方钢管混凝土柱节点的抗剪受力分析

摘要：本篇文章从节点有限元模型的建立进行介绍，依次阐述了节点剪力-剪切变形曲线的骨架线，最后以分析方钢管混凝土柱节点的抗剪受力作为重点进行了讨论。

关键词：方钢管，节点剪力，受力分析

中图分类号： TU528 文献标识码： A

一、前言

钢管混凝土布局因为其良好的力学性能,越来越多地受到了大家的重视,因而必须对节点的剪切变形加以分析，从而为完善方钢管混凝土柱节点的抗剪规划内容供给了科学的方法。

二、节点有限元模型的建立

1、材料的本构模型

模型中的钢材选用弹塑性模型,混凝土选用塑性损伤模型,混凝土的受拉软化采用混凝土能量破坏准则即应力-断裂能关系。相对于上面两种材料的本构模型分别选用不同的应力-应变关系模型。对于钢材,当为低碳软钢及低合金钢时,采用二次塑流模型。其应力-应变曲线分为五个阶段:弹性段、塑性段、强化段和二次塑流段。当钢材为高强钢材时,采用双线性模型。混凝土的应力-应变关系模型采用韩林海等(2007)[3]提出的混凝土应力-应变关系模型。钢管混凝土的核心混凝土由于受到钢管的约束,使得钢管和混凝土之间存在相互作用,从而使混凝土的受力更加复杂。因此,钢管混凝土结构中的核心混凝土应力-应变关系曲线除了跟自己的本身材料有关外,还主要跟约束效应系数有关。

2、边界条件的模拟及单元接触的定义

在有限元软件ABAQUS里的Load功能模块里可以模拟构件的边界条件。Load功能模块主要可以进行定义荷载、边界条件、场变量和荷载状况的工作。使用Load模块里的BoundaryCondition项可定义不同类型的边界条件。在平面节点的抗剪分析中,对柱底约束1、2、3方向的线位移,对梁端约束1、2方向的线位移(在梁端加竖向荷载时)或者是2、3方向线位移(在柱顶加水平荷载时),柱端只约束平面外的2方向线位移。单元的接触在Interaction功能模块里定义,主要用到Interaction菜单中的界面接触和Constraint菜单中的绑定约束、壳体-实体耦合约束和嵌入区域约束。在节点分析中:钢管与混凝土采用界面接触;钢管和钢梁采用绑定约束;混凝土和加载板采用绑定约束;加载板和钢管采用壳体-实体耦合约束;内隔板和混凝土采用嵌入区域约束。对于界面接触中法向方向的接触采用硬接触,即法向方向的界面压力可以完全地在界面间传递。界面接触中切线方向的接触采用库伦摩擦模型,它综合考虑了界面粘结力和摩擦力对界面剪应力传递的贡献,钢管与混凝土间的界面摩擦系数取值范围在0.2~0.6之间。

4、加载方式的确定及网格的划分

网格的划分对有限元的结果有很大影响,本文采用独立实体划分网格,三维实体采用结构化网格,壳体采用自由网格。在进行建模时,环板处有转角,会导致应力集中,在划分网格时应将环板处切割成几部分,使网格更均匀。在接触中混凝土为从属表面,其网格的密度不应低于钢管的网格密度。加载方式分为两个步骤,第一步先加柱顶的轴力,第二步在左右梁两端加竖向反对称位移或者是在柱端加水平位移。

三、节点剪力-剪切变形曲线的骨架线

1、钢管腹板的抗剪三折线模型

钢管腹板的剪力-剪切变形骨架曲线可假设为抗剪三折线模型。钢管腹板的屈服剪力及屈服剪切变形的确定假设梁端拉应力全部由内隔板或外加强环承受,梁端压应力全部由内隔板、外加强环及核心混凝土承受。

2、钢管翼缘与内隔板或外隔板组成的钢板框架的抗剪三折线模型

对于内隔板式节点或外隔板式节点,钢管翼缘与内隔板或外隔板组成的钢板框架的剪力-剪切变形骨架曲线可假设为抗剪三折线模型。钢管翼缘与内隔板或外隔板组成的钢板框架的屈服剪力及屈服剪切变形的确定。对于内隔板式节点,两块钢管柱翼缘板与上下内隔板构成一“板式钢框架”,其抗剪承载力可通过虚功原理求得。假设柱翼缘-内隔板框架可能存在如下两种破坏形式:内隔板塑性铰破坏形式或者钢管壁破坏形式。

3、节点剪力-剪切变形骨架线

在分别得到节点域钢管腹板的抗剪三折线模型、节点域钢管翼缘与内隔板或外隔板组成的钢板框架的抗剪三折线模型和节点域混凝土的剪力-剪切变形骨架线的基础上,可以根据剪切变形协调的条件将上述三部分曲线进行叠加,由此便可得到方钢管混凝土柱内隔板式节点或外隔板式节点的剪力-剪切变形骨架线。根据剪切变形协调的条件将这上述曲线进行叠加就可以得到这一节点试件剪力-剪切变形曲线的骨架线。对于栓钉内锚固式节点而言,则可以忽略栓钉的作用,直接叠加节点域钢管腹板的抗剪三折线模型和节点域混凝土的剪力-剪切变形骨架线,由此便可得到栓钉内锚固式节点的剪力-剪切变形骨架线。

四、方钢管混凝土柱节点的抗剪受力分析

1、方钢管混凝土柱节点抗剪受力分析

方钢管混凝土柱节点的低周反复荷载加载试验中,节点核心区剪切屈服是方钢管混凝土柱节点很重要的一种破坏模式。通过大量试验数据的比对和深入的研究,钢管混凝土柱节点的抗剪受力过程可以划分为4个阶段。

第一阶段(协同工作阶段)从开始施加荷载,到节点核心区混凝土达到峰值剪切变形之前,混凝土都能够与柱钢管壁一起,作为一个整体截面,协同参与工作,两者的变形和工作机制几乎完全一样。这一阶段,由于混凝土具有较大的截面积和相对较大的剪切模量,因此节点表现出很大的抗剪刚度,剪力-剪切变形曲线几乎垂直上升。第二阶段(共同工作阶段)随着荷载增加,节点的剪切变形加大,当节点核心区混凝土达到峰值剪切变形之后,截面上剪切应力已经不随剪切变形而明显增加。这一阶段混凝土对节点抗剪的刚度的贡献,逐渐变为主要以斜压杆的抗压模式来体现。这一阶段,核心区混凝土与钢管混凝土柱翼缘一同承担截面剪力,但是抗剪机制已经不同,故共同工作阶段。随着荷载继续增加,钢管腹板剪切变形继续发展,最终达到屈服。这时曲线斜率明显下降。第三阶段(屈服强化阶段)钢管腹板剪切屈服之后,节点在剪力作用下进入屈服强化阶段。这一阶段,钢管腹板进入强化阶段,抗剪模量大为降低,因而截面抗剪刚度下降,剪切变形发展迅速。但由于钢管腹板的强化,斜压杆混凝土所能承担的压力也有所增加,因此,这一阶段节点剪力有所增加。第四阶段(极限变形阶段):节点剪切变形进一步增加,钢管腹板达到抗剪极限强度,此后将主要以拉力带的方式参与工作,通过提供斜向的拉力来参与抗剪,核心区混凝土也已经接近或者达到极限状态。这一阶段,节点剪切变形已经颇为可观,而且发展迅速,但随着节点剪切变形的增加,节点剪力几乎不会增加,甚或会有下降。但由于钢材具有很好的变形性能,同时钢管壁对核心区混凝土具有很好的约束作用,节点变形仍有较大的发展空间。

2、节点域混凝土斜压杆作用模式的剪力-剪切变形曲线

对于内隔板式节点,其核心区素混凝土,同时受到钢管混凝土柱壁和内隔板的有效约束。在节点承受剪力作用时,很容易形成斜压杆机制来抵抗节点剪力。斜压杆机制如图4,斜压杆抗剪的原理就是利用斜压杆压力的在水平方向上的分量。对于没有内隔板的节点,不考虑斜压杆作用。

3、方钢管混凝土柱节点剪力-剪切变形曲线

在分别得到节点域钢管腹板的抗剪三折线模型、节点域混凝土直接抗剪的剪力-剪切变形曲线和节点域混凝土压杆模式的剪力-剪切变形骨架线的基础上,可以根据剪切变形协调的条件将上述3部分曲线进行叠加,由此便可得到方钢管混凝土柱内隔板式节点或外隔板式节点的剪力-剪切曲线。

五、结束语

在实际的工作中，对方钢管混凝土柱节点的抗剪受力进行剖析,使得方钢管混凝土柱节点的抗剪受力考虑到实践布局的计算模型中,这样就可以得到节点受力性能对全体布局的影响,从而为未来的科学研究和工程设计供给好的现实典例。

参考文献

[1]周天华,何宝康,陈国津,等.方钢管混凝土柱与钢梁框架节点的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2004

[2]周天华.方钢管混凝土柱-钢梁框架节点抗震性能及承载力研究[D].西安建筑科技大学,2004

[3]秦凯.方钢管混凝土柱与钢-混凝土组合梁连接节点的性能研究[D].清华大学,2006

[4]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M].北京:科学出版社,2004

[5]周天华,何保康,陈国津,魏潮文,单银木.方钢管混凝土柱与钢梁框架节点的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2004