半剛性混凝土組合節點有限元分析

亓萌， 王冬花

(1. 安徽工商職業學院會計系，安徽 合肥 230000； 2.合肥工業大學土木系，安徽 合肥 230009)

半剛性混凝土組合節點有限元分析

亓萌1,2， 王冬花2

(1. 安徽工商職業學院會計系，安徽 合肥 230000； 2.合肥工業大學土木系，安徽 合肥 230009)

采用有限元分析SAP2000軟件，利用軟件中轉動彈簧單元模擬組合節點的半剛性，建立了半剛性鋼管混凝土組合節點有限元模型.對半剛性鋼管混凝土節點在低周反復荷載作用下的荷載(P)-位移(Δ)關系滯回曲線進行了模擬，并通過試驗結果驗證了模型的正確性，為模擬半剛性鋼管混凝土組合框架提供了基礎.

半剛性;組合節點;有限元模擬;滯回曲線

1994年美國Northridge地震、1995年日本Kobe地震和1999年臺灣集集地震表明，鋼結構和組合結構所發生的震害比人們預期的嚴重，特別是連接節點出現了大量的嚴重斷裂損傷[1].針對上述強震所暴露的問題，國內外開展了大量的相關研究工作.

半剛性鋼管混凝土節點是指鋼管混凝土柱和鋼-混凝土組合梁通過端板和單邊高強螺栓連接形成的半剛性節點.在實際工程中端板類型主要有平齊端板連接和外伸端板連接.通過節點區樓板內連續貫穿鋼筋和抗剪栓釘來實現節點的組合作用.試驗研究表明[2]，端板連接鋼管混凝土組合節點具有良好的受力性能和抗震性能，且施工快捷，節省造價.

目前國內外學者在大量試驗基礎上得到了半剛性鋼管混凝土節點的滯回性能和破壞模式.Loh等[3]通過5個十字形組合節點和1個純鋼節點在負彎矩作用下的靜力加載試驗，得到了如何提高節點的轉動能力的方法；Loh等[4]在進一步的研究中，對平齊端板連接的節點進行了研究以及有限元分析，并將試驗的結果與有限元分析進行對比，發現二者吻合較好，從而證明了模型的正確性.

本文利用工程設計軟件SAP2000建立了半剛性鋼管混凝土節點有限元模型.用軟件中的轉動彈簧單元來模擬節點的半剛性，對半剛性鋼管混凝土節點在低周反復荷載作用下的荷載(P)-位移(Δ)關系滯回曲線進行了模擬，并通過試驗結果對模型的準確性進行了驗證.

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型的簡化

在SAP2000程序[5]中，非線性連接單元是由6個獨立的彈簧組成.圖1顯示了XOY平面內的三個彈簧：在XOY平面內的軸向、剪切和純彎.本文利用XOY平面內的非線性連接單元中純彎曲彈簧，精確地模擬了梁-柱半剛性連接節點.

圖1 連接單元的彈簧

圖2 滯回特性

SAP2000軟件中有十種不同類型的連接單元，分別是Linear、Multilinear Elastic、Multilinear Plastic、Damper、Gap、Hook、Plastic(Wen)、Rubber Isolator、Friction Isolator和T/C Friction Isolator，分別用于模擬不同類型構件的線性與非線性行為，可以解決實際中的多種工況.其中多線段塑性連接單元采用六個獨立的非線性彈簧.在對連接單元的六個自由度的承載力參數進行定義時，有固定和非線性兩種.本文采用SAP2000中多線段塑性連接單元(Multilinear Plastic)和(Takeda)滯回規則對半剛性鋼管混凝土節點進行簡化模擬.其中彎矩(M)-轉角(θ)關系用圖2所示的滯回(Takeda)模型模擬.

1.2 建立有限元模型

本文以試驗[6]為基礎，采用簡化的方式，簡化了非線性有限元模型.在模擬中，用桿單元來模擬梁、柱構件等，模型中的約束與邊界條件與試驗中的約束與邊界條件相一致.模型建立中，使用位移控制加載方式.設定分析控制為位移控制[7].

由于SAP2000是工程類應用設計軟件， SAP2000最大的優勢在于計算方便快捷，特別適合結構體系的計算，模型[6]相關尺寸及詳細構造見表1與圖3.

表1 模型尺寸一覽表

圖3 模型具體尺寸

根據以上條件及尺寸，建立有限元模型.

2 試驗與有限元模型結果對比

模型1

模型2

模型1

模型2

兩個模型與試驗試件的滯回曲線及骨架曲線見圖4、圖5，從圖中可以得到，二者滯回曲線均成“梭形”，曲線形狀飽滿的，具有較好的耗能性能[7].同時滯回曲線沒有明顯的捏縮，則表明構件具有良好的延性，構件出現殘余變形，卸載后不能回到原來的位置.

3 結論

本文利用SAP2000程序，建立了半剛性鋼管混凝土組合節點理論分析模型，采用轉動彈簧單元來模擬實際中鋼管柱與組合梁的半剛性連接.由于試驗中和模擬中的加載方式略有不同，以及對鋼管混凝土柱中混凝土和鋼管的協同作用定義并不完善，不能考慮兩種材料之間的粘結與相互滑移，只能簡單定義兩種材料的幾何疊加，所建模型在精確度上有不足.所以圖5、圖6的曲線有所差異，但是兩個曲線走勢基本相同，差異性在合理范圍內，整體吻合度較好，可以起到模擬半剛性鋼管混凝土組合節點的作用.同時也證明了用該單元來模擬半剛性混凝土組合節點的正確性.為用此模擬方式模擬半剛性鋼管混凝土組合框架奠定了基礎.

[1] 韓林海, 楊有福. 現代鋼管混凝土結構技術[M]．北京：中國建筑工業出版社，2004.

[2] 李國強, 石文龍, 王靜峰. 半剛性連接鋼框架設計[M]. 北京:中國建筑工業出版社, 2009.

[3] Loh H Y, Uy B, Bradford M A. The effects of partial shear connection in composite flush end plate joints: Part I-experimental study[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006,62: 378-390.

[4] Loh H Y, Uy B, Bradford M A. The effects of partial shear connection in composite flush end plate joints: Part Ⅱ- Analytical study and design appraise[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006,62: 391-412.

[4]北京金土木軟件技術有限公司,中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南[M ]. 北京:人民交通出版社, 2006.

[5] Wen R, Akbas B, Shen J. Practical moment-rotation relations of steel shear tab connections[J]. Journal of Constructional Steel Research,2013,88 :296-308.

[6] 姜濤. 半剛性鋼管混凝土組合框架節點的抗震性能及設計方法[D]. 合肥：合肥工業大學碩士學位論文，2012.

[7] ATC-24 Guidelines for cyclic seismic testing of components of steel structures[S]. Redwood City: Applied Technology Council, 1992.

(責任編校：晴川)

Finite Element Analysis of Semi-rigid Concrete Composite Joint

QI Meng1,2, WANG Donghua2

(1. Department of Accounting,Anhui Vocational College of Business, Hefei Anhui 230001,China；2. Department of Civil Engineering,Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

The study uses the finite element analysis software of SAP2000 to simulate the semi-rigid character of composite joints and establishes the finite element model of semi-rigid concrete-filled steel tubular. It simulates the load (P) - displacement (Δ) lag relationship of semi-rigid concrete-filled steel tubular joint under low cycle repeated load, and verifies the correctness of the model through the experiment results, which provides the basis for the simulation of composite frame of semi-rigid concrete-filled steel tubular.

semi-rigid; composite joint; finite element analysis; hysteretic curve

2015-09-06

2013安徽省級質量工程項目(批準號：2013tszy091).

亓萌(1983— )，男，安徽臨泉人，安徽工商職業學院會計系助教，碩士.研究方向：工程造價.

TU377

A

1008-4681(2015)05-0026-03