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    型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析.pdf

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    型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析.pdf

    第40卷第1期 2014年2月 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 9 型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析 于江,张新明 新疆大学建筑工程学院,新疆乌鲁木齐830047 摘要节点是结构传递内力的关键环节。本文利用PKPM软件对某高校综合实验楼整体结构进行设计分析,得 到桁架部分各个杆件的内力,再运用ANSYS有限元分析软件建立节点有限元模型,将得到的内力施加在节点的实 体模型上,分析了节点中混凝土与型钢的应力分布情况和破坏机理以及型钢腹板厚度、混凝土强度等影响参数改 变对节点抗剪承载力的影响。 关键词桁架节点;有限元分析;应力分布;影响参数 中图分类号TU392.1 文献标志码A 文章编号1008193320140100904 Finite element analysis of truss joints of steel reinforced concrete with steel YU Jiang,ZHANG Xinming College of Civil Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830047,China AbstractJoint is the key part connecting beams with columns,and the internal force transfer from beam to column through joint.The software PKPM is applied to make statics analysis.The internal force of each component is distilled and brought to the hypostatic model of truss joint in order to make finite element analysis,the stress distribution of conerete and steel of the joints have been analyzed.The influence of steel web thickness,conerete strength of the joint has been researched. Key wordstruss joints;finite element analysis;stress distribution;influence parameter 0前言 国内外对型钢混凝土组合节点进行了不少研 究,但仍有很多问题没有解决。以往所做的试验大 多针对少数的实际工程来解决问题,没有代表性。 因此,对于复杂节点,采用有限元方法,就能够分析 各种影响参数变化时对节点受力性能的影响。 本文研究的对象是某高校的科技综合楼,总建 筑面积为5万平方米,建筑总高度48.5 m,采用框 架一剪力墙结构 J。由于在综合楼一层局部部位有 个会议室需要采用大空间,为了满足建筑功能的使 用要求,需要将一层的柱子去除,设置桁架转换结 构,将柱距7.8 m转换为15.6 m,如图1所示。 1 单元类型和材料模型 1.1 单元类型 本文中桁架节点是由型钢和混凝土两种材料组 成,型钢采用壳体SHELL181单元进行模拟。混凝 收稿日期2012-07-20 作者简介于江1960一,男,河南西峡人,教授,研究方向为结构 工程。 基金项目新疆维吾尔自治区教育厅重点项目XJEDU2008107 通讯作者张新明1986一,男,硕士研究生,研究方向为结构工程。 Emailzxinm1986126.com 图1桁架转换结构 Fig.1 Transfer trusses 土则采用实体单元Solid65单元模拟,并且混凝土采 用钢筋弥散组成的整体式模型,即在混凝土单元的 不同方向分别设定参数,使用参数来输人钢筋在混 凝土单元中的位置、角度及配筋率等。 1.2材料模型 本文将型钢及钢筋视为弹塑性材料,不考虑其 刚度退化和Bauschinger效应,采用双线性等向强化 模型BISO输入,将材料屈服后的切线模量设置为 0,成理想弹塑性材料,其模型如图2所示。 混凝土单元采用弹塑性本构模型多线性等向 强化模型来模拟混凝土。该本构模型分为上升段 和下降段两个部分,二者在峰点处连续,如图3所 示。数学表达式分别为 当 ≤1时 于江,等型钢混凝土与钢组合桁架节点的有限元分析 与混凝土单元对应节点的3个平动自由度,以保证 两种单元协同受力。 3节点的计算分析 按照上述的建模和荷载施加过程进行有限元分 析,主要考察节点在极限荷载下的内力分布和破坏 机理,以及对影响节点承载能力的参数进行分 析 ,如图8、9所示。 NoDAL S0LUTIoN S丁Ep-l SUB46 TIME;49 826 SEQVAVG DMX00o298 SMN0 15Oe D7 SMXo 225B09 0 l50B07 0 533E十08 0 105E 0 l57E09 0 209E09 0 274E08 0 793E08 0 l3IEo9 0 183E09 0 235E09 图8型钢Von Mises应力云图 Fig.8 Von-Mises stress of steel NonAL S0LUTl0N SUB--46 TIME--49 826 SEQVAVG DMX 0o2949 SMN99903 SMXo 252E08 99903 0 569E07 0 l】3Eo8 0 169Eo8 0 224E08 0 289E07 0 848E07 0 l4lE08 0.197Eo8 0 252B08 图9混凝土Von Mises应力云图 Fig.9 Von-Mises stress of concrete 在对中节点施加荷载的过程中,首先在型钢斜 腹杆的翼缘处会出现应力集中现象,型钢其他部位 的应力数值都很小。混凝土单元在施加约束的部位 会产生局部的应力集中,但是数值很小,可以忽略不 计。 随着荷载的进一步施加,型钢斜腹杆的翼缘处 应力数值有所增加,但是当中节点破坏时型钢斜腹 杆尚未屈服。型钢斜腹杆的腹板处应力数值也有较 大的变化,并且沿着中节点受力45。的方向进行延 伸,符合节点应力增长的趋势。中节点混凝土部分 的应力依旧是在施加约束的部位和施加荷载的部位 增长较快,节点的应力分布和型钢一致,都是沿着 45。的方向进行延伸,节点核心区域应力较其他区域 都大。节点在极限荷载作用下时,型钢应力分布的 区域大致没有发生变化,但是数值有所增加。节点 在极限荷载作用下会发生剪切破坏。在分析的过程 中,除了能够得到中节点在极限荷载作用下的应力 分布之外,还能得到中节点的极限承载力,如图10 所示,即为中节点的荷载一位移曲线。 当荷载在2400 kN以内时,节点处于弹性工作 状态,当加载到2450 kN以上时,节点的荷载一位移 曲线斜率有较小的改变,有部分区域首先进入塑性, 内力发生重分配,但整个节点仍可继续承受荷载,当 图10中节点的荷载一位移曲线 Fig.10 The loading-displacement curve of the joint 荷载达到2900 kN以上时,节点有明显的塑性变形, 曲线的斜率越来越小,在达到3500 kN左右时节点 已达到其极限荷载。实际上,在静力荷载下节点的 荷载设计值为2825 kN,这时,节点核心区域应力较 大,并进入了塑性,内力进行了重分布,当荷载继续 增大时,塑性区域才不断向四周扩散,使节点出现显 著的塑性变形,节点才会受剪破坏,所以,在设计荷 载作用下该节点不会破坏,满足承载能力的要 求 。 4影响参数分析 分析了中节点的受力性能后,需要对影响节点 受力性能的参数进行分析,主要是研究当型钢节点 的型钢腹板厚度和混凝土的强度等级发生变化时, 节点的极限承载力会如何变化。 4.1型钢腹板 型钢腹板厚度由20 mm增加到28 mm、30 mm 和32 mm时,分别对节点进行编号SRC.1、SRC-2、 SRC-3、SRC-4。研究当型钢腹板的厚度发生改变时 对节点承载能力的影响,见表1。 表1分析结果 Table 1 Results of analysis 如图l1所示,为型钢腹板厚度不同时节点的荷 4000 3000 Z 娄2oo0 1000 O 0 5 l0 15 20 位移/mm 图11腹板厚度改变时荷载一位移曲线 Fig.1 1 The loading-displacement curve when the web thickness change 12 四川建筑科学研究 第40卷 载位移曲线。从图l1中可以清楚地看到,当腹板的 厚度不断地增加时,节点的极限荷载值也随之增加, 特别是当腹板的厚度由20 mm增加到28 mm时,节 点的承载能力增加极为的明显,这也就证实了腹板 是影响节点承载能力的最主要参数之一。 作者列举出不同腹板厚度节点的极限荷载,然 后将它们带人型钢混凝土组合结构技术规程中 关于型钢节点剪力设计值 计算公式 vj1.05 1一 / -/c一凡b 结果见表1,由表1可以看到,节点均是受剪破 坏。节点抗剪承载力与腹板厚度基本呈线性关系增 加,这与已有的试验资料基本吻合。 4.2混凝土强度等级 对于型钢混凝土节点而言,混凝土强度等级对 节点的承载能力有很大的影响。作者通过改变混凝 土强度等级来研究其对节点承载能力的影响。得到 节点的荷载一位移曲线,如图12所示。 4000 3000 Z 2000 1000 0 0 2 4 6 8 位移/mm 图12 混凝土等级改变时荷载一位移曲线 Fig.12 The loadingdisplacement curve when the concrete grade change 得到不同混凝土等级时节点的极限荷载,带人 上述公式求解节点剪力设计值,见表2。 表2分析结果 Table 2 Results of analysis 模型号 极限荷载 V/kN e/bjh/o 破坏模式 SRC-5 2285 402.5 0.31 节点剪切破坏 SRC-6 2995 498 0.349 节点剪切破坏 SRC-7 3725 632 0.413 节点剪切破坏 SRC-8 3932 732 0.435 节点剪切破坏 5 结 论 型钢混凝土桁架节点的构造复杂、形式多样,混 凝土与型钢处于协同受力状态,考虑非线性条件下 内力分布和传递不明确,试验难度大,难以把握节点 在不同荷载形式下的应力应变规律。有限元分析方 法能够对不同的构造形式和型钢样式进行模拟分 析,通过非线性分析得出节点内部型钢和混凝土更 加接近实际状态的应力分布,为节点内部应力传递 机制的研究提供了有效的分析手段和直观的分析结 果。针对确定的节点形式,可通过调整模型的各项 参数如材料强度、板材厚度等以考虑相应的影 响,为有针对性的进行节点设计和优化提供科学依 据。文中的背景工程项目正是应用了该模拟分析方 法来完成结构的设计和优化过程,目前项目已经建 成并投入使用。 参考文献 [1]赵鸿铁.钢与混凝土组合结构[M].北京科学出版社,2001. [2] 张新明,于江.某综合楼转换构件设计方案的选择[J].低温 建筑技术,2011,9541-42. [3]袁政强,向皓,李保明,等.型钢混凝土桁架节点的非线性数 值模拟[J].重庆大学学报,2010941-43. [4]李保明,周宏文,王尧燕,等.型钢混凝土桁架节点有限元分析 [J].后勤工程学院学报,2009563-65. [5] 张权斌.SRC柱一Rc梁组合节点的受剪承载力及其ANSYS有 限元分析[D].西安西安建筑科技大学,2009. [6] 赵红梅.钢梁一钢骨混凝土柱节点的非线性有限元分析[D]. 北京北京工、I 大学,2001.

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