方钢管混凝土柱与钢梁半刚性连接三维有限元分析

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：A3D FEM Analysis on Behavior of Concrete Filled Square TubeColumn to Ste

2、el Beam Semi-rigid ConnectionAbstract: A new type of square concrete-filled steel tube column-to-H steel beam semi-rigid connections, namely flush end plate though-bolted connection, was designed, and then 3D nonlinear FEM analysis on this type of connection was developed by FEM analysis program-ANS

3、YS. The behavior of the joint and the relationship of between moment and relative rotation under the load were obtained through 3D nonlinear FEM analysis.Keywords: square concrete-filled steel tube; column to beam semi-rigid connection; flush end plated though-bolted connection0 前言 钢管混凝土结构由于充分发挥了混凝土

4、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

5、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；

6、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Solid 65，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Solid 45，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Solid 45单元，螺栓为楔形体（由Solid 4

7、5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Targe 170，接触单元选用Conta 174，混凝土与钢管之间的摩擦系数取0.254。钢管与端板、垫板之间的摩擦系数为0.332。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，将两者粘为一体。钢管混凝土柱顶

8、部施加轴向均布荷载，柱轴压比为0.4；下端固定，上端在和方向固定，即在轴力作用下，允许钢管混凝土柱发生轴向位移。在梁端逐步施加竖向荷载，以跟踪节点受力特性。2 计算及分析结果 通过有限元分析可以得到节点区域钢管与管内混凝土应力分布、方形钢管混凝土柱与H型钢梁节点的初始转动刚度以及节点弯矩与转角关系曲线等情况，可以详细了解钢管混凝土柱钢梁半刚性节点在静荷载作用下的工作特性。具体如下：2.1 节点受力特性 通过设计APDL（Ansys 参数化设计语言）跟踪可以了解方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓平端板节点在外力荷载下的破坏机理：随着梁端荷载F的逐级增加，当梁端荷载为F时，端板中最上排螺栓孔附近的

9、钢材首先屈服，并且屈服区域随着荷载的增加向着端板与钢梁连接处不断发展并向梁端逐渐扩大；当梁端荷载F达到时，钢管内混凝土在与螺栓相接触的点开始达到混凝土抗压强度，此处混凝土出现局部压碎现象，此时该点混凝土不能继续承受逐渐增长的外荷载，增加的外荷载由此点附近的混凝土来承担；当梁端荷载F增加时，钢管螺栓孔附近的材料开始屈服，屈服区域随着外荷载增加而不断向外扩张；当施加于梁端的竖向荷载达到时，端板最上排螺栓孔与螺栓接触处某点钢材达到材料极限强度，我们可以认为此时连接节点达到破坏状态，结构施加的荷载达到节点的极限荷载， （b） A-AAAB随着荷载的增加，CBC（a） 节点变形示意图 （c） B-B （

10、d） C-C图3 节点变形及管内混凝土螺栓孔受力示意图此时，节点的弯矩为。D在梁端竖向荷载作用下节点变形示意见右图图3（a），端板以其左下端与柱的接触点D为中心产生转动，穿芯螺栓在外力作用下呈受拉状态。最上排螺栓距转动中心距离最远，受到的拉力最大，在加荷初期，螺栓中的拉力由混凝土与螺栓之间的摩擦力来承担；当荷载增加时，螺栓与混凝土之间的摩擦力不足以抗衡此拉力，需要借助于螺帽承压来抵抗剩余的轴力，因此在柱的另一侧（无梁侧）螺帽附近的管内混凝土Von Mises应力比较大（图3（b）；荷载继续增加时，螺帽承受的压力也逐渐增大，但由于螺帽的面积较小，导致螺帽附近的管内混凝土很容易因局部压力过大而压碎

11、，因此需在螺帽与钢管壁之间加设垫板，增加管内混凝土的受力面积，减缓管内混凝土的过早破坏。从整个分析过程可知，中间位置穿芯螺栓受到的拉力较上排螺栓的拉力小，其螺栓孔附近的混凝土应力也比较小（图3（c），而底排的螺栓受力最小，它与管内混凝土间的摩擦力足以抵抗螺栓拉力，因此管内混凝土摩擦力较大，而螺栓孔附近的应力较小（图3（d）。由于端板以其底部与柱接触点D处为中心发生转动，梁下翼缘的压力犹似以集中力的形式作用于钢管壁上，因此在此部位也形成了较大的应力集中，材料出现屈服，这在设计过程应引起注意。另外，管内混凝土的存在使得钢管柱的刚度迅速增加，因此在外荷载F作用下钢管柱的侧移相对较小，节点的变形主要由

12、端板的变形引起；同时混凝土又为传递螺栓拉力提供了传力介质，减轻了钢管壁的“负担”。由于管内混凝土同时受到柱顶的竖向荷载与螺栓提供的水平荷载双向作用，因此在节点区域的管内混凝土中形成了约的压杆锲体（如图4）。由此可知管内混凝土在螺栓孔附近出现的局部压碎现象是由于螺栓产生受剪变形，挤压管内混凝土，在螺栓孔附近形成局部应力过高，使得局部混凝土出现压碎现象。当然由于ANSYS本身混凝土材料属性的局限性，钢管对混凝土的约束作用在模型中未能体现出来，但在整个受力过程中，除了在与钢管壁直接受力接触部位（螺栓孔附近、端板底部与柱接触处）产生应力集中以外，钢管整体受力还是比较均匀的（图5），因此节点的受力特性可

13、以不考虑钢管对混凝土的约束。图4 节点区域柱内混凝土的应力分布梁混凝土局部压碎钢管图5 节点区域钢管的应力分布混凝土钢管梁材料屈服Compress strut 2.2 平端板半刚性节点的特性图6 穿芯螺栓端板齐平节点弯矩转角曲线初始刚度；连接转角；形状参数 通过有限元分析可以得到的节点弯矩转角曲线如右图（图6），连接节点的极限弯矩，是钢梁极限弯矩的（钢梁极限弯矩），通过曲线拟合可知节点的初始刚度为。从节点的初始刚度和极限弯矩这两方面来考察，方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓平端板节点的变形特性主要以受剪变形为主，同时含有一定的弯曲变形，符合半刚性连接要求：5，且5。组成节点的各个部件的变形引起

14、节点转角，节点转角通过下式计算： （1）其中，分别为端板、柱以及螺栓变形引起的转角，为梁高，为端板弯曲引起的变形，为柱受力引起的变形，为受拉螺栓的伸长量。由于钢管混凝土柱的侧向刚度较大，对节点转角的贡献较小，通过计算可知，由钢管混凝土柱变形引起的转角仅占总转角的，可以忽略；螺栓受力变形产生的转角占总转角的，其余由端板变形而产生。 另外，从文献可知，节点的弯矩转角公式可以用RichardAbbott6公式来表示： （2）式中为节点的弯矩，为节点的相对转角，为参考弯矩（此处取），为节点的初始刚度，为曲线形状参数，与节点的构造有关，通过迭代计算得出曲线的形状参数。图6中显示的RichardAbbot

15、t计算曲线与有限元计算结果吻合较好，说明Richard-Abbott公式可以反映方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓平端板半刚性节点的弯矩与转角关系。3 结论 本文采用ANSYS通用结构有限元分析软件对方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓平端板半刚性连接节点进行了三维非线性分析，得出以下结论：1. 方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓平端板节点是一种主要以受剪变形为主，同时含有一定的弯曲变形的半刚性连接节点，进行结构设计时，应根据半刚性连接节点的受力特性进行设计与构造。2. 采用穿芯螺栓连接时，在应力较高部位会出现管内混凝土局部压碎现象，因此当钢管混凝土柱与钢梁节点采用穿芯螺栓连接时，应在节点区域受

16、力比较集中的地方设置适当的措施来防止钢管内混凝土过早地出现局部压碎，如在螺帽与钢管壁间设置垫板，加强端板底部与钢管接触部位的保护，同时钢管混凝土采用较高标号的混凝土，可以防止管内混凝土在较小外力作用下提前出现破坏，但也应考虑混凝土标号过高时带来一系列其他影响因素，应慎重综合考虑，争取最优的经济效益指标。3. 将钢管内混凝土强度等级、端板材料屈服强度、端板厚度、钢管材料屈服强度等参数进行调整优化后，则节点的各个组件可以协调受力，半刚性节点的极限弯矩会有进一步的提高。4. 方形钢管混凝土柱与H型钢梁穿芯螺栓平端板节点可以采用Richard-Abbott公式反映节点弯矩与梁端相对转角的关系。 参考文

17、献：1Shih-Wei Peng. Seismic Resistant Connections for Concrete Filled Tube Column-to-WF Beam Moment Resisting FramesD. Lehigh University, Pennsylvania, 2001, 3.2宗周红，林于东，林杰矩形钢管混凝土柱与钢梁半刚性节点的抗震性能试验研究J建筑结构学报，2004，12，29363A. M. Citipitioglu, R. M. Haj-Ali, D. W. White. Refined 3D Finite Element Modeling of Partially-restrained Connections Including SlipJ. JournaJl of Constructional Steel Research, 2002, 58, 9951013.4过镇海钢筋混凝土原理M北京：清华大学出版社，1999，35Rafiq Hasan, Nor