方钢管混凝土柱—钢梁隔板贯通节点性能.

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带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点受力性能的非线性有限元分析

带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点受力性能的非线性有限元分析

带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点受力性能的非线性有限元分析周天华1,郭彦利1,卢林枫1,何保康2, (1.长安大学,陕西西安710061; 2. 西安建筑科技大学,陕西西安710055;)Email: zhouth163@摘要:本文利用三维实体单元,对“带内隔板方钢管混凝土柱-钢梁节点”建立了同时考虑几何非线性、高强螺栓连接的面—面接触非线性、各种材料非线性等因素的有限元理论分析模型,模拟分析了单调加载和低周反复加载时节点的受力性能,较为精确地分析了节点区应力分布和混凝土开裂情况,以弥补试验中无法直观地了解各细部受力情况和改变各种参数进行对比的缺陷;考察了轴压比大小、混凝土强度等因素对节点受力性能的影响,根据理论与试验结果分析,提出了设计和改进建议。

关键词: 方钢管混凝土柱;梁柱节点;受力性能;非线性有限元1 前言方钢管混凝土柱-工形钢梁框架结构以其诸多优点在国内已开始推广应用,带内隔板的矩形钢管混凝土柱与钢梁连接的节点构造已被我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》 [1]列为推荐形式,针对这种构造形式的节点:1999~2002年同济大学做了方钢管混凝土柱与钢梁全焊接连接的模型试验和理论研究,包括模拟柱与梁的受拉翼缘连接的十字形单调拉伸试验、柱与梁连接的组合体试件的低周反复加载试验[2,3];2001~2004年本项目以杭萧钢构股份有限公司的国家重点技术创新项目—“高层建筑钢—混凝土组合结构产业化”及杭州瑞丰国际商务大厦试点工程为背景,在国内首次进行了6个带内隔板的梁柱节点的足尺模型的拟静力试验和理论研究[4,5]。

本文利用ANSYS通用程序,建立同时考虑大变形的几何非线性、高强螺栓连接的面—面接触非线性、材料非线性等三重非线性因素的有限元理论分析模型,通过合理的单元选取和网格划分,结合试验研究[4]对梁柱对接焊接、栓焊连接两类节点模拟分析单调加载和低周反复荷载作用下的受力性能,以期达到如下目的:(1)较为精确地分析节点区应力分布,弥补试验中无法直观地了解各细部受力情况和改变各种参数进行对比的缺陷,(2)考察轴压比大小、混凝土强度等级变化等因素对节点单调加载及滞回性能的影响,(3)提出节点设计初步建议。

钢管混凝土柱_钢筋混凝土梁连接节点抗震性能的机理分析_曲慧

钢管混凝土柱_钢筋混凝土梁连接节点抗震性能的机理分析_曲慧
水平荷载 P/kN P (kN)
0
25
50
(c) S-3a (n=0.6)
40
水平荷载 P/kN P (kN)
(d) S-3b (n=0.6)
40 20 0
试验 单调 ABAQUS
能,图 3 给出了曲慧(2007)[9]试验的 8 个节点试件 试验曲线与本文计算滞回曲线、骨架线的比较。从 图 3 中可以看出,轴压比 n=0.3、0.6 的计算结果与 试验结果相比,无论是曲线形状、还是刚度和承载 力均吻合较好。 轴压比 n=0.05 的计算结果刚度和承 载力与试验结果吻合较好,但曲线形状相对试验曲 线稍有差异,没有完全体现出钢筋与混凝土之间的
[10] [8] [9] [7] [4] [5] [6] [2] [3]
的有限元分析模型一致,下面仅对模型中的不同之 处进行详细阐述。 1.1 焊接残余应力的简化处理 根据 Uy (1998)[15] 中焊接残余应力的简化模 型,通过*initial condition, type=stress 命令,将焊接 残余应力作为初始应力施加到模型中以模拟方钢 管焊接过程中的残余应力状态。 1.2 往复荷载下的材料特性 往复荷载作用下的钢板及钢筋均采用考虑包 兴格效应的双线性随动强化准则,取强化模量为 。对往复荷载作用下的钢管混凝土柱中的核 0.01Es 心混凝土和钢筋混凝土梁中的普通混凝土,其单调 荷 载 作 用 下的 本 构 模 型分 别 采 用 曲慧 和 王 文 达 (2010)[14]中的相关模型。 采用基于 Lubliner 等(1989)[16]、Lee 和 Fenves (1998)[17]理论提出的 Concrete Plastic Damage 模型 来模拟往复荷载作用下的混凝土,如图 2 所示。从 图 2 中可以看出,模拟往复荷载下混凝土结构,关 键是确定模型中的受拉、受压损伤系数 dt 和 dc、刚 度恢复权系数 w。

方钢管混凝土柱内隔板贯通式节点核心区抗震性能的试验研究

方钢管混凝土柱内隔板贯通式节点核心区抗震性能的试验研究

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2011 年
焊接处薄弱的问题, 外加强环式节点由于加强环的局 , 部屈曲与强度问题 使得节点的承载力得不到可靠的 , 另外, 外加强环式 节点不利于节点部位的建筑处理。 为了克服传统内 隔板式节点的不足, 本文将内隔板外伸后, 缓和的变 并对这种形式的钢管混凝土柱与钢宽度至与梁等宽, 混凝土组合梁 ( 钢梁 ) 连接节点抗震性能进行了试验 研究。 保证, 延性也常常不能充分发展
Experimental study of connections of concretefilled square steel tubular columns with continuous diaphragms
Xu Guigen1 Nie Jianguo2 ( 1. Jiangsu Huning Steel Mechanism Co.,Ltd.,Yixing 214231 ,China; 2. Tsinghua University,Beijing 100084 ,China) Abstract: Concretefilled square steel tubular columns are more and more widely used in buildings. Ten joints specimens were tested under cyclic loads to investigate the seismic behavior of composite connections with continuous diaphragms. Based on the experiments,the failure pattern,hysteresis curve,skeleton curve,rigidity degradation, strength degradation and energy dissipation capacity,etc. ,were studied. The results showed that the energy dissipation capacity,strength and ductility of the connections with continuous diaphragms were sufficient and the hysteretic characteristics stable. Even if the connection fails,it should be in ductile mode. The seismic performance of the connection is adequate to be applied in seismic areas. Keywords: concretefilled square steel tubular column; connections with continuous diaphragms; experimental study; seismic behavior Email: xuguigen@ jshngj. com 凝土虽然约束效果不如圆钢管混凝土显著 , 但是由于 具有节点形式简单、 截面抗弯刚度大、 稳定性能好等 诸多优点, 因此近年来方钢管混凝土结构已经受到人 [2 ] 们的广泛关注, 在实际工程得到越来越多的应用 。 目前, 国内外研究人员对钢管混凝土柱与钢梁及 [35 ] , 钢混凝土组合梁连接节点进行了大量的研究 主 要的连接方式有内隔板式节点和外加强环式节点 , 这 两种连接方式都能够有效地传递节点弯矩和剪力 , 连 同外伸内隔板式节点目前已被我国 CECS 159 —2004 [6 ] 《矩形钢管混凝土结构技术规程 》 列为推荐形式, 但 是在研究中也发现, 内隔板式节点存在梁翼缘与柱壁

钢管混凝土柱与钢梁节点性能研究

钢管混凝土柱与钢梁节点性能研究

钢管混凝土柱与钢梁节点性能研究张燕1,李政2(1.河套学院,内蒙古巴彦淖尔015000;2.杭锦后旗自然资源局,内蒙古鄂尔多斯015400)一、引言随着我国高层、超高层建筑技术的迅速发展,钢管混凝土结构因其承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能较强、经济效果较好而发展迅速[1]。

由于梁柱节点是各种力的交汇之处,节点受力模式较一般构件更为复杂,特别是在地震的作用下,节点的受力更为复杂,而且节点联系着多个构件,故其失效的后果更为严重,因此,节点受力是否合理直接关系到结构的安全可靠性。

本文本着这一目的进行了试验研究。

二、试验概况(一)试验方法本试验采用拟静力试验方法对矩形钢管混凝土柱与钢梁外加强环式节点进行抗震性能研究。

进行结构的拟静力试验,主要目的是,在考虑地震的作用时,确定结构构件的恢复力计算模型,通过试验测得滞回曲线,由滞回曲线所包围的面积求得结构的等效阻尼比,从而可以衡量结构的耗能能力,同时在分析计算中还可得到骨架曲线,由上面的数据可以判断和鉴定结构的抗震性能。

(二)试件设计与制作试验选取框架中的边中柱节点,钢梁和钢管混凝土柱的长度都取到其反弯点处,再按一定的比例缩放,比例取为1∶3。

四个试件的节点都采用外加强环式节点[3],试件参数见表1。

(三)试验装置和加载制度本试验采用拟静力试验方法进行加载。

根据《建筑抗震试验方法规程》[6](JGJ101-96),采用控制位移和控制力的混合加载法。

试验进行时,将竖向荷载逐级加到预定值,之后保持竖向荷载不变,水平荷载采用荷载———位移混合控制的加载制度。

三、试验结果及分析(一)骨架曲线骨架曲线能够反映结构的强度、变形性能,它是取荷载———位移曲线每一加载级第一循环峰值点连成的曲线[3]。

图1所示为SJ1、SJ2、SJ3及SJ4的骨架曲线。

由图可以看出,当荷载达到极限荷载后,我们发现试件仍然有良好的延性和后期变形能力。

(二)耗能性能耗能能力是衡量结构抗震性能的重要指标,常用等效粘滞阻尼系数h e 衡量结构的能量耗散能力[8]。

钢管混凝土柱隔板贯通节点局部抗拉性能研究

钢管混凝土柱隔板贯通节点局部抗拉性能研究

钢管混凝土柱隔板贯通节点局部抗拉性能研究苗纪奎;邴卿德【摘要】Seven cruciform specimens of diaphragm-through joint model are studied by static tensile test to investigate the structural behavior of the connection between concrete-filled square steel tubular column and steel beam tensile flange. On the basis of experimental investigation,3-D nonlinear FEM models of diaphragm-through joints involving geometric large deformation,contact problems between the steel and the concrete and materials nonlinear are presented and the behavior of connections under the monotonic loading are analyzed by using ANSYS. Research results indicate that load-deflection curves by finite element analysis show good agreement with those of the experiment. Compared with experimental values,yield bearing capacity of the finite element calculation error is less than 5%, and the ultimate bearing capacity of finite element calculation error is less than 14%. The finite element analysis results can provide the reference for studying bearing capacity calculation formula and design method of diaphragm-through joint. Based on the stress distribution of the joint zone,the transfer mechanism of the joint is analyzed,and some design suggestions for improving local tensile behavior of joint are presented according to stress distribution analyses in the joint zone between steel beam flange and diaphragm.%钢管混凝土柱隔板贯通节点局部抗拉性能研究对改进方钢管混凝土柱与钢梁受拉翼缘的结构性能具有重要意义。

钢管混凝土柱-钢梁下栓上焊隔板贯通节点抗震试验研究

钢管混凝土柱-钢梁下栓上焊隔板贯通节点抗震试验研究

第53卷第6期2022年6月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.53No.6Jun.2022钢管混凝土柱−钢梁下栓上焊隔板贯通节点抗震试验研究余玉洁1,2,林思文1,张超1,丁发兴1,2,蒋丽忠1,魏标1(1.中南大学土木工程学院,湖南长沙,410075;2.湖南省装配式建筑工程技术研究中心,湖南长沙,410075)摘要:钢管混凝土柱−钢梁下栓上焊隔板贯通节点下翼缘采用螺栓连接代替传统的对接焊缝连接,以解决下翼缘焊缝处容易发生断裂的问题,但该构造使得钢梁上下翼缘的连接方式不对称。

为此,通过对5个下栓上焊隔板贯通节点和1个传统栓焊混合连接节点进行低周往复荷载试验,研究下翼缘螺栓连接和楼板的组合作用对下栓上焊节点抗震性能和工作机理的影响。

研究结果表明:下栓上焊节点中由于下翼缘处螺栓滑移导致其滞回曲线表现出一定程度的捏缩现象,但该类节点具有较强的变形能力,可转动0.06000rad 且不破坏;随着节点转角增大,下翼缘连接传力机制由摩擦传力转变为螺杆与孔壁的接触承压传力,节点具有较强的极限承载能力;上下翼缘连接方式不同导致节点正负向受弯时表现出非对称承载强度;无楼板节点具有较大的负弯矩强度,采用组合式楼板时,混凝土板与立柱的挤压承载对于节点正向承载能力有更显著的增强效应,最终使得组合梁节点的正负向弯曲承载强度相近;楼板可有效抑制钢梁上翼缘的局部鼓曲变形,延缓节点的峰值后承载力退化现象;下翼缘螺栓连接的板件滑移有助于降低钢梁下翼缘应力集中现象,避免出现过早断裂的脆性破坏;通过提高下翼缘螺栓连接强度和下贯通隔板厚度,可以增大节点的承载稳定性和变形能力。

关键词:钢管混凝土柱;组合梁;滞回性能;抗弯强度;层间位移角;摩擦滑移中图分类号:TU398+.2文献标志码:A文章编号:1672-7207(2022)06-2143-12Experimental study on seismic performance of bottom-flange-bolted upper-flange-welded through-diaphragm connection between CFSTcolumn and steel beamYU Yujie 1,2,LIN Siwen 1,ZHANG Chao 1,DING Faxing 1,2,JIANG Lizhong 1,WEI Biao 1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Engineering Technology Research Center for Prefabricated Construction Industrialization,Changsha 410075,China)收稿日期:2021−08−10;修回日期:2021−10−22基金项目(Foundation item):国家自然科学基金资助项目(51708402)(Project(51708402)supported by the National Natural ScienceFoundation of China)通信作者:余玉洁,博士,教授,从事装配式钢结构与组合结构性能研究;E-mail :****************.cnDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2022.06.016引用格式:余玉洁,林思文,张超,等.钢管混凝土柱−钢梁下栓上焊隔板贯通节点抗震试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2022,53(6):2143−2154.Citation:YU Yujie,LIN Siwen,ZHANG Chao,et al.Experimental study on seismic performance of bottom-flange-bolted upper-flange-welded through-diaphragm connection between CFST column and steel beam[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2022,53(6):2143−2154.第53卷中南大学学报(自然科学版)Abstract:The bottom-flange-bolted upper-flange-welded(BFB-UFW)through-diaphragm concrete filled steel tube (CFST)column connection adopts the bolted connection instead of traditional welded approach to connect the bottom flange to the bottom diaphragm.The construction can solve the brittle rupture failure problem of the bottom flange welds,but also induces the asymmetric connecting construction between upper and bottom flanges.In order to investigate the influence of bottom-flange-bolted connection and composite beam effect on seismic performance of the BFB-UFW connection,cyclic loading tests were performed on five BFB-UFW connections and one traditional welded flange through-diaphragm connection.The results show that BFB-UFW connections have pinched hysteretic loops due to the bolt sliding behaviors in the bottom flange connection,but this connection has strong deformation ability with a drift angle of0.06000rad.The working mechanism of the bottom flange connection changes from the contact friction resistance to bolt bearing when the drift angle increases,leading tothe stronger ultimate bearing capacity.Different connecting methods in the upper and bottom flanges will cause asymmetric moment strength developments in upward and downward bending conditions.The bare beam connection has a higher level of negative moments than positive strengths.However,the extrusion between slab and column in the composite beam connection imposes a stronger strengthening effect on the positive moment strength,leading to similar positive and negative strength levels.The slab can effectively restrain the local buckling deformation at upper beam flange and delay the strength degradation behavior.The bolted bottom flange design and the plate sliding behaviors can reduce stress concentrations at the bottom flange,which effectively reduces brittle failure risks from the premature fracture.The bearing stability and deformation capacity of BFB-UFW connections can be strengthened by increasing the strength of bolted bottom flange connection and the thickness of the bottom diaphragm.Key words:concrete-filled steel tube column;composite beam;hysteretic behavior;moment strength;inter-story drift angle;frictional sliding钢管混凝土柱[1]充分结合了混凝土与钢材各自的优点,具有抗震性能好、施工方便等突出特点。

方管柱-H型钢梁隔板贯通式节点抗震性能研究

方管柱-H型钢梁隔板贯通式节点抗震性能研究

H—section beams mad square tubular columns in multi—storied and hi【gh—rise buildings.
There are several types to connect H—section beams to square tubular columns.The
commonly used. 3.Finite element modeling for the experimental joints are set up and the
comparison between FE calculations and test results are carried out.It is concluded
connection with through diaphragms,experiments and finite element numerical
analysis were carried out.The research content and results are presented as follows:
connection with through diaphragms is one type ofthem,which has lower fabrication
cost and convenient construction.The type of connection has been widely used
(1)建筑空间布置灵活,能满足不同用户对住宅功能的多种要求; (2)轻质高强,抗震性能好,安全性高; (3)施工方便快捷,建设工期短。 正是由于以上优点,近几年钢结构住宅发展特别迅速。 就结构体系而言,以钢结构住宅为代表的多层轻钢建筑多采用空问或平面 框架结构,梁柱形式多采用H型钢,但是由于H型钢存在两个方向抗弯刚度差距 比较大的不足,在遇到建筑平面有所变化,结构体系传力复杂的情况时往往不 能满足要求。随着钢材加工制造工艺的逐步提高,出现性能优良且截面尺寸较 大的冷成形方管”1,其双向抗弯刚度相差不大,同时壁厚较薄,加工方便,是 合适的轻型钢结构材料,因此以方钢管柱和H型钢梁为梁柱体系的钢结构住宅开 始兴起。在上述的结构体系中主要的梁柱传力节点都采用梁柱刚接的形式,同 时根据现有的工程经验表明梁柱节点的性能将直接影响到体系的抗震性能,因 此其刚接节点的构造形式就比较重要。采用怎么样的梁柱连接节点构造可以满 足方钢管柱一H型钢梁钢结构住宅体系的受力要求,同时又能配合轻钢结构施工 方便,成为目前研究的重点。 在一般的钢框架结构中,梁与柱的刚性连接可以分为柱贯通式、梁贯通式 和隔板贯通式三种形式。柱贯通指在节点处保持柱构件的连续,梁被打断,连

钢管混凝土柱钢梁环板节点力学性能与设计方法研究1

钢管混凝土柱钢梁环板节点力学性能与设计方法研究1

作者签名:荔旋
日期川年广月/日
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on
the key issues
on
CFST columns to steel beam
j oints
with external stif佗ning ring,a 3一D finite element
model(FEM)was joints
established by
ABAQUS.The
load
Versus
震节点的实验研究,其中,2个试件采用钢梁,3个试件采用钢筋混凝土梁。实验 结果表明,节点具有很好的抗震性能,能够保证钢管混凝土框架在地震区推广应
type
on
the panel shear load-carring capacit)r of the
ofjoints
based
on
the FEM model.A simplified design approachs for the ultimate
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方钢管混凝土柱—钢梁隔板贯通节点性能
方钢管混凝土柱-钢梁隔板贯通节点已被《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)列为推荐形式,但由于国内该种节点的研究资料较少,对节
点承载能力及抗震性能缺乏认识,计算理论与设计方法也不成熟,因此,对隔板贯通节点的力学性能进行研究具有重要的理论意义与工程应用价值。

总结分析了
方钢管混凝土柱-钢梁节点的形式及其受力特点,并在研究隔板贯通节点构造存
在问题的基础上,提出了改善钢梁翼缘与隔板连接处受力性能的两种新型节点形式—圆弧倒角型节点和倒角放坡型节点。

为研究方钢管混凝土柱与钢梁受拉翼
缘连接性能,对16个隔板贯通节点试件进行了静力拉伸试验,分析了节点的应力传递机制,并对节点拉伸承载力试验值及理论计算值进行了比较。

研究结果表明,圆弧倒角型节点与倒角放坡型节点具有较高的承载力和良好的延性,影响节点承载力的主要因素是隔板厚度、浇注孔直径和钢管的宽厚比;日本规程提出的节点拉伸承载力计算公式对于填充混凝土的试件偏于保守,但高估了空钢管试件的承载力。

建立了同时考虑几何非线性、钢材与混凝土接触非线性和各种材料非线
性的有限元模型,对隔板贯通节点进行了静力拉伸有限元分析,研究了节点的屈
服机制,并在参数分析的基础上,提出了隔板与钢管协同受力的节点拉伸承载力
计算公式,比较分析表明,节点承载力理论计算值与试验值吻合较好。

进行7个
隔板贯通节点十字型足尺试件的低周反复加载试验,分析了各试件的破坏过程及特征,并对节点承载力、延性、耗能能力、刚度退化等抗震性能指标进行了比较分析。

研究结果表明,隔板贯通节点滞回曲线饱满,具有较强的耗能能力;钢梁翼缘与隔板的连接构造对节点的延性、耗能能力、刚度退化影响较大,圆弧倒角型节点和倒角放坡型节点比侧板加强型节点具有更好的抗震性能。

隔板的厚度、
浇注孔径和钢管的宽厚比对梁端破坏节点的受力性能影响较小,但在试件中浇筑混凝土可以显著减小核心区的剪切变形,改善节点的抗震性能。

对隔板贯通节点进行了低周反复荷载作用下非线性有限元分析,较为精确模拟了节点域的应力分布规律和受力破坏机理,有限元计算结果与试验结果吻合较好。

最后在对节点滞回性能参数分析的基础上,提出了节点设计和改进建议。

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