1、河北工业大学硕士学位论文i新 型 方 钢 管 混 凝 土 柱 -钢 梁 半 刚 性 节 点 抗 震 性 能 研 究摘 要方钢管混凝土柱构造简单 , 与其他连接件组合施工方便 , 近年来在工程应用方面日益广泛 。 然而与之相应的节点抗震性能和承载力研究很不充分 , 规范中的节点形式也无法满足实际需要。随着国家经济的腾飞,更多相关的理论和试验研究已是势在必行。本文从方便建筑设计、降低施工难度的角度出发,借鉴穿心螺栓节点的连接形式 , 提出了新型半刚性节点 “ 穿心螺栓 - 形板 ” 节点 。 此节点形式为全螺栓连接 , 安装方便灵活 , 克服施工现场焊接质量不稳定 、 高空作业危险不利因素 , 降
2、低人工成本 , 缩短施工周期 , 减少环境污染 。 通过对新型方钢管混凝土柱 -钢梁半刚性节点的低周反复试验 , 观察记录试验现象和破坏过程,经数据处理分析来研究新型节点的应力分布规律及抗震性能 。新型节点改善了力的传递途径 , 丰富了方钢管混凝土柱 -钢梁半刚性节点形式 。 试验结果表明新型节点具有良好的延性和耗能能力,抗震性能较好。 为了弥补试验观测的局限性 , 揭示试验内部难以测试的细节部分 , 采用大型通用有限元 ANSY对节点试验进行三维实体 apdl语言建模分析 , 同时考虑几何 、 材料 、 接触三重非线性 , 通过合理的切分划分为较为规整的网格 。 经过计算 , 得到的方钢管混
3、凝土的滞回曲线与试验曲线对比 , 并对理论和试验的各项对应指标进行了对比分析 。 从计算机模拟和试验数据结果来看 , 该新型节点具有良好的抗震性能 , 通过调整 形板可以控制节点刚度和抗震能力,方便灵活,值得推广使用。 关 键词: 方钢管混凝土 半刚性节点 穿心螺栓 非线性有限元 抗震性能新型方钢管混凝土柱 钢梁半刚性节点抗震性能研究iANLYSIO NO O O SEIMCBEH AVIO RH OH OH O O FO O OSEMI-RG DG G G CO TIO NO OO OO O O FO O O NWTYPECO NRT-FILO O O SQ UAREQ Q Q SLUBAR
4、CO LUMNO O ONDTBAMABSTRCConcret-filedstlsquaretubular(CFRT)columnhasaim plestructure,convenientofcombinationwhotherfitngsandconstuction,iaincrenglywideangeofngineringapplonslastevealyers.However,hecorrespondingsarchesofberingcapaityandseim cbehaviorofjointenotnough,andtjointform intpecifatonnlsonotm
5、 tthepractilneeds.Withhecountryseconomytakngoff,them oreheoreticandexperim entlsudisarim perave.Takingtheconveniencofrchiteuraldesignandtheconstructiondificultyintoacount,anddrwijointform them ndrbolt,papepresntnewsem -rgidjoints“m ndrelbolt-shapedplatejoint”.Theform ofhisjointifull-boltconnetionwit
6、hheflxibiityofinsaltion.Theyovercometunstablequalityofwedinginheonsrucse,andunfavorblefcorsofthigh-altiudeoperions.Thecanlsorducelaborcosts,hortntheconstructionycl,andreducenvironmentalpollution.Bedonthetsofheem i-rgidjointsofoncre-fiedsquastltubulcolumnunderlowcyclirevedloading,thetesphenomenonandt
7、hedetructionprocesarobservedandeordd.Theatfromtnewjointisanalyzdtosudysedistributionndthesim cperfm ance.Newjointsim provethepathwofheforcefromachotheaenrichem -igidjointsform oftheconcret-filedselsquaretubulaolumn-stelbem .Thesultshowthathenejointhasgoodductyandnegydisipatoncapaiy,trseim cperform a
8、nce.Tocompensaeforthelm taionsoftheexpeim ntlobservationsandrevealtheinternaldetailswhihrdiiculoesfromst,andbythe3Dntypdllnguagem odelngnaysitalgegeneral-purposefinitelm ntANSYforthejointpiot,them isdividedntorgulrgridthroughtherasonablesgmntation.Meanwhile,ialsotkethegeometric,them ateilandhecontai
9、plenonlinernalysesintocount.Aftrculaion,thehyseicurvescontrstedwithhexperm entalcurveform theCFRTaeganed.河北工业大学硕士学位论文iMoreover,thecorrespondingindicatorsfromtheoryandtheestarcontrastedndanalyzed.Fromtesultofthecomputerim ultionandexperim entlda,henewjointhasgoodseim cperform ance.Tjointstfnessim cap
10、actyanbecontrolledbyadjustingthethe-shadplt,ndthisnewjoint,convenientndflexibl,isworthpromoting.K EYK K K WORDS:Concret-filedsquarestltube,Sem i-rgidconnetion,Al-boltedjoint,Finitelm ntAnalysis,Sism cBhavior新型方钢管混凝土柱 钢梁半刚性节点抗震性能研究iv河北工业大学硕士学位论文v目 录第 一 章 绪 论 .1 1-引言 . 2课题来源、研究目的和意义 1 -3方钢管混凝土柱 钢梁半刚性连
11、接节点分类 .4 14方钢管混凝土柱 钢梁半刚性连接节点研究现状 5-国外方研究进展 .2国内研究进展 6 1-5本文的主要研究内容 .第 二 章 三 维 有 限 元 理 论.8 2-1引言 . ANSY三重非线性 8-材料非线性 .2几何非线性 1-3接触非线性 . 钢材的处理 22-1钢材实际模型 .13程序中的模型 3 -4混凝土的处理 .521混凝土的本构关系 1-混凝土的破坏准则 .7 4试验结论 . 9第 三 章 方 钢 管 混 凝 土 柱 H H H H 型 钢 梁 型 板 节 点 三 维 建 模 .2 3-1概述 .1 2试验概况 2-试验构件的设计与制作 .3边界条件与加载制
12、度 3 -新型节点有限元模型 .251材料定义 .3-2单元选择 .6建立模型 . 30-4边界条件及求解设置 .5第 四 章 有 限 元 结 果 验 证 及 分 析.37 4-1JD-分析 .破坏现象分析 37-2应力应变分析 .8413柱壁屈服机制 9-抗震性能 .40 2JD-、 3分析4-1应力分析 .破坏模式 45-23抗震性能 .6第 五 章 参 数 分 析 .48新型方钢管混凝土柱 钢梁半刚性节点抗震性能研究vi 5-1连接件腹板厚度的影响 .48 2混凝土强度的影响 . 51第 六 章 结 论 与 展 望 .3 6-1结论 .5 2展望 4参 考 文 献 .5致 谢 .8攻 读
13、 硕 士 学 位 期 间 所 取 得 的 相 关 科 研 成 果 .59河北工业大学硕士学位论文1第 一 章 绪 论 1-引 言近些年来随着国家经济技术的发展,城市化运动明显加速,许多高层、超高层建筑相继被建立 。 这些建筑投资巨大 , 影响范围广 , 具有标志性作用 。 因此需要特别需要承载力高且抗震性能好的结构形式 。钢管混凝土柱是由钢管中浇灌素混凝土而形成的 , 有圆形 、 方形和矩形等三种常见的截面形式 , 如图 1.。其原理为 : ( 1) 内填混凝土加强了钢管壁的稳定性 ; 内填混过凝土对钢管壁的支撑作用 , 使钢管壁几何稳定性得到了增强 , 空钢管的失稳状态得到了很好的改善 ,
14、结构的承载力也就大大提高了 。 ( 2) 借助钢管对核心混凝土的套箍作用 , 使核心混凝土处于三向受压状态从而使混凝土具有更高的抗压强度和变形能力。 矩 形 钢 管方 形 钢 管圆 形 钢 管核 心 混 凝 土 核 心 混 凝 土 核 心 混 凝 土图 1.钢 管 混 凝 土 结 构 常 见 截 面 形 式Fig.Com m ntypeofcnret-filedstltube钢管混凝土结构克服了单一的钢结构抗压失稳和混凝土抗拉较差的局限性 , 得到了许多建筑师和结构师的青睐 , 越来越多的应用于高层建筑 、 工业厂房 、 地铁和大跨度桥梁当中 。 另外钢管混凝土不需支模省去了模板工程的相关费用
15、又缩短了工期 , 减少了环境污染 ; 承载力的提高使得更小的柱子截面得以实现 , 从而使得建筑物空间增大 , 外形美观 。 尽管圆型钢管混凝土受力均匀 、 对称 , 在轴压下对核心混凝土的约束效果较其他截面形式要好 , 而方钢管混凝土有一定的非有效约束区 , 约束主要在截面的角部 ,所以不如圆钢管明显 。但方钢管混凝土具有( 1)节点构造简单,与配套构件的连接施工方便。显著缩短施工工期,建筑适用性较好,经济效果显著 。 ( 2)惯性矩更大,在弯压作用下具有更好的稳定性能 。对于稳定性能控制构件承载能力的中长柱受压性能更优越。同时具有良好的抗震性能及延性性能 。 ( 3)方钢管截面形式规则,因此
16、无需进行昂贵的防火喷漆,仅需外包一层较经济的平板形防火板材即可 , 防火造价低等特点。以上特点使得方钢管混凝土在当今社会的应用更为普遍。 1-2课 题 来 源 、 研 究 目 的 和 意 义一开始 , 由于圆型钢管混凝土受力均匀 、 对称 , 在轴压下对核心混凝土的约束效果较其他截面形式要好 , 人们对圆钢管混凝土 柱 的研究较多 。 但由于方钢管混凝土自身在设计 、 施工和人工成本方面的优势,方钢管混凝土 柱越来越 开始受到研究人员的关注与重视。新型方钢管混凝土柱 钢梁半刚性节点抗震性能研究2相对于圆钢管混凝土 , 方钢管对混凝土约束主要集中在截面的角部 , 如图 1.2所示 , 所以不如圆
17、钢管约束明显 , 。但随着时间的推移,钢管混凝土方面的研究成果日趋丰富,证实了方钢管对混凝土的约束作用是良好的,尤其是加在载后期,方钢管充分发挥了约束作用,构件的延性的得到显著提高 3。众所周知 , 结构的安全可靠除了构件本身外 , 梁柱连接的节点也是非常重要的 6。 梁柱节点的性能是影响结构整体性能的关键所在 , 目前已经成为方钢管混凝土理论发展的瓶颈问题 , 制约着方钢管混凝土结构在更多实际工程中的应用和推广 。 节点的理论和试验研究滞后于工程运用 , 一些节点形式还缺乏相应的工程经验和试验,已经被用于工程中,虽然做了些性能检验性试验,但还是非常有限的。所以 ,开展方钢管混凝土柱 梁节点研
18、究 , 探讨合理 、 有效的节点构造方案 , 具有十分重要的理论意义和应用价值。节点既是结构设计中的关键部位 , 也是施工过程中的难点 。 节点是传递梁柱 内力的媒介 ; 如果节点无法提供足够 、 合理的杆端约束 , 结构的模型将发生改变 , 计算模型选取也不能确认 , 将导致结构的 计算值和实际承载力 存在显著差异 , 结构的安全性也得不到保障 ; 因此 , 人们需要关注和重视钢管混凝土结构的节点研究 7。连接节点根据弯矩传递效果的不同,如图 1.3所示,可分为铰接节点、刚接节点和半刚接节点 。 传统设计中梁与柱子的节点连接仅考虑为理想的铰接或刚接 。 严格意义上讲实际中的节点基本都属于半刚
19、性连接 , 这是由于刚性节点刚度往往是有限的 , 而铰接节点也具有一定的刚度 。 在实际工程中 , 刚性节点抗侧向能力强在高层建筑应用广泛 , 但刚性连接节点在地震作用下延性较差易发生脆性破坏 。 与刚性连接相比 , 半刚性连接的结构在地震作用下具有稳定的抗震性能 , 可以很好的将地震能力吸收并耗散出去 , 延性较好 , 对大震下人民的生命财产安全起到很好的防护作用 , 很好适应我国多地震的国情 。 另外 ,图 1.3节 点 弯 矩 传 递 示 意 图Fig.13Bendigm om enttransferofsem i-rgidjoints非有效约束区 图 1.2方 钢 管 混 凝 土 的
20、约 束 作 用 Bt B有效约束区铰 接 节 点 弯 矩 传 递 刚 性 节 点 弯 矩 传 递 半 刚 性 节 点 弯 矩 传 递Fig.Squarestltubeconretconstraitfunctio河北工业大学硕士学位论文3完全意义上的刚性节点加工制作既昂贵又不易实现 , 而对于半刚性节点来说 , 可以通过前期设计来调整节点的刚度 , 调整梁柱弯矩 , 充分利用组合梁跨中承载力高的特点使得材料利用率提高 , 具备客观的经济效应。 高层建筑混凝土结构技术规程 JG3-201的 3.71条规定 : “ 在正常使用条件下 , 高层建筑结构应具有足够的刚度 , 避免产生过大的位移而影响结构
21、的承载力 、 稳定性和使用要求 ” 可知结构的水平位在 高 层 建 筑 上 具 有 重 要 意 义 。 通 常 在 高 层 建 筑 中 将 梁 柱 节 点 做 成 刚 接 形 式 ( 常 见 刚 接 节 点 形 式 , 如 图1.4) ,以达到减小结构水平位移的目的。 多年来,大多数工程师都确信刚性连接节点具有高强度和良好抗震性能,被广泛应用于工程建设 ;但在 194年美国 Northidge地震和 195年日本 Kobe地震中 , 焊接刚接节点形式发生大量的脆性破坏现象,引起了人们的深思,欧美国家和日本都进行了针对地震区组合节点抗震性能的专向研究计划 , 修订了相关规范 。 由于地震给人们的
22、人身财产安全带来极大的破坏 , 半刚性节点的优越抗震性能越来越受到人们广泛的关注,研究力度不断加大。图 1.4常 见 刚 接 节 点 形 式Fig.14Thecom m ntypesofrigdconetion我国近些年来也对半刚性连接节点形式和性能进行初步研究 , 取得了一定的研究成果 , 但离工程实践的需求还有距离,已有的规范(规程)对半刚性节点的描述也不甚明晰 。 矩形钢管混凝土结构技术规程 ( CES159: 204) 15推荐的方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的两种形式分别为 : 带外隔板和带内隔板的栓焊节点 。 对于带内隔板的方钢管节点 , 因其最后一条焊缝在管内进行焊接 , 所以需要
23、用熔嘴电渣焊等复杂工艺来完成,成本高,焊缝的质量无法充分保证。浇注混凝土还需要在内隔板上开孔 ,这对于截面较小的方钢管混凝土柱来说 , 内隔板上中开孔大小会受到一定的限制 , 从而给浇筑混凝土的施工过程带来困难 , 使得节点域混凝土的浇筑质量不易保证 , 并且会影响施工速度 。 另外 , 当今轧钢技术已经能够生产出小截面的轧制方钢管 , 而无需用四块钢板拼焊而成 , 因此内隔板节点对于此类轧制钢管柱不再适用 。 带外隔板的连接节点由于外隔板突出于钢梁下翼缘 , 影响美观 , 且现场焊接作业量较大 ,施工环境差 , 焊缝质量难以得到充分保证 。 因此 , 寻求新的节点形式并研究其力学性能及抗震性
24、能是十分必要的。 借鉴穿心长螺栓节点的连接形式 , 从降低施工难度 、 方便设计的方面考虑 , 提出一种使用穿心高强螺栓连接的 型板节点 , 其构造形式如图 1.5所示 , 此连接节点克服工地现场焊接环境差 , 焊缝质量不易保证的缺点 , 安装方便灵活 , 承载力和抗震性能优越 , 丰富了半刚性连接的节点形式 , 并且由于空钢管内只有穿芯螺栓杆件 , 混凝土的浇注更加高效方便 , 浇筑质量得到了充分保障 。 本文通过拟静力实验的数据和大型有限元软件 ansy模拟分析进行对比验证 , 再通过改变参数来进一步分析变量对节点性能新型方钢管混凝土柱 钢梁半刚性节点抗震性能研究4的影响 , 来为节点设计
25、 、 新规范等提供参考依据 , 这对于研究新型节点在地震作用下的工作机理具有重要理论意义 ; 同时对完善我国半刚性节点连接领域的研究工作 , 补充相关规范规程 , 评价现有的相关结构形式都具有很强的现实意义。图 1.5新 型 半 刚 性 节 点Fig.15ThenwtypeofSm i-rigdconetion 1-3方 钢 管 混 凝 土 柱 钢 梁 半 刚 性 连 接 节 点 分 类当地震来临时 , 半刚性的连接节点具有较稳定的滞回性能和优良的耗能能力 , 是理想的抗震结构之一 。 将半刚性连接节点应用于方钢管混凝土结构 , 具有十分广阔的开发和应用前景 。 方钢管混凝土柱 钢 梁 半 刚
26、 性 连 接 节 点 主 要 由 短 T型 钢 、 端 板 或 角 钢 组 成 的 连 接 件 与 高 强 螺 栓 将 梁 、 柱 连 接 为 整 体 ; 主要有 : 螺栓不贯通外伸端板式连接 、 梁端翼缘通过连接件与柱壁板连接 、 以及 穿芯 螺栓式连接等类型16。11-节点 (a)(a)螺栓不贯通外伸端板式连接 1-节点 (b-1)角钢 加劲肋长高强螺栓 长高强螺栓 型钢栓焊螺栓 型钢节点 (b-2)节点 (b-3)节点 (c-1)节点 (c-2)梁端翼缘通过连接件与柱壁板连接 穿心螺栓式连接 型钢1-1- 1-1-11 11 11 11图 1.6方 钢 管 混 凝 土 柱 -钢 梁 半 刚 性 节 点 类 型Fig.16Thetypsofcnretfiledsquaretbularcolum n-stelbeam sm i-rgidconetions图 1.6( a) 为螺栓不贯通外伸端板式连接示意图 17, 其制作过程如下 : 先将高强螺栓栓焊在钢管柱壁上 , 将端板焊接到钢梁上 , 最后将钢梁和柱通过高强螺栓连为一体 。 然而这种节点在工程实际中并不常见 , 这是由于将高强螺栓栓焊于钢管柱壁上 , 施工难度大 , 且易引起柱壁局部屈曲 , 不宜保证连接性能。 图 1.6( b)梁端翼缘通过连接件与柱壁板连接示意图,为典型的半刚性连接。其制作过程如下 : 钢