矩形钢管混凝土框架节点的非线性有限元分析

发布时间：2016-04-16 12:21

1 引言  

1.1 钢管混凝土结构的定义与特点 
钢管混凝土，指在钢管中填入混凝土形成的结构，它利用了两种材料各自的优点并且在相互作用下产生了1+1 大于2 的效果，不但提高了其强度，而且改善了其变形性能，更对钢管发生局部屈曲起到了延缓作用，并且提高了整体结构的承载能力，耐火性能等，这种组合使其在实际工作中主要有以下优点： （1）承载能力高，混凝土在钢管中受到约束作用，不仅使受压混凝土减慢其横向变形，而且能缓解钢管局部不稳定现象，在两者的相互作用下，使其整体性能得到很大提升，尤其是承载力方面，产生 1+1 大于 2 的效果。 （2）抗震性能好，如何在应用中避免混凝土脆性特征，因而钢管的加入得以实现两种材料发挥其各自特点，使整体处于可塑状态，不但可很好的面对冲击、振动等工况而且对遇到罕见振动时也有很好的效果[7~13]。 （3）工程简便、快捷，显而易见，在普通施工中进行梁柱浇筑时，会有很多道工序，如支模，，绑扎等等，不仅浪费时间，而且造成了很多不必要的麻烦，但对于钢管混凝土而言，在工程上更方便，更快捷，并且在柱子浇筑时运用了顶升技术，一次顶升可以达到较高的高度而且与钢结构相比，焊缝简单，易于操作。 （4）抗高温性能强，在遇到特殊环境下，或是发生意外事故，使室内外温度升高时，此结构可以吸收一部分热能，使外部的温度相对降低，起到了“水壶效应”。 （5）经济性好，此结构与普通结构比起来，即节省混凝土，又节省钢材，并且还能减轻自重。此外由于施工方便、简洁，人工费也大大减少，混凝土在钢管内部也起到了防锈的作用，也降低了其护理费用[14~17]。 
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1.2 钢管混凝土的发展
从1879 年英国铁路首次使用钢管混凝土至今已过去了 100 多年的时间，人类通过实践逐步了解并认识到钢管混凝土的优越性。尤其在近些年来，研究人员对钢管混凝土的优越性能得以认识，并在土木工程领域有广泛的应用，为未来长远的发展打下坚实的基础。 在20 世纪 60 年代Chapman 等，通过一系列钢管混凝土结构的试验研究与分析，拉开了研究矩形钢管混凝土的序幕。 把混凝土填充到钢管中构成钢管混凝土结构，形成力学性能更强的整体，其中内部混凝土形成“水壶效应”进而提高了钢管的耐火性能，并且两者的相互作用也提高了钢管的局部稳定性[1]。外部钢管对内部混凝土的套箍作用，不仅提高了混凝土的强度，并且在这种约束下其它相关性能也得到了改善，比如混凝土的塑性等，这也就实现了在工程中 1+1>2 的效果。并且两种材料的运用，使整体截面面积减小，总重量减轻，承载力反而得到了提高，其中对钢管壁板的要求也不是很高，在国内很多工厂也可以进行批量生产。同时可以大量节约相关费用与钢材的用量。从而降低结构成本，并且无需支模过程，不仅节约基础费用更缩短 1/4~1/3 的工期，柱子截面面积的减小，也能把使用空间增大4~8%，并且这种结构还有构造简单、规则，连接与处理方便等诸多优点[2]。 在国外大量学者的研究下，产生了许多相关的设计规范，例如：德国的设计规范DIN18606（1997），欧洲的设计规范 EC4（1996）等，在这些规范中，最有说服力且被引用较多的是日本、美国、欧洲的设计规范。 早在前苏联五六十年代就已进行了大量的试验对钢管混凝土有了初步认识，并进行了实际的应用，实践是检验真理的唯一标准，在 20 世纪 20 年代，日本发生了关西大地震之后的现场勘察中发现该种结构相比其它结构的损坏程度较小。在 20 世纪 90 年代，这种结构在经历的数次地震中尤为突出，人们开始意识到钢管混凝土课题研究的重要程度是不可小视的。 
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2 矩形钢管混凝土框架节点的有限元适应性分析

2.1 ABAQUS 简介
ABAQUS 由世界知名的有限元分析软件公司——ABAQUS 公司（原为 HKS 公司，即 Hibbitt，Karlsson&  Sorensen,INC，2005 年被法国达索公司收购，2007 年公司更名为SIMULIA）于 1978 年推出。 ABAQUS 软件是在计算机硬件和软件高速发展的背景下应运而生，并且根据用户反馈的信息不断解决新的技术难题与软件更新，使得其逐步完善。 ABAQUS 不仅能进行相关模态分析而且可以进行流—固耦合分析、声场和声—固耦合分析、压电和热—电耦合分析、热—固耦合分析、质量扩散分析等。 ABAQUS 在许多领域都有所涉及，无论在土木、机械、航天等等，越来越多的国家也开始重视对ABAQUS 的使用，我国用户的使用量也呈现逐年上升趋势，可见 ABAQUS在各领域中的重要程度。 此软件使用方便快捷，很容易处理一些繁琐的模型。对于很多数值模拟，使用者只要求输入结构的相关参数如具体形状、边界条件、材料属性等数据。对于非线性问题的分析，此软件能智能处理出相应的荷载增量以及收敛准则，在分析时对相关参数进行调整，确保结果的精确性。 此外，这种软件基于其大量的单元库，可以用于各种复杂的异形状态，并且拥有足够多的材料库，可用于模拟大多数的常见工程材料，如各种金属、聚合物等等。
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2.2 本构关系概述
本构关系是描述一种材料的内部属性，实际工程中反映出在受力状态下，其应力与应变的关系的计算方程，它反映出力学关系的物理方程。在有限元分析中，此种方程尤为重要，它是进行深入研究的基础，不仅对整体的运算过程产生影响，也对其结果的真实性有很大的影响。材料的本构关系是由大量实验的基础上再通过理论计算，经验总结最终得出其结果，在本构关系中有许多中模型，比如：线性与非线性、弹性与弹塑性等等。本章应用钢管混凝土的受力机理，以大量文献为依托，对其结构进行合理的确定。 随着技术的创新与新仪器的研发来测定混凝土这种不均匀性的材料得以实现，组合结构的出现又使混凝土的性质得到了一次质的飞跃，在其外部包裹钢材，不仅提高了混凝土的各项力学指标尤其是抗压性能，而且又充分发挥两种材料的各自优越性能。 在此构件轴心受压下，随着受力的增加其承载力也随之上升，当达到一定范围内，其钢管的约束作用开始起到了一定效果，在素混凝土下，其承载力已不再上升，而钢管的出现使其构件进入了承载力继续上升的趋势，整体结构此时处于三向应力状态。 近些年，通过对大量文章与文献的积累，整理出相应钢管混凝土的性质特征，不仅与内部因素有关，主要和约束效应系数ξ 有关。 
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3 矩形钢管混凝土框架节点的非线性有限元分析 .......... 23 
3.1 概述 .... 23 
3.2 模型的建立 ..... 23 
3.3  节点核心区的受力特点分析 .......... 27 
3.3.1 应力分析 ...... 27 
3.3.2 变形分析 ...... 29 
3.4 节点受剪承载力的全因素分析 ....... 30
3.5 节点抗剪承载力的单因素分析 ....... 33
3.6 本章小结 .......... 44 
4  矩形钢管混凝土框架节点核心区抗剪承载力的理论分析 ...... 45 
4.1 现有的节点核心区抗剪承载力计算方法 .... 45 
4.1.1《规程》中节点核心区抗剪承载力的计算方法 .......... 45
4.1.2 Fukumoto 与 Nishiyama 节点核心区抗剪承载力的计算方法 ......... 46 
4.2 模拟承载力与各种方法承载力的比较 ......... 48 
5  结论与展望 ........ 52 

4  矩形钢管混凝土框架节点核心区抗剪承载力的理论分析 

4.1 现有的节点核心区抗剪承载力计算方法

通过各公式抗剪承载力的计算结果与模拟值对比，Fukumoto  与Nishiyama 计算方法与模拟值较接近，但此方法普遍适用于高强钢材，对普通钢材需要加以修正。而我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS 159:2004）[64]给出的抗剪承载力公式是矩形钢管混凝土内加强环节点，并且轴压比在式中没有体现  [58]。 公式4.13 了轴压比对节点的影响，也同时考虑约束效应下混凝土强度的提高在受力全过程分析中，钢管、混凝土、加强环的协同作用也能在式中体现，并且由相关文献[36]可知通过大量试验对比得出，混凝土抗压强度标准值 fcu，k<110MPa 时，钢材强度fy<450MPa，其极限荷载均可保证安全，满足设计要求。见表 4.3 通过修正公式计算抗剪强度与实际试验值[58]吻合良好。 

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结论

本文通过对矩形钢管混凝土框架节点模型的有限元分析，可得出以下结论： 
（1）随着柱轴压比的增大，节点核心区的抗剪承载力下降，且降低的幅度趋于线性，在 tj/tc为 0.5，hb/hc为 1.2 的情况下，要保证该类节点的可靠传力，建议柱轴压比宜小于0.6。 
（2）随着节点核心区钢管壁厚与柱钢管壁厚比 tj/tc的增加，抗剪承载力显著提高，为保证节点核心区不发生剪切破坏，建议tj/tc≥1。 
（3）随着矩形钢管混凝土框架节点核心区柱腹板厚与柱钢管壁厚比的增加，其抗剪承载力也显著增加，说明钢管混凝土核心区腹板厚度对其抗剪承载力有较大影响。在柱轴压比为 0.4 的情况下，其 twj/tc在 0.5~0.67 之间，节点的破坏模式从核心区破坏转向梁端破坏，本文建议实际工程中若削弱腹板壁厚 twj/tc应大于0.8 为宜。 
（4）随着节点核心区梁高与柱宽比 hb/hc的增加，其相应结构的抗剪承载力变化浮动不大，表明钢管混凝土核心区高宽比对其抗剪承载力没有显著的影响。 
（5）对于两种型式，相同尺寸的 T 型与十字型节点而言，两种节点的抗剪承载力差异不大。由于本次模拟的节点数量有限，T 型和十字形节点的抗剪承载力尚需要进一步研究。 
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参考文献(略)

本文编号：37930