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矩管混凝土柱H型钢梁新型连接节点抗震性能研究
矩管混凝土柱H型钢梁新型连接节点抗震性能研究
摘要:
通过对所提出的方钢管混凝土柱H型钢梁楔形箱型节点进行抗震性能研究,利用ABAQUS分析了矩管柱的宽厚比、混凝土强度以及轴压比对节点滞回性能的影响。
结果表明:
影响节点受力性能的主要因素是矩管的宽厚比,在一定范围内提高矩管厚度会提高节点的承载能力和刚度。
同时给出了矩管混凝土柱H型钢梁楔形箱型节点抗剪承载力简化计算式。
关键词:
钢管混凝土柱;梁柱节点;有限元;抗震性能;非线性分析
1概述
近年来,矩管混凝土柱H型钢梁框架结构已广泛应用于高层建筑中。
常规的矩管混凝土柱与H型钢梁的内隔板节点需要在柱内焊接内隔板,施焊要求高,内隔板上开孔,浇筑混凝土不便且不易控制浇筑质量;常规柱梁连接的外环板连接需在柱外焊接环板,环板尺寸大,影响美观且不便于建筑装饰处理。
本文提出了一种适用于矩管混凝土柱与H型钢梁连接的楔形箱型外联式创新型节点。
该节点取消了内隔板,楔形箱型牛腿在工厂焊于柱,然后与H型钢梁进行拼接,节点形式见图1。
a—节点立面;b—节点平面。
图1楔形箱型节点构造
目前,Heidari针对腋板加强节点进行了研究,发现非对称加腋连接节点域有小幅的塑性转动,对称加腋没有出现塑性转动,表现在弹性范围,直腋板加腋有较大的塑性转动[1]。
聂建国等建立了方钢管混凝土节点抗剪受力模型,建立了内隔板式方钢管混凝土柱节点的抗剪力学模型,并提出了可用于计算节点抗剪承载力的计算式[2-3]。
薛建阳等对矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点受剪承载力进行了研究,推导出矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点的抗剪计算式[4]。
刘晓刚等对比分析了AIJ规范计算式、Fukumoto方法和Nishiyama方法对钢管混凝土柱与钢梁连接节点的计算结果[5]。
同时,对特殊类型节点的核心区受剪设计,也给出了修正计算式。
本文提出了新型矩管混凝土柱与H型钢梁楔形箱型外联式节点,并针对该节点进行了循环往复荷载作用下的滞回性能数值模拟研究,研究了矩管柱宽厚比、轴压比、混凝土强度对节点抗震性能影响,以期获得该节点的抗震力学性能,并进一步研究了该节点的抗剪承载力计算方法,为该节点的应用提供设计建议。
2节点计算模型的建立
楔形箱型矩管柱与H型钢梁连接节点的翼缘部分与牛腿的作用相当。
该结构的楔形箱型部分与柱的连接采用全焊缝连接,在加工厂完成,运至现场再与梁进行拼接。
2.1模型的建立
采用1∶1的比例来建立模型,节点原型的几何尺寸为:
柱截面为箱型□350×350×12×12,柱上、下约束面的距离为1400mm;梁截面为H300×150×6.5×9,两约束截面间距离为3200mm;节点区楔形箱型钢牛腿长度为400mm,楔形箱型牛腿处焊接竖向肋板,且牛腿处的翼缘板和竖向肋板厚度均为12mm,牛腿腹板厚度为8mm。
节点采用Q345钢材,为理想弹塑性模型,节点三维图如图2所示。
图2楔形箱型节点三维示意
2.2材料属性
本文中模型均采用Q345钢材,材料参数如下表1所示,且假定为理想弹塑性分析的模型,采用vonMises屈服准则。
2.3约束条件和加载制度
对柱底施加固定约束,并限制柱顶截面的平动自由度。
在梁端部截面Z方向施加往复荷载,荷载步为10,位移的最大值为40mm。
约束条件和加载制度如图3和图4所示。
为模拟实际工程中楼板的重量及各种荷载效应,在柱子上施加轴向压力。
表1矩管柱壁厚mm
试件编号钢管壁厚试件编号钢管壁厚CTH68CTH1212CTH810CTH1414
图3模型约束施加
图4节点加载制度
3节点力学性能分析
3.1矩管柱宽厚比对节点滞回性能的影响
矩管柱宽厚比的改变将影响节点梁柱刚度比。
为研究梁柱刚度比对节点抗震性能的影响,分析了不同矩管柱壁厚时的节点耗能能力。
从图5中可以看出,钢管宽厚比对节点滞回曲线的影响不大,说明梁柱刚度比对节点抗震性能并无显著影响。
然而,随着矩管柱壁厚的增大,节点的极限承载力和初始刚度略有增大。
a—滞回曲线;b—骨架曲线。
图5矩管柱宽厚比对节点滞回特性的影响
3.2混凝土强度对节点滞回性能的影响
为探究混凝土强度对节点抗震性能的影响,分析了混凝土强度等级分别采用C30、C40和C50时,节点在往复荷载作用下的力学性能,并与空心矩管柱节点进行了对比如表2所示。
按照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》选取混凝土的相关参数。
节点内隔板预留浇注孔径取160mm。
表2CR系列试件混凝土强度
试件编号混凝土强度试件编号混凝土强度CR0无混凝土CR40C40CR30C30CR50C50
从图6可以看出,混凝土强度对新型节点在往复荷载作用下滞回曲线的形状、节点的承载力和刚度无显著影响,但空心矩管柱节点和矩管混凝土柱节点的滞回性能稍有不同。
由于内部混凝土的作用,阻止了钢管的局部屈曲变形,增大了节点域的刚度,从而间接提高了矩管混凝土柱节点的极限承载力和初始刚度。
a—滞回曲线;b—骨架曲线。
图6竖板扩展角对节点滞回特性的影响
3.3轴压比对节点滞回性能的影响
对于矩管混凝土,轴压比会对节点静力性能产生一定影响。
而轴压比对节点抗震性能的影响研究较少,因此分析了不同轴压比对新型节点在往复荷载作用下耗能能力的影响。
采用的具体轴压比如表3所示。
表3试件轴压比
试件编号轴压力/kN轴压比N400400017N800800034N12001200051N16001600068
图7为不同轴压比试件的荷载-位移滞回曲线和骨架曲线,从中可以看出,轴压比对节点承载力、刚度和耗能能力无明显影响。
a—滞回曲线;b—骨架曲线。
图7轴压比对节点滞回特性的影响
4矩管混凝土柱H型钢梁楔形箱型节点抗剪承载力
目前,对于外环板的矩管混凝土柱节点抗剪承载力文献研究很少,且相关规范无推荐计算式。
根据上述对矩管混凝土与H型钢梁连接研究分析表明,楔形箱型节点抗震性能的影响因素为:
矩管柱宽厚比(含钢率)、混凝土强度、轴压比等,且影响因素较大的为矩管柱的含钢率。
建议矩管混凝土柱与H型钢梁楔形箱形外联式节点的抗剪承载力可按式
(1)确定:
Vu=0.71γfscAsc
(1)
式中:
fsc为钢管混凝土组合轴压强度设计值;Asc为钢管混凝土构件的截面面积,mm2,即钢管面积和混凝土面积之和;γ为节点核心区矩管混凝土抗剪影响系数。
矩管混凝土柱与H型钢梁楔形箱形外联式节点的参数见表4。
表4有限元模型节点参数
节点编号节点尺寸截面规格长度/mm竖板厚度/mm轴压比n含钢率αkj-1柱□350×350×814008050098梁HN300×150×65×91600kj-2柱□350×350×10140010050125梁HN300×150×65×91600kj-3柱□350×350×12140012050153梁HN300×150×65×91600kj-4柱□350×350×14140014050181梁HN300×150×65×91600
注:
表中n为轴压比;α为柱截面含钢率。
前文分析表明,截面含钢率对节点核心区矩管混凝土抗剪影响系数γ(表5)的影响较大,因此分析了γ与柱截面含钢率α的关系(图8)。
表5矩管节点抗剪承载力计算
节点编号Vu/kN071fsvAsc/kNγαkj-139********90098kj-2431397100770125kj-3467436500760153kj-4487473200730181
注:
γ为核心区钢管混凝土抗剪影响系数;α为柱截面含钢率。
图8γ-α拟合关系曲线
根据以上的分析,矩管混凝土柱与H型钢梁楔形箱形外联式节点的抗剪承载力计算式如下:
Vu=0.71γfscAsc=0.71γfscbjhj
(2)
式中:
Vu为节点的抗剪承载力;fsc为钢管混凝土组合轴压强度设计值;由GB50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》[8]确定,Asc为钢管混凝土构件的截面面积,mm2,即钢管面积和混凝土面积之和;bj为节点核心区表面宽度;hj为柱截面的高度;γ为节点核心区矩管混凝土抗剪影响系数,γ取0.06α(-0.119);α为柱截面含钢率;γRE为节点域承载力抗震调整系数,取0.75。
为了验证所提出算式的准确性,将计算结果与有限元分析结果进行了对比,见表6所示。
简化式计算结果与有限元分析结果相差在0.99~1.01之间,简化计算式能够满足实际工程精度要求,可以作为矩管混凝土柱与H型钢梁楔形箱形外联式节点的抗剪承载力参考计算式。
表6矩管混凝土柱与H型钢梁楔形箱形外联式节点计算值与简化计算值比较
节点编号有限元计算结果Vfu/kN简化计算结果Veu/kNVfu/Veukj-1396396100kj-2431430100kj-3467461101kj-4487489099
5结论
通过对矩管混凝土柱H型钢梁低周反复加载,研究了钢管宽厚比、混凝土强度、轴压比对节点滞回性能的影响。
结果表明:
影响节点受力性能的主要因素是矩管混凝土柱的含钢率,在一定范围内增大钢管厚度会提高节点的承载能力和刚度。
在此基础上,结合规范给出的矩管混凝土柱的抗剪承载力公式,通过进一步的对比计算分析,给出了矩管混凝土柱H型钢梁楔形箱型节点抗剪承载力简化计算式,可供设计人员参考使用。
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