鋼管混凝土核心柱節(jié)點(diǎn)有限元模擬

胡鵬飛 羅輝輝

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127； 2.揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

近年來(lái)，隨著對(duì)既有房屋增層改造的興起，不少學(xué)者[1-4]提出一系列新型框架結(jié)構(gòu)，其中框架梁和框架柱多數(shù)采用型鋼和鋼筋混凝土材料的一種或兩種結(jié)合制作而成，并取得一定研究成果[5,6]。但節(jié)點(diǎn)作為連接梁柱的關(guān)鍵部位，是結(jié)構(gòu)安全工作的前提，目前仍未得到充分研究，尤其是鋼管混凝土核心柱節(jié)點(diǎn)。

采取試驗(yàn)方法研究參數(shù)對(duì)鋼管混凝土核心柱節(jié)點(diǎn)的影響，必然存在若研究參數(shù)多，對(duì)應(yīng)的價(jià)格會(huì)提高問(wèn)題，因此很多學(xué)者采用非線性軟件作為另一種研究方法[7]，本文在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立鋼管混凝土核心柱節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型進(jìn)行模擬分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

1 有限元模型的建立

1.1 材料本構(gòu)

節(jié)點(diǎn)柱截面以混凝土受到約束作用的不同為根據(jù)分為保護(hù)層混凝土、鋼管內(nèi)混凝土和兩者間混凝土；同樣節(jié)點(diǎn)梁截面混凝土分為保護(hù)層混凝土和箍筋約束區(qū)混凝土，如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)梁內(nèi)箍筋約束區(qū)混凝土、節(jié)點(diǎn)柱內(nèi)鋼管外部箍筋約束區(qū)混凝土及梁柱保護(hù)層混凝土的受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用Mander[8]模型；節(jié)點(diǎn)柱內(nèi)鋼管內(nèi)混凝土的受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用韓林海[9]提出的適用于ABAQUS的本構(gòu)模型；混凝土的受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用過(guò)鎮(zhèn)海[10]提出的雙參數(shù)模型，工字鋼、鋼管、縱筋和箍筋均采用理想彈塑性本構(gòu)模型[11-14]。

1.2 數(shù)值模型的建立

本文采用實(shí)體單元C3D8R來(lái)模擬混凝土；桁架單元T3D2模擬縱筋和箍筋；鋼梁及鋼管采用殼單元S4R來(lái)模擬。為了防止加載位置及約束位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，在各部位設(shè)置的墊板也采用殼單元S4R來(lái)模擬。

本文按照試驗(yàn)尺寸將數(shù)值模型分為混凝土節(jié)點(diǎn)、鋼筋骨架和型鋼骨架三部分，并且由于文獻(xiàn)[15]指出建立數(shù)值模型可以不考慮鋼管與混凝土之間的粘結(jié)滑移，所以通過(guò)嵌入技術(shù)將三部分形成整體分析。節(jié)點(diǎn)有限元模型劃分如圖2所示。

1.3 邊界條件和荷載施加

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本文采用柱端加載的方法對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行模擬加載，約束柱底和梁端在平面內(nèi)2個(gè)方向的平動(dòng)。為了防止應(yīng)力集中導(dǎo)致計(jì)算不收斂，將柱頂軸壓力簡(jiǎn)化為面荷載施加在柱頂，同時(shí)在邊界條件和荷載施加處設(shè)置剛度無(wú)限大墊板。通過(guò)位移控制的方法，在柱頂側(cè)向墊塊的中心施加相應(yīng)的水平位移。最終模型的荷載、邊界條件如圖3所示。

2 結(jié)果分析

由于數(shù)值模型施加往復(fù)荷載不易收斂，且獲得的滯回效果極不理想，所以本文僅對(duì)數(shù)值模型采取單調(diào)加載。

2.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試件按平面設(shè)計(jì)，不考慮平面外的影響，柱下端及梁端采用鉸接連接，模擬柱身反彎點(diǎn)，鋼管混凝土核心柱節(jié)點(diǎn)試件配筋圖如圖4所示。

實(shí)測(cè)鋼管、工字鋼、內(nèi)環(huán)板屈服強(qiáng)度分別為255 MPa,288.1 MPa和291.2 MPa，實(shí)測(cè)鋼筋直徑8,12,25的屈服強(qiáng)度分別為388.4 MPa,402.3 MPa,445.3 MPa。實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為46.1 MPa。

2.2 結(jié)果對(duì)比

荷載—位移曲線與試驗(yàn)所得到的滯回曲線對(duì)比結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出兩者的初始剛度和最大承載力基本吻合，表明本文所建立的數(shù)值模型的正確性。

2.3 破壞形態(tài)對(duì)比

由于本文僅對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行單調(diào)加載模擬分析，所以該模型的破壞形態(tài)僅存在一個(gè)方向加載到最大水平位移時(shí)的破壞形態(tài)。圖6給出了混凝土部件在極限荷載時(shí)沿水平方向(X方向)的應(yīng)變E11分布，從圖6中可以看出，在單調(diào)加載的情況下，梁端混凝土分別出現(xiàn)受拉和受壓區(qū)，核心區(qū)混凝土沿對(duì)角線方向出現(xiàn)拉應(yīng)變，其結(jié)果與試驗(yàn)最終的破壞形態(tài)如圖6所示的梁端混凝土壓碎剝落，核心區(qū)混凝土沿對(duì)角線發(fā)生剪切破壞的結(jié)果是一致的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)一個(gè)鋼管混凝土核心柱節(jié)點(diǎn)試件建立數(shù)值模型研究分析，得到如下結(jié)論：

1)二次縮減實(shí)體單元能減少單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)，提高計(jì)算效率。

2)對(duì)梁柱截面混凝土劃分不同區(qū)域并選用合理的本構(gòu)關(guān)系，可以最大程度模擬試驗(yàn)條件，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。

3)有限元模擬所得出的荷載位移曲線與試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者的初始剛度和最大承載力基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性。

4)有限元模擬節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明本文所建立的模型具有一定的可靠性。

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