钢管混凝土柱-钢梁半刚性节点的有限元分析

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发布时间：2021-09-12

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钢凝土柱一钢梁半刚性节点的有元分查匠
Finite Elem ent Anolysis of GFSST Colum ns and Steel Beams Sem i-Rigid Connections
完海鹰，陈金林 (合肥工业大学土木工程学院，安徽合肥230009)
摘要：选择合适的材料本构关系和破坏准则，采用有限元软件ANSYS建立了钢管混凝土双腹板顶底角钢节点的空间有限元模型，分析了其在
低周反复荷载下的受力性能。结果表明：有限元分析结果和计算结果较为吻合，节点表现出较好的延性和耗能能力。
关键词：钢管混凝土；半刚性节点；有限元分析
中图分类号：TU392．3 文献标识码：A 文章编号：1007—7359(2011)O2一O137一O2
0 前言
方钢管混凝土结构由于其承载能力
高、抗震性能好等优点，正日益得到越来
越广泛的应用。国内外学者对不同连接
节点进行了大量的理论与试验研究，其
中半刚性节点与刚性节点相比具有施『[
方便的优点，开始逐渐成为一个新的研
究方向。宗周红等的试验研究发现半刚
性节点具有较好的受力性能和延性，但
该研究是建立在为数不多的缩尺模型试
验基础上，尚缺乏精确的有限元数值模
拟，特别是节点在循环加载下的数值模
拟，以及提出简化的节点设计计算理论
与方法等方面还有待进一步完善。
本文在方钢管混凝土柱一钢梁双腹
板、顶底角钢半刚性连接节点粱端作用
低周反复荷载的拟静力试验研究的基础
上，采用大型有限元软件ANSYS．选择
合适的本构关系，对钢管混凝土柱一钢
梁半刚性连接节点进行非线性有限元分
析，模拟在低周反复荷载作用下双腹板、
顶底角钢节点的受力性能。
1 有限元分析模型
本文研究的钢管混凝土双腹板顶底
角钢半刚性节点及具体截面尺寸如图
1。
1．1钢材的本构关系
在有限元分析中，假定钢材为各向
同性材料，采用双线性随动强化(BKIN)
模型，该模型适用于服从Von Mises屈服
准则，进入塑性强化阶段切线模量取为
初始弹性模量0．O1倍。其中屈服强度
fy=345N／mm ，极限强度f．=375N／mm ，泊
松比0．283，弹性模量E=2．06 ×
收稿日期：201卜03—14
圈l 20Q J 鞫～：一
E—E
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图1 双腹板顶底角钢节点模型及节点详图
(a)全图 (b)节点区域详图
图2 双腹板顶底角钢节点的有限元模型
10 N／ram 。
1．2模型的简化
钢管内的混凝土和钢管壁受荷下的粘结关系，到目前为止，大多数研究者在分析
钢管混凝土结构时都采用完全粘结这一假定，少数研究者在钢单元和混凝土单元之
间加入滑移单元或间隙单元。结果表明，考虑界面之间的粘结滑移性能对钢管混凝土
结构的整体性能的影响微不足遭。本文采用“粘”(Glue)命令将管内混凝土与管壁粘接
在一起，对于钢管内的混凝土和钢管壁受荷下的粘结关系仍然采用完全粘结的假定。
1．3模型的建立和求解
钢梁和钢管采用块体Soild 45单元模拟，混凝土采用solid65单元，连接螺栓采用
Solid45单元模拟，采用PREST97单元沿预紧区施加螺栓预拉力。本文选用
CONTA174单元作为接触单元、TARGE170作为目标单元来定义钢管壁与混凝土、角
钢与梁、柱翼缘等的接触，摩擦系数为0．3。模拟时不考虑钢板的几何缺陷和焊接残余
应力。
有限元模型的边界条件和加载方式尽量和实验相一致。双腹板顶底角钢节点的
有限元模型见图2。求解时，首先在柱顶施加轴压荷载，然后在梁端施加单调荷载或循
环荷载。求解时采用力、位移双收敛准则，应用全Newton—R．dphSoll法平衡迭代法进
行非线性求解，求解器选用预置条件共轭梯度求解器，打开自动时间步长控制及线性
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