螺栓连接钢管混凝土节点及框架力学分析

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1、低温建筑技术2015年第12期(总第210期)DOI：10．13905／j．cnki．dwjz．2015．12．032螺栓连接钢管混凝土节点及框架力学分析高升，王颖(沈阳工业大学建筑与土木工程学院。沈阳110870)【摘要】利用有限元软件ABAQUS对螺栓连接的钢管混凝土节点和单层单跨框架进行有限元计算研究。确保钢管混凝土在ABAQUS中建立模型的正确性，本文首先对钢管混凝土梁柱节点进行了模拟，并与其试验相对比，以确保材料的本构模型、计算模型、接触面定义等基本参数输入的正确性；在此基础上，利用ABAQUS对螺栓连接的单层单跨钢管混凝土框架进行单调加载与循环加载，通过分

2、析钢管混凝土框架梁端的荷载一位移曲线，阐明钢管混凝土框架力学性能。【关键词】节点；框架；有限元分析；轴压比；力学性能【中图分类号】TU375．4【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2015)12—0090—03钢管混凝土能适应现代工程结构大跨、高耸、重载206×10MPa。由于螺栓是10．9级的高强螺栓，其发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术和工本构关系采用了三折线模型，强化段的模量取业化要求，因此正在被越来越广泛的应用。这种结0．01E，E为钢材的弹性模量；钢管和法兰板的应力构能够充分发挥钢材和混凝土各自的优点。本文所研一应变曲线采用三线模型，如图

3、1所示。此模型虽然究的螺栓连接钢管混凝土结构，钢管是通过螺栓和法简化了二次塑流模型五阶段曲线应力一应变的过兰板施加预紧力连接在一起，然后浇筑自密实混凝土程，但由于钢材Q235延性比较好，三折线模型还是能所形成的结构。在设计构件时遵循“强柱弱梁，强节很好地反映钢材应力一应变过程。点弱构件”的原则，钢材采用Q235低碳钢，混凝土采(2)混凝土本构关系。由于钢管的约束作用，用c3o，螺栓采用了lO．9级的高强螺栓。通过对梁柱混凝土处于三向受压状态，所以选用考虑混凝土塑性截面的线刚度的控制，在梁破坏时，柱未发生破坏，螺体积膨胀的DruckerPrager计算模型，膨胀角可人为

4、指栓处于弹性阶段。定为24．4。本文定义弹性段时需首先确定弹性极1有限元模型建立限点=1／3fc，关于定义混凝土应力一应变关

5、系，本文选用了刘威所提出的应力一应变关系。(3)构件尺寸、接触定义和网格划分。节点在ABAQUS中输人的尺寸是根据试验确定的，钢管厚度均为6mm，柱的截面尺寸为：250mm×250mm，梁的截面尺寸为：150mm×250mm。节点高1564mm，宽1414mm，如图2所示；框架尺寸为：柱高1534mm，梁长01124mm，如图3所示。本文的接触在法向均采用硬接触；切向混凝土与钢材的摩擦系数设为0．6，钢材与图1钢材的三折线模型钢材的摩擦系数设为

6、0．2。模型中钢管选用壳单元(1)钢材本构关系。钢材的弹性模量均取(S4R)，其它均选用实体单元(C3D8R)。图2节点模型图3框架模型图4节点循环加载控制高升等：螺栓连接钢管混凝士节点及框架力学分析91(4)加载方式及边界条件定义。节点与框架均0．3，在梁端施加低周期循环荷载，通过ABAQUS有限在梁端进行加载，节点在梁端施加竖向荷载，框架在梁元模拟计算，把节点模拟的滞回曲线、骨架曲线和破坏端施加水平荷载；节点与框架的循环加载，采用图4的现象等与试验对比分析。加载方式；框架的单调荷载的作用，采用位移加载方(1)梁端荷载一位移滞回曲线的对比。滞回曲式。对于节点模型，柱

7、底除垂直于梁柱平面的角位移线能够反映构件在往复荷载作用下的力学性能，是衡外其方向的自由度全部约束，柱顶除竖向和垂直于梁量抗震性能的重要指标。如图5、图6所示，试验与模柱平面的角位移不外其余自由度均约束，梁端不添加拟的的结果对比，荷载一位移曲线可以看出试验与模任何约束；框架的模拟，柱底全约束，柱顶除沿梁方拟的峰值点虽有所偏差，但相差不大。模拟与试验的向的线位移外其余均约束，梁端不添加任何约束]。偏差，主要是由于实际试验事件的钢管存在焊缝，在焊2节点有限元模拟结果与试验的对比分析缝处力学性能不稳定造成的。钢管混凝土梁柱节点模拟，参照试验，轴压比选取饲f霉／14：N30oE

8、。．卜麓图5试验获得的滞回曲线图6有限元模拟获得的滞回曲线(2)骨架曲线的对比。骨架曲线是连接各次循(1)不同轴压比下的梁端水平荷载一水平位移环加载峰值点的曲线。如图7所示，模拟与试验的曲线。轴压比是指施加在柱顶轴压力值与柱可承载的骨架曲线在第一象限十分相近，在第三限略有偏差，不极限压力值的比值，如图8所示，钢管混凝土框架随着过均在允许的范围之内。这是由于模拟为理论计算，轴压比增大，其水平承载力反而会减小，强化阶段的刚而在实际构件中，由于有焊缝的存在，会降低构件的承度也会减小。当轴压比小于0．3时，轴压比的改变，对载力，同时，试验的器具、环境以及人的