平齐端板连接方中空夹层钢管混凝土柱钢梁节点承载性能有限元分析

黄春晓, 潘福婷, 王 颖, 赵 莉

(安徽新华学院 a. 建筑结构安徽省普通高校重点实验室, b. 城市建设学院, 安徽 合肥 230088)

中空夹层钢管混凝土(concrete-filled double skin steel tubes structure,简称CFDST)是将不同直径的2个钢管同心安置,并在两层钢管之间浇筑混凝土而成[1]。该新型结构形式除了具有普通钢管混凝土结构的优点,还有承载力高、自重轻、抗弯刚度大、抗火性能好等优势[2]。在钢-混凝土组合结构研究领域中,梁柱连接节点即是结构重要受力部分,也是实际施工的难点,因而针对节点的受力分析具有重要意义。

目前已有学者对中空夹层钢管混凝土柱-钢梁连接节点的受力性能进行了研究,组合节点组成如图1所示。孙涛[3]进行了梁半穿心节点形式的圆套圆截面组合节点的静力性能试验研究,得出空心率及轴压比对该类节点承载力的显著影响。闫熙[4]对圆套圆截面梁半穿心连接节点的滞回性能进行试验研究,得出了柱空心率和轴压比对节点应力-应变骨架曲线和弯矩-转角曲线的影响。师璁[5]对圆套圆截面的K形节点进行了静力性能试验和有限元模拟,选用腹弦杆外径比、弦杆轴压比和弦杆空心率为变化参数。聂莉炜[6]对双圆截面组合半穿心式焊接节点进行了数值模拟分析并作参数分析。Hou等[7]以腹弦杆管径比和侧向载荷角度等为参数,对轴向载荷作用下的中空夹层钢管混凝土K型节点进行了试验研究。然而,该类组合节点的受力性能研究尚处于缺乏阶段。

图1 组合节点组成Fig.1 Schematic diagram of combined joint

本文采用ABAQUS有限元软件,建立单调载荷作用下的平齐端板连接的方套方截面组合节点有限元模型,利用已有试验结果验证模型的准确性。在此基础上,选取对节点承载性能影响较大的参数进行对比分析。

1 有限元模型建立

1.1 模型参数

本文设计的有限元典型模型,组合柱外钢管规格为□400×400×16,内钢管规格为□240×240×16,柱高3 600 mm,内填C50混凝土。钢梁规格为H450×200×9×14,梁长3 384 mm,节点梁的跨度为7 200 mm。平齐端板尺寸为500×250×16,外伸端板尺寸为650×250×16。螺栓采用10.9级高强度单边螺栓M20。除高强螺栓之外的其他钢材均采用Q345B级钢。钢梁与端板、钢梁腹板与上下翼缘之间采用焊接连接,柱翼缘与端板之间采用螺栓连接,选用钢材强度、端板厚度、组合柱内钢管尺寸等作为变化参数。

1.2 材料本构关系

模型中各构件均采用实体单元。所用钢材采用Q345B级钢,低碳钢的应力(σ)-应变(ε)关系曲线采用二次塑流模型[8-9]进行模拟。制作高强度螺栓的钢材采用双线性强化模型,仅有弹性阶段和强化阶段。核心混凝土的横向变形会受到内外钢管的约束,采用文献[10]提出的混凝土材性关系模型。

1.3 相互作用和网格划分

内外钢管与核心混凝土、外钢管与端板、端板与钢梁之间的接触形式均设定为面面接触,界面的法线方向采用“硬接触”,切线方向采用库伦摩擦(内外钢管与核心混凝土之间摩擦因数取0.45;外钢管与端板、端板与钢梁之间摩擦因数取0.8)。采用焊接连接的构件之间设置为“绑定”连接。各组件的网格划分均采用8节点线性减缩积分六面体单元(C3D8R),在节点处采用小尺寸控制的网格加密,其他部位采用大尺寸网格。

1.4 边界条件和加载制度

将组合柱的柱底以及梁端截面分别耦合在参考点上约束参考点的自由度。柱脚按铰接模拟,即Ux=Uy=Uz=0;左右钢梁两端施加X和Z向的位移约束,即Ux=Uz=0。在柱端设置柱端截面耦合点作为位移加载点。加载时设置3个分析步:先对单边螺栓施加预紧力;第2步在柱顶耦合点施加轴向力;最后在柱顶耦合点采用全位移控制加载。模型边界条件及加载方式如图2所示。

图2 模型边界条件及加载方式(单位: mm)Fig.2 Model boundary conditions and loading patterns(Unit: mm)

2 有限元模型验证

对文献[11]中的4个单边螺栓-平齐端板连接的钢管混凝土柱-钢梁节点试件采用本文中的方法建立有限元模型进行数值分析。外钢管选用□200×200×8,柱高1 400 mm,钢梁选用H300×150×6.5×9,梁长1 300 mm,钢材的特性见表1。核心混凝土的弹性模量E=2 620 MPa,抗压强度fc=34 258 MPa,采用8.8级M16的Hollo-bolt螺栓。将试验结果和模拟结果进行对比,见图3和图4。

表1 钢材特性Table 1 Steel properties

(a) CJM1试验破坏(b) CJM1模拟破坏(c) CJM2试验破坏(d) CJM2模拟破坏

由图3和图4可知,试验结果和模拟结果存在一定偏差,但总体吻合较好。验证了所建模型的准确性。

3 典型节点受力性能分析

3.1 典型节点介绍

本文建立的平齐端板连接的方中空夹层钢管混凝土柱-钢梁典型节点基本条件为:组合柱外钢管采用□400×400×16,内钢管采用□240×240×16,含钢率为0.32;钢材屈服强度为345 MPa;核心混凝土强度为50 MPa,柱高为3 600 mm,柱轴压比为0.4,长细比为30.72,空心率为0.65。钢梁选用H450×200×9×14,梁长3 384 mm,节点梁的跨度7 200 mm。端板尺寸为500×250×16。螺栓选用10.9级高强单边螺栓M20。

3.2 受力性能分析

在不同受力阶段,不同典型位置节点的应力状态不同。图5为平齐端板连接的方中空夹层钢管混凝土柱-钢梁节点的弯矩(M)-转角(θr)关系曲线。

图5 典型节点M-θr曲线Fig.5 Typical M-θr curve of joint

选取如图5所示的4个特征点进行应力分析:点①表示端板达到屈服状态,受拉螺栓孔周围出现最大应力,此时其他部件尚未屈服,混凝土的应力达到29.86 MPa;点②时内钢管柱屈服,受拉螺栓周围端板屈服,随着载荷不断增大,端板屈服面积不断增大,但仍集中在受拉区域,此时,混凝土的应力达到37.11 MPa;载荷增大到点③时,受拉螺栓达到屈服状态,核心混凝土的应力集中在钢梁受压翼缘附近,最大应力为46.36 MPa;点④处内钢管的屈服面积增大,平齐端板的应力集中在受压螺栓孔周围,混凝土的最大应力达到50.30 MPa,受拉螺栓的应力也达到最大值。

4 参数分析

为了继续深入研究节点的受力性能,选取对节点承载力影响较大的6个参数进行数值模拟,分析其对节点抗弯承载力的影响,见图6,加载方式采用平面内柱端加载。

4.1 钢梁屈服强度

从图6(a)中可以看出,随着钢梁屈服强度fy,b的提高,节点弯矩承载力不断增大,然而弹性阶段初始刚度变化不大。钢梁钢材屈服强度为345、420和550 MPa的节点抗弯承载力比235 MPa的钢梁分别提高了7.5%、12.5%和15%。

(a) 钢梁屈服强度(b) 钢柱屈服强度(c) 组合柱空心率(d) 螺栓直径(e) 螺栓预拉力(f) 端板厚度

4.2 钢柱屈服强度

从图6(b)中可以看出,随着钢柱屈服强度fy,c的提高,节点弯矩承载力不断增大,然而弹性阶段初始刚度变化不大。钢梁钢材屈服强度为345、420和550 MPa的节点抗弯承载力比235 MPa的钢梁分别提高了5.1%、7.7%和10.3%。

4.3 组合柱空心率

从图6(c)中可以看出,随着组合柱空心率χ的提高,节点在弹性阶段的承载力和初始刚度都有明显减小,而塑性节点承载力相差不大。组合柱空心率为0.65和0.76的节点弹性阶段承载力比0.49的钢梁截面分别降低了5.0%、7.5%,弹性初始刚度则分别降低14.3%和28.6%。

4.4 螺栓直径

从图6(d)中可以看出,随着螺栓直径db的增大,节点弯矩承载力不断增大。螺栓直径为20和28 mm的节点抗弯承载力比螺栓直径为16 mm的分别提高了9.2%和18.4%,弹性初始刚度分别提高6.7%和13.3%。

4.5 螺栓预拉力

从图6(e)中可以看出,随着螺栓预拉力P的增大,节点弯矩承载力不断增大,弹性刚度影响并不明显,主要原因在于受力前期螺栓预拉力未被克服,栓杆未伸长。螺栓预拉力分别为0.75P0、P0和1.25P0(其中P0为《钢结构设计规范》GB 50017—2017[12]规定的10.9级M20螺栓预拉力,P0=155 kN)的节点抗弯承载力比0.25P0的螺栓预拉力分别提高了26.1%、69.6%和108.7%。

4.6 端板厚度

从图6(f)中可以看出,随着端板厚度tep的增大,节点弯矩承载力和弹性刚度不断增大。端板厚度为16和28 mm的节点抗弯承载力比8 mm的分别提高了95%和145%,弹性初始刚度分别提高了66.7%和113%。

5 结 论

本文利用ABAQUS有限元软件,建立了平齐端板连接的方中空夹层钢管混凝土柱-钢梁半刚性节点的数值模型,得到以下结论:

1) 提出单调载荷作用下钢材和核心混凝土的材料本构关系,划分了合理的网格单元,模拟了理想的边界条件和位移加载方式,建立了组合节点的数值模型。

2) 利用静力试验结果对有限元模拟结果进行了验证,对比结果表明,所建数值模型准确性较好,可以用于该类组合节点的理论分析。

3) 对单调载荷作用下的典型节点进行了非线性全过程分析,依次描述了各组件在屈服顺序下的受力机理和变形特征。

4) 进行了组合节点在不同参数影响下的静力性能分析,其中对节点弯矩承载力影响较大的参数有钢梁钢材屈服强度fy,b、钢柱钢材屈服强度fy,c、柱空心率χ、螺栓直径db、螺栓预拉力P、端板厚度tep;对初始刚度影响较大的参数有柱空心率χ、螺栓直径db、端板厚度tep。