方钢管混凝土柱与钢梁半刚性连接三维有限元分析

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1、方形钢管混凝土柱与H型钢梁半刚性连接节点分析蒋运林1李国华2（1．广东省建筑设计研究院，广州510010）（2．河海大学土木工程学院，南京210098）摘要：本文介绍了一种方形钢管混凝土柱与H型钢梁半刚性连接节点形式—穿芯螺栓平端板节点，并对其用通用有限元计算程序ANSYS进行了三维非线性有限元分析，从而得到此节点在外力荷载作用下的受力特性及其弯矩与转角关系。关键词：方形钢管混凝土；梁柱半刚性节点；穿芯螺栓—平端板节点中图分类号：TU文献标识码：A3DFEMAnalysisonBehaviorofConcreteFilledSquareTubeColumntoSteelBeamSemi-ri

2、gidConnectionAbstract:Anewtypeofsquareconcrete-filledsteeltubecolumn-to-Hsteelbeamsemi-rigidconnections,namelyflushendplatethough-boltedconnection,wasdesigned,andthen3DnonlinearFEManalysisonthistypeofconnectionwasdevelopedbyFEManalysisprogram-ANSYS.Thebehaviorofthejointandtherelationshipofbetweenmo

3、mentandrelativerotationundertheloadwereobtainedthrough3DnonlinearFEManalysis.Keywords:squareconcrete-filledsteeltube;columntobeamsemi-rigidconnection;flushendplatedthough-boltedconnection10前言钢管混凝土结构由于充分发挥了混凝土与钢材的材料特性，具有承载力高、塑性与韧性好、节省材料等显著特点，同时钢管混凝土结构一般外形规则，梁柱连接相对简单，结构设计与施工都较方便，是一种综合性能优良的新型组合结构，在实际高

4、层建筑工程中得到了广泛的应用并取得了较好的技术经济效益。方形钢管混凝土结构是钢管混凝土结构中应用较多的一种，目前我国对方形钢管混凝土的研究主要集中于单一构件受力性能及设计方法的研究，而对节点的研究相对较少，而在钢结构设计中，节点设计的好坏也是结构安全与否的关键因素之一。现有的方形钢管混凝土柱与H型钢梁的连接主要有刚接与铰接两种节点类型，对方形钢管混凝土梁柱半刚性连接的研究并不多见。文献[1]对方钢管混凝土柱与钢梁上下顶底角钢半刚性连接节点做了试验研究及有限元分析，宗周红等通过拟静力试验研究了矩形钢管混凝土柱与钢梁两种半刚性节点—加劲端板连接与双T板连接节点的抗震性能[2]。为此，本文参照文献

5、[1]的模型尺寸，结合钢结构节点构造要求，设计了一种方形钢管混凝土柱与H型钢梁半刚性连接节点：穿芯螺栓—平端板连接节点，并通过通用结构有限元分析软件ANSYS对该节点进行了三维非线性有限元分析，了解其在外力作用下的受力性能、应力分布情况及节点弯矩—转角关系。1有限元模型介绍方形钢管混凝土柱与H型钢梁连接的穿芯螺栓—平端板节点形式如图1，方钢管尺寸为，H型钢梁翼缘宽度、厚度，梁腹板厚度，梁高；钢梁与端板采用剖口全熔焊透连接，端板厚度100；柱与端板通过穿芯螺栓连接，螺栓直径为d=，为了防止混凝土不被过早压碎，在钢管柱的另一侧设置螺栓垫板，厚度为t=。图1模型试件尺寸—梁端力；—柱轴压力钢管内混

6、凝土抗压强度为，弹性模量；钢管屈服强度为，钢梁及端板屈服强度为；钢管及钢梁弹性模量为，采用双线性应力应变关系，屈服后的弹性模量为。图2模型3D有限元网格有限元计算模型中，混凝土采用能够反映混凝土特性的六面体八节点实体单元Solid65，单元的每个节点具有3个自由度；钢管与钢梁采用六面体八节点实体单元Solid45，每个节点具有3个自由度；螺帽近似按圆形考虑，采用六面体八节点实体单元Solid45单元，螺栓为楔形体（由Solid45退化而成）。考虑钢管与混凝土、钢管与端板、钢管与螺栓垫板、螺栓与混凝土、螺栓与钢管、螺栓与端板以及螺栓与垫板之间的接触。接触类型为柔体—柔体接触类型，目标单元选用T

7、arge170，接触单元选用Conta174，混凝土与钢管之间的摩擦系数取0.25[4]。钢管与端板、垫板之间的摩擦系数为0.33[2]。根据对称性原理，取模型的一半进行非线性有限元分析，网格划分情况见图2。整个模型具有11921个节点，12482个单元，35763个自由度。假设模型不考虑钢材的几何缺陷，也不考虑焊缝及施焊产生的残余应力，在受力过程中不会发生螺栓脱落现象，即认为螺栓与螺栓帽之间无相对滑移，将两