矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析探討

陽舒文，劉忠，楊龍剛

（湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭 411105）

矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析探討

陽舒文，劉忠，楊龍剛

（湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭 411105）

采用有限元分析技術(shù)，針對矩形鋼管混凝土桁架K型節(jié)點(diǎn)的受力性能問題，進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬，計算值與試驗值吻合較好。結(jié)果表明，論文所建立的三維有限元模型是有效的。通過研究鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)典型的荷載-變形全過程關(guān)系曲線的特征，考察了節(jié)點(diǎn)區(qū)域受力變形發(fā)展過程、應(yīng)力應(yīng)變分布情況以及鋼管和混凝土相互作用等受力機(jī)理。

鋼管混凝土桁架;K型節(jié)點(diǎn);受力性能;非線性分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.005

1 引言

矩形鋼管結(jié)構(gòu)以其節(jié)點(diǎn)形式簡單、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。矩形鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論也很成熟，各國設(shè)計規(guī)范中均有矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的相關(guān)條文。由于支管與主管的焊接處一般是節(jié)點(diǎn)的受載情況下最容易破壞的位置，通常的處理辦法是在此處焊接加勁板。工程師為改善節(jié)點(diǎn)性能,且不影響結(jié)構(gòu)外觀，在節(jié)點(diǎn)的主管內(nèi)灌注混凝土,形成一種新型節(jié)點(diǎn)—矩形鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)[1]。

本文采用有限元分析軟件ANSYS，針對矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)的受力性能問題，根據(jù)前人的研究成果，進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬。通過研究鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)典型的荷載-位移曲線的特征，鋼管節(jié)點(diǎn)和鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的不同破壞模式，以及混凝土Mises應(yīng)力分布，揭示了混凝土對鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)極限承載力提高的貢獻(xiàn)。

2 矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)有限元模型的建立

2.1 試驗概述

針對矩形鋼管混凝土桁架K型節(jié)點(diǎn)的受力性能，劉永健等人[2]進(jìn)行了系列試驗研究。試件尺寸見表1，加載裝置及測點(diǎn)位置見圖1。

表1 鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)

圖1 試驗裝置示意圖

2.2 材料的本構(gòu)模型

鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙線性模型，該模型有彈性段和強(qiáng)化段，強(qiáng)化段的模量可取值為0.01Es。考慮材料的彈塑性時,采用多線性隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則,遵守Von Mises屈服準(zhǔn)則和相關(guān)流動法則。

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用韓林海[3]提出的，考慮鋼管約束效應(yīng)的約束混凝土模型。采用Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則檢查混凝土開裂和壓碎，為了提高運(yùn)算效率，關(guān)閉壓碎功能。

2.3 單元類型和網(wǎng)格劃分

鋼管采用4節(jié)點(diǎn)的SHELL181單元進(jìn)行模擬，每個節(jié)點(diǎn)有6個自由度。適合模擬薄殼至中等厚度殼單元。建議設(shè)置KEYOPT(3)=2，即選擇非協(xié)調(diào)的完全積分方案，該選項能夠避免可能產(chǎn)生的“沙漏”問題。核心混凝土采用8節(jié)點(diǎn)的SOLID65單元進(jìn)行模擬，每個節(jié)點(diǎn)有3個自由度。該單元最重要的是對材料非線性的處理，可模擬混凝土開裂、壓碎、塑性變形及徐變。建議設(shè)置KEYOPT(7)=1，即開裂后緩慢釋放荷載，已幫助收斂。鋼板采用8節(jié)點(diǎn)的SOLID45單元，每個節(jié)點(diǎn)有3個平動自由度。該單元與SOLID65單元相似，只是沒有開裂與壓碎功能。

網(wǎng)格的疏密程度十分重要，合理地網(wǎng)格劃分，即能保證計算精度，又能提高計算效率。本文在進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分時，鋼管與核心混凝土的網(wǎng)格劃分采用映射劃分，鋼板的網(wǎng)格劃分采用掃略劃分。為達(dá)到使計算結(jié)果收斂且精準(zhǔn)的目的，在模型部件接觸部位，盡量通過對部件的切分使網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對齊。此外，由于SOLID65單元本身是采用彌散裂縫模型和最大拉應(yīng)力開裂判據(jù),在很多情況下會因為應(yīng)力集中而使混凝土提前破壞,從而和試驗結(jié)果不相吻合，根據(jù)陸新征[4]的研究，當(dāng)最小單元尺寸大于5cm時,就可以有效避免應(yīng)力集中的問題。

2.4 界面模型和邊界條件

鋼管與混凝土界面選用接觸單元CONTA173及目標(biāo)單元TANGE170。其中腹桿與墊塊、弦桿與墊塊之間的接觸裝配采用MPC法（即利用接觸單元和技術(shù)，由ANSYS計算軟件根據(jù)接觸運(yùn)動自動建立約束方程，并與綁定或不分離接觸等選項結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各種裝配接觸和運(yùn)動約束）。弦桿中鋼管與核心混凝土之間的接觸類型采用標(biāo)準(zhǔn)接觸，經(jīng)過大量試算，將接觸剛度的比例因子取為0.1，侵入允許容差為-0.01，核心混凝土與鋼材的動摩擦系數(shù)取為0.25，可以獲得滿意的結(jié)果。約束和加載情況如圖2所示。

圖3 鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)有限元模型

2.5 模型驗證

本文針對試驗過程，選取了K2-c18和K2-028兩個節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得到了鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)受壓腹桿的荷載－位移曲線，如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)K 2-028和K 2-C18荷載位移曲線

通過有限元計算，試件K2-028的極限承載力為163kN，而通過試驗得到的則為171kN，二者之間相差4.09%。試件K2-C18的極限承載力為154kN，而通過試驗得到的則為185 kN，二者之間相差14.79%，這是由于混凝土出現(xiàn)裂縫運(yùn)算即中止，造成了計算結(jié)果的誤差。由兩者對比分析的結(jié)果可知，有限元模型的計算結(jié)果與試驗值吻合較好，從而可以驗證了本文所建立的鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)三維有限元模型的合理性。有限元計算值與試驗實(shí)測值的比較如圖4所示。

圖4 破壞模式的比較

3 矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)受力分析

根據(jù)李云峰等人的[5]研究，圓形鋼管節(jié)點(diǎn)在灌注了混凝土后，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，材料處于塑性狀態(tài)，破壞時形成顯著的鼓曲效果，延性大大增加。在矩形鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)中，核心混凝土受到的約束效應(yīng)并不明顯，其承載力提高有限，這點(diǎn)從本文2.5節(jié)可以看出。但是由于核心混凝土的存在，結(jié)構(gòu)的剛性大大增強(qiáng)。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的破壞模式由，未灌注混凝土?xí)r的主管凹陷屈曲失穩(wěn)，變?yōu)楹诵幕炷潦軌浩茐模鐖D5所示。

圖5 核心混凝土M i ses應(yīng)力分布

計算結(jié)果表明，在受壓支管與主管的焊接處，核心混凝土的應(yīng)力達(dá)到了單軸抗壓極限值，混凝土被壓壞。矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)中，類似于鋼筋和混凝土之間的咬合作用，摩擦力和黏結(jié)力的存在使得鋼管和核心混凝土可以一起工作。當(dāng)主管受壓時，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度得到增強(qiáng)；當(dāng)主管受拉時，混凝土對主管的保護(hù)作用有限，僅能提供一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，由于核心混凝土的存在，節(jié)點(diǎn)間隙處的抗剪強(qiáng)度得到顯著提高，可以有效的避免節(jié)點(diǎn)的沖剪破壞。

4 結(jié)論

從以上分析得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)與矩形鋼管K型節(jié)點(diǎn)相比，強(qiáng)度得到一定的提高，剛度得到顯著提高。

2)本文采用有限元分析軟件ANSYS，針對矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)的受力性能問題，進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬。計算值與試驗值吻合較好，證明本文所建立的三維有限元模型是有效的。

【1】吳耀華，吳文奇.鋼管在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與發(fā)展[J].鋼結(jié)構(gòu)，2005，2(20)：45-49.

【2】劉永健，周緒紅，劉君平.矩形鋼管混凝土K型節(jié)點(diǎn)受力性能試驗[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2007,24（2）：36-42.

【3】韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)－理論與實(shí)踐(第二版)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

【4】陸新征，江見鯨.用ANSYSSOLID65單元分析混凝土組合構(gòu)件復(fù)雜應(yīng)力[J].建筑結(jié)構(gòu)，2003,33（6）：22-24.

【5】李云峰.淺談鋼管混凝土在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009，35（6）:97～98.

Investigation on Numerical Simulation of Concrete-filled Rectangular Steel Tube K-joints

YANGShu-wen，LIUZhong，YANGLong-gang
(CollegeofCivilEngineeringandMechanics，XiangtanUniversity，Xiangtan 411105，China)

】In this paper, the finite element analysis technique is used to analyze the mechanical behavior of the Concrete-Filled RectangularSteelTube (CFRST)K-joints, and the nonlinearnumerical simulation is carried out. and the calculated resultswere agreedwell with the experimental ones. The results show that the 3D finite element analysis model is effective. By analysis to the characteristics of typical load-deformation curves of the CFRST K-joints, the developments of the forces and deformations in the joint region were investigated. The stress and strain distribution over the joint region and the interaction between the steel tubularwall and the core concrete werealsostudied.

CFRST；K-joints;forceperformance;nonlinearanalysis

TU502.6;TU528.59

A

1007-9467（2016）09-0038-03

2016-04-24

陽舒文（1984～）,男，湖南衡陽人，研究生,從事結(jié)構(gòu)工程研究，（電子信箱）458012243@qq.com。