隔板贯通式圆钢管混凝土柱-翼缘削弱钢梁连接节点的参数分析.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 28 No 3 S e p 201 1 隔板贯通式 圆钢管混凝土柱 一 翼缘削弱钢梁 连 接节点的参数分析 李成玉， 李睿 ( 武汉科技大学城市建设学院， 湖北武汉4 3 0 0 7 0) 摘要： 采用有限元软件 A N S Y S对隔板贯通式圆钢管混凝土柱一 翼缘削弱钢梁连接节点的参数进行分析。在 参照 S A C推荐标准的基础上， 验证隔板贯通式节点狗骨处参数的取值范围， 并细化。结果表明： 狗骨处的三个 参数削弱深度 c 、 削弱端至焊缝的距离n和削弱长度 b 对节点的极限承载力的影响依次降低。当 。=( 0 5 0 6 5 ) 6 r ； b =( 0 6 5 0 8 5 ) d 6 ； c =( 0 2 0 0 2 5 ) 6 时 ， 该节点的性能最优 。 关键词 ： 钢管混凝土 ； 翼缘削弱 ； 隔板贯通 ； 有限元分析 中图分类号 ： T U 3 9 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 -01 4 3 -04 1 9 9 4年 N o r t h r i d g e地震 以后 ， 人们开始使用 翼缘削弱式钢梁 ， 它是将梁 的上下翼缘在距柱子 表面一定长度处进行削弱处理 ， 然后 与柱连接形 成一种预先具有缺陷的节点 。这种设计是为了将 塑性铰从柱子表面移开 ， 从而防止焊缝被过高的 应力应变所破坏 。 目前包括 F E MA、 S A C等 已 定出了狗骨处的参数 范围， 但这些主要应用于梁 柱直接焊接的节点形式 ， 对于隔板式的节点并没 有相关的文献对狗骨处的参数进行研究。因此 ， 本文采用有限元软件 A n s y s 对隔板贯通式圆钢管 混凝土柱一 翼缘 削弱钢梁连接节点 ( 图 1 ) 的狗骨 处参数进行分析 。 图 1 钢管混凝土结构梁柱节点翼缘削弱设计 1 有限元分析模型 1 1 试件选取 为 了找出狗骨处参数 的设计范围 ， 参照 S A C 的推荐标准建立 1 2个足尺寸的模 型 ( 表 1 ) 。钢 框架高 3 8 m， 宽 6 0 m， 梁为 H型钢 ， 截面为 4 5 0 m m x 1 5 0 IT l m 8 m l Y l x 1 2 mm； 柱直径为 3 5 0 mn l ， 钢管壁厚 8 m m。 表 1 节点模型 参数 表 1 2单元的选择与划分 经过多次尝试发现 S o l i d单元能有效地模拟 钢管、 混凝 土及 边界条件 。块体 S o l i d 4 5单元 ( 8 节点 ) 用来模拟钢梁 和钢 柱 ， 此单元通常用 于模 拟固体结构 ， 且可在计算时使用时间控制及变量 积分运算。混凝土习惯用 S o l i d 6 5单元 ， 此单元能 模拟裂缝及压碎状况 。为了既节约计算时间又保 证精确 ， 尝试过很多划分 ， 最终发现当高：宽：长 = 1 ： 2 ： 2时最优 。划分情况如图 2 。 1 3 边界条件及加载方式 试件 的约束条件为 ： 柱顶施加 、 Y两个方 向 的约束 ， 在柱脚施加 、 Y 、 三个方 向的约束 。由 于对称 ， 节点的 1 4被模拟 ( 图 3 ) 。对称面 1 所 收稿 日期 ： 2 0 1 1 9 1 作者简 介：李成玉( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 湖北麻城人 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方向为钢混组合 结构( E ma i l ： l e e c h e n g y u 1 6 3 t o m) 基 金项 目：湖北 省 自然科学基金 ( A B A 2 0 0 6 2 9 1 ) 1 4 4 土木工程与管理学报 2 O 1 1 年 ( a )节点的有限元划分 ( b)隔板 的有 限 兀 划分 图 2 模型的划分 有节点固定 向的 自由度 ， 对称面 2所有节点 固 定 Y向的 自由度 ， 柱 中心线所有节点 固定 、 Y两 个方向的自由度 ， 其它节点 为 自由状态 。在梁端 施加 5 0 m m的位移荷载 ， 分为 1 0个荷载子步 ， 即 每个子步的位移增量为 5 mm。 图 3 节点的边界条件 1 4 材 料本 构模 型 在对节点的有限元分析 中， 钢材采用 双线性 随动强化 ( B K I N) 模 型( 图 4 ) ， 其 中泊松 比 = 0 2 8 ，屈服强度 =3 5 0 N ra m 。E =0 1 E ( E 为强化模量 ； E 为弹性模 量 ， 取值为 2 0 61 0 MP a) 。对于 昆 凝 土， 常见 的本构模型有 Wi l l i a m Wa r n k e r 模型和韩林 海模 型 ， 前者一般适用 于板式混凝土。在本文 的节点模型中混凝土受到 横向约束 ， 因此其材料性能与板式混凝土不 同。 而后者是一种简化 的多线性模型 ， 尽管也用 于填 充式混凝土的模拟 ， 但在一般计算 中， Mi s e s 屈服 准则已能满足要求， 因此本文使用这种模型 ， 其中 泊松比 =0 4 。 图4 双线性模型 2 计算结果分析 2 1 削弱端至焊缝的距离 n对节点受力性能的 影响 取 R A系列 的四个节点进行对 比， 其 中另两 个参数保持不变 ， o的值分别 为： 6 0 m m、 8 0 m m、 1 0 0 mm 、 1 2 0 mm 。 图5 R A系列在单调荷载作用下的荷载 位移曲线 图 5是 R A系列试件在单调荷载作用下的荷 载一 位移 曲线 。可 以看 出： 在单调荷载作用下 ， 节 点的初始刚度基本相 同， 表现为曲线重合 。随着 荷载的增大 ， 参数 口越小的节点 ， 屈服荷载越小 ， 塑性铰越早 出现在梁削弱部位。另外 ， 削弱位置 距梁端越近 ， 节点的刚度越低 ， 使得极限承载力越 低 ， 但影响不大。 为 了考察参数 。的变化对塑性铰外移效果的 影响， 给出了 R A系列试 件翼缘下表 面腹板处沿 梁长方向的 V o n Mi s e s应力分布对 比曲线及焊缝 的 V o n Mi s e s 应力分布对 比曲线 ， 如图 6所示 。 从图中可知 ： ( 1 ) R A系列的最大应力相差不 大 。说明参数 n对节点强度的影 响不大 ， 与荷载 位移曲线的结论一致。( 2 ) R A系列的最大应力 点均在削弱区域 内， 能起 到削弱梁端塑性铰外移 保护节点的作用 ， 说 明这种削弱方式 和削弱尺寸 是合理的。另外参数 0越小 ， 最大应力点距离柱 壁的距离就越近。( 3 ) 对 比 R A系列试件 的粱端 焊缝处的应力发现 ， 焊缝 的最大应力出现在翼缘 外边缘处， 随着 a值的增加 ， 焊缝处的应力逐渐降 低 。但 n值超过 0 6 5 b s 时 ， 削弱的翼缘对焊缝的 影响减小， 焊缝处的应力又开始增加。因此， 将这 第 3期 李成玉等：隔板贯通式圆钢管混凝土柱一 翼缘削弱钢梁连接节点的参数分析 1 4 5 L m m ( a )沿梁长方向 L ram ( b)沿焊缝方 向 图6 R A系列焊缝 Mi s e s 应力分布 种隔板式节点的 a值定在( 0 50 6 5) 6 ， 既能避 免节点处的热影 响区对梁翼缘削弱处的钢材过度 劣化 ， 又能使削弱 的翼缘最大化 的保护节点不被 脆性破坏 。 2 2 削弱区长度 b对节点受力性能的影响 取 R B系列 的四个节点进行对 比， 其 中另两 个参数 保 持 不 变 ， b的 值 分别 为 ： 2 8 0 m m、 3 1 0 mm 、 3 4 0 mm 、 3 6 0 mm。 O 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 A ram 图 7 R B系列 在单 调荷 载作 用 F 的荷载一 位移曲线 该系列试件在单调荷载作用下的变形曲线如 图 7所示。可以看 出： 三个试 件的荷载位移曲线 几乎重合 ， 细微差别是 b值大的试件其刚度和强 度较 b值小的试件稍微偏大 ， 致使强化 阶段 的曲 线稍高。 为了考察参数 b的变化对塑性铰外移效果的 影响， 给出了 R B系列试件翼缘下表 面腹板处沿 梁长方向的 V o n Mi s e s应力分布对 比曲线及焊缝 的 V o n Mi s e s 应力分布对 比曲线 ， 如 图 8所示。 爵 凸一 L mm ( a)沿梁 长方 向 L m m ( b)沿焊缝方向 图 8 R B系列焊缝 M i s e s 应力分布 从图中可知 ： ( 1 ) 尽 管沿梁长度方 向 V o n Mi s e S 应力的峰值都在最大削弱处， 但b 越大的节点， 等效应 力 在 削 弱处 的分 布 越 均 匀 ， 峰 值 越 小。 ( 2 ) 对 比焊缝处的 V o n Mi s e s 应力 图发现 ， b值越 大 ， 焊缝 中间处 的 V o n Mi s e s 应 力值越小 ， 但对焊 缝外边缘处 ( 应力最大点 ) 的 V o n M i s e s 应力值影 响不大。因此 ， 参数 b对 节点受力性能 的影响不 明显。S A C推荐的设计标准取值范围可行。 2 3 削弱区深度 C 对节点受力性能的影响 取 R C系列 的四个节 点进行对 比， 其 中另两 个参数保 持 不变 ， c的值分 别 为 ： 3 0 m m、 3 5 m m、 40 mm 、 4 5mm。 1 1 1 Z 1 图9 R C系列在单调荷载作用下的荷载一 位移曲线 图 9是 R C系列试件在单调荷载作用下 的曲 线 。可以看 出： 参数 C的大小 明显影响 了节点的 刚度及承载力。梁翼缘 削弱部位的深度 C越大， ” 日 王 ， s 一 加 舳 知 加 O Z d 1 4 6 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 节点越早屈服 ， 且极限承载力显著降低 ： 削弱深度 每增加 5 mm( O 0 3 3 b ) 极限承载力降低约 4 5 。 L ram ( a )沿梁长方 向 L ra m ( b)沿焊缝方 向 图 1 0 R C系列焊缝 Mi s e s 应力分布 为 了考察参数 C的变化对塑性铰外移效果 的 影响 ， 给出了 R C系列试件翼缘下表面腹板处沿 梁长方向的 V o n Mi s e s应力分布对 比曲线及焊缝 的 V o n Mi s e s应力 分布对 比曲线 ， 如 图 1 0所示 。 从图中可知 ： ( 1 ) R A系列的最大应力点都在最大 削弱处。c 值越大 ， 应 力值越 大 ， 节点越早屈 服， 与荷载位移曲线的结论一致。( 2 ) 对 比焊缝处的 V o n Mi s e s 应力图发现， 随着 C 值的变大， 焊缝外边 缘的 V o n Mi s e s应力值减小 ， 而 焊缝 中部 的 V o n Mi s e s 应力值却逐渐增加 。当 C的值大于 4 0 m m 时， 中部的应力已经超过了边缘处 因此 ， 考虑节 点的受力性能及关键部位的应力， 取削弱部位的 深度c 在( 0 2 0 2 5 ) 6 ， 范围内比较合适。 4 结论 本文通过对 比隔板贯通式 圆钢管混凝土柱一 翼缘削弱钢梁连接节点的荷载一位移曲线 、 刚度 退化以及焊缝和狗骨处 的应力分布 ， 根据有限元 分析结果得到： ( 1 )狗骨处 的三个参数削弱 深度 c 、 削 弱端至焊缝的距离 a和削弱长度 b 对节点得极限 承载力的影响依次降低。 ( 2 ) 当 a=0 50 6 5 b ， ； b=0 6 5 0 8 5 d b ； C = 0 2 0 0 2 5 6 ， 时， 节点的性能最优。 参考文献 1 聂建国， 秦凯， 肖 岩方钢管混凝土柱节点的 试验研究及非线性有限元分析 J 工程力 学， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 1 ) ： 9 9 1 1 5 2 N i e J i a n g u o ， Q i n K a i ，C a i C S S e i s m i c b e h a v i o r o f c o n n e c t i o n s c o mpo s e d o f CF SS TCs a n d s t e e l c o n c r e t e c o m p o s i t e b e a m s -fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n al S t e e l Re s e a r c h，2 0 0 8， 6 4 ( 6 ) ： 6 8 0 - 6 8 8 3 韩林海钢管混凝土结构 M 北京：科学 出版 社 ， 2 0 0 0 S e i s mi c P e r f o r ma n c e o f Co n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b e Co l u mn t o RBS Be a rn Co n n e c t i o n s wi t h Cr o s s i n g Di a p h r a g m p a r a m e t e r s Ana l y s i s L I Ch e n g y u，L I Ru i ( C o l l e g e o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e p a r a m e t e r s a n a l y s i s o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e( C F S T )c o l t n n n t o R B S b e a m c o n n e c t i o n s w i t h c r o s s i n g d i a p 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