 0 mm的受力筋和分布筋(图2),板内钢筋在柱边及楼板边缘进行适当加密。为满足抗剪连接件的受剪承载能力,采用直径为1 9 mm、高8 0 mm的圆柱头焊钉,栓钉沿梁跨方向间距为1 5 0 mm,横向间距为8 0 mm。楼板混凝土强度等级为C 4 0,保护层厚度为1 5 mm,板内所有钢筋等级均为HR B 4 0 0。83第5期 谭文娅,等:考虑楼板组合效应的装配式S R C柱-钢梁
19、中节点非线性分析图1 装配式S R C柱-钢梁中节点(单位:mm)图2 楼板布筋(单位:mm)2 有限元模型建立2.1 材料本构模型为准确模拟构件的受力性能,本文所有钢材均采用Q 3 4 5 B钢,在建模分析时考虑M i s e s屈服条件以及混合强化模型,钢材密度为7.8 5 1 03 k g/m3,钢材及高强螺栓的弹性模量均取值为2.0 6 1 05 M P a,泊松比为0.3。钢材应力-应变曲线采用不考虑刚度退化的双折线强化模型,强化阶段的弹性模量取弹性阶段弹性模量的1%。S R C柱外包混凝土强度等级为C 4 0,建模时采用A B A QU S中的混凝土塑性损伤模型,混凝土本构关系根据
20、 混凝土结构设计规范(G B 5 0 0 1 02 0 1 0)附录C.21 5推荐的应力-应变曲线得到。2.2 网格单元和相互作用采用有限元软件A B A QU S 6.1 4-2 版本对装配式S R C柱-钢梁中节点进行非线性分析和验证。建模时采用分离式模型,钢筋选用T 3 D 2三维桁架单元,混凝土、型钢以及螺栓均采用C 3 D 8 R三维实体单元,确保模型计算精度高,避免出现模型剪切自锁现象。在对模型进行网格划分时,根据实验结果和多次试算,对节点连接模块、上下柱与节点连接模块连接处,以及梁与核心区连接处进行网格加密处理,沿厚度方向至少划分两个单元,以提高计算精确性;对于节点影响较小的梁
21、加载端、上下柱端等位置,则划分较粗网格,以降低计算时间成本。螺栓作为节点中的重93青 岛 理 工 大 学 学 报第4 4卷要连接方式,为了确保其计算精度,对螺栓和螺栓孔周围都单独进行分割,确保其网格规整,如图3所示。在设置相互作用时,S R C柱内钢骨和钢筋笼通过“内置”命令内置于柱混凝土中,节点连接模块各部件、柱端板与H型钢骨、钢梁翼缘连接板等使用焊接连接的部件均采用“绑定”命令模拟焊接。节点其他各部件的接触均沿法线方向采用“线性”接触,接触刚度为5 0 0 0,切线方向采用各向同性的“罚”接触,摩擦系数为0.3 5。考虑楼板作用的节点有限元模型各材料属性、单元类型、网格划分、边界条件及加载
22、方式与原有节点模型一致。楼板钢筋通过“内置区域”命令内置于楼板混凝土内,为缩短软件的计算和运行时间,考虑实际施工情况下在钢梁上会设置足够多的抗剪焊钉,使用“绑定”指令等效约束混凝土板底与钢梁上翼缘,达到完全抗剪连接的效果。图3 网格划分图4 边界条件2.3 边界条件及加载制度为了更好地模拟试验真实情况,节点柱端加载板上下截面分别耦合在相应的截面顶端参考点上,并在柱顶沿x方向施加8 4 4 k N恒定轴压力(轴压比为0.2 5)。让柱底形成沿y轴转动的固定铰支座,模型的边界条件如图4所示。节点采用的M 2 0和M 2 4高强螺栓预紧力分别为1 5 5和2 2 5 k N1 4,为了避免由于一开始
23、施加的荷载过大使螺栓连接处出现变形影响模型计算不收敛,两种高强螺栓预紧力采用分步叠加的方式进行施加。根据试验实际,确定模型加载位置为距梁端1 6 0 mm处,模型通过位移控制加载的方式在梁端耦合点进行往复加载,节点达到屈服前每级位移为5 mm,屈服后加载位移为屈服位移的整数倍。3 有效性验证模型的有效性和可靠性验证将根据试验结果,从滞回曲线、骨架曲线和力学性能指标三方面进行。规定节点均以左梁位移向下加载、右梁位移向上加载为正向加载,左梁对应的荷载值为正,右梁对应的荷载值为负。从图5(a)可知,试验和有限元模拟的骨架曲线趋势较为接近,加载至极限荷载时,有限元模拟所得极限承载力略大于试验所得。从图
24、5(b)(c)可知,试验滞回曲线出现捏缩现象,有限元模拟的滞回曲线更为饱满。在试验过程中,节点可能会受焊缝残余应力、钢材损伤等因素的影响,使其滞回曲线出现捏缩现象。而相较于试验滞回曲线,在有限元模拟过程中,模型的边界条件较为理想化,使得有限元结果和试验结果略有差异。根据表1中数据计算可知,有限元模拟所得的节点屈服荷载Py、屈服位移y、破坏荷载Pt、破坏位移t和延性与试验数据吻合较好,其中各项数据的误差均不超过1 0%,计算得到平均误差为6.4 7%,有限元模型模拟的结果较为准确,可以用于对节点进一步的参数分析。04第5期 谭文娅,等:考虑楼板组合效应的装配式S R C柱-钢梁中节点非线性分析图
25、5 试验与模拟结果对比表1 试验与模拟受力性能指标试件类型加载方向y/mmPy/k Nt/mmPt/k N试验左梁正向2 5.3 71 2 0.3 77 9.4 51 1 8.6 92.9 1负向2 4.1 91 2 3.0 88 9.9 41 3 4.1 03.7 2右梁正向2 7.6 01 2 0.6 87 6.9 81 1 8.0 02.7 9负向2 8.8 51 1 7.9 78 2.3 31 1 8.0 42.8 5模拟左梁正向2 4.9 41 2 7.9 18 9.2 81 3 3.9 43.5 8负向2 4.8 81 3 8.6 08 9.1 31 4 7.3 13.5 8右梁正
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