鋼管混凝土柱自鎖節(jié)點(diǎn)有限元分析

鋼管混凝土柱自鎖節(jié)點(diǎn)有限元分析

由于其承載性高、彈性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，深受設(shè)計(jì)和施工人員的喜愛(ài)。鋼管混凝土房屋建筑結(jié)構(gòu)中,最常見(jiàn)的梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式如圖1所示。鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造比較復(fù)雜,施工難度較大,存在設(shè)置內(nèi)外加強(qiáng)環(huán)板、穿心鋼梁等問(wèn)題,導(dǎo)致焊接工作量大,成本增加;如果柱內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)環(huán)板,混凝土的澆搗困難;但是由于鋼管混凝土-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性,導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要特別制作,成本很高;同時(shí)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)非常困難。如何將鋼管混凝土柱與鋼梁安全、可靠、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)地連接起來(lái),成為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題。為了克服已有的鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的種種缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)快速裝配,研發(fā)一種新型的節(jié)點(diǎn)——自鎖節(jié)點(diǎn)。本文將對(duì)這個(gè)節(jié)點(diǎn)作相關(guān)介紹,并進(jìn)行初步力學(xué)性能分析。1柱上自鎖肩的安裝自鎖節(jié)點(diǎn)主要由摩擦抗剪板和蝶形卡組成,另外還配有預(yù)緊螺栓、高強(qiáng)螺栓、自鎖肩等零部件,如圖2所示。通過(guò)介紹平面框架中自鎖節(jié)點(diǎn)的安裝流程,詳細(xì)認(rèn)識(shí)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)組成部分。2)安裝下蝶形卡(見(jiàn)圖3b)蝶形卡是自鎖節(jié)點(diǎn)的最主要部件,頂在柱上的部位稱(chēng)為自鎖肩,另有特殊處理。安裝下蝶形卡的時(shí)候,可同時(shí)安裝預(yù)緊螺栓并施加一個(gè)較小的預(yù)緊力,以便固定摩擦抗剪板的位置。預(yù)緊螺栓是給蝶形卡施加預(yù)緊力的高強(qiáng)螺栓,由于角度原因,預(yù)緊螺栓在圖3b中看不到,可參考圖3d。3)吊裝鋼梁(見(jiàn)圖3c)將打好螺栓孔的鋼梁吊裝就位,并將鋼梁與抗剪板通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接。此時(shí)可調(diào)整下蝶形卡的位置,安裝連接下蝶形卡和梁翼緣的高強(qiáng)螺栓,但高強(qiáng)螺栓不可擰緊,以防進(jìn)一步施加預(yù)緊力時(shí),下蝶形卡的變形被約束。4)安裝上蝶形卡(見(jiàn)圖3d)同樣可以安裝上蝶形卡的預(yù)緊螺栓和高強(qiáng)螺栓,但不可擰緊。5)擰緊螺栓上下蝶形卡的預(yù)緊螺栓施加預(yù)緊力到位,然后擰緊所有高強(qiáng)螺栓。至此完成自鎖節(jié)點(diǎn)的安裝。以上安裝流程僅做參考,實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)施工便利調(diào)整一些安裝順序。2勞動(dòng)原理與溝通能力的分析2.1抗彎板與柱之間的摩擦以1/4簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)分析蝶形卡的受力及工作原理(見(jiàn)圖4a)。蝶形卡在自鎖肩處與柱接觸。當(dāng)在蝶形卡外側(cè)預(yù)緊螺栓處施加荷載F,自鎖肩處必然產(chǎn)生一對(duì)互相作用的正壓力P和N。實(shí)際結(jié)構(gòu)中,外荷載F由預(yù)緊螺栓施加(見(jiàn)圖4b),自鎖肩與抗剪板之間、抗剪板與柱之間均產(chǎn)生互相作用的正壓力,正壓力使抗剪板與柱之間產(chǎn)生摩擦力。而這個(gè)摩擦力要承擔(dān)鋼梁上剪力的作用。2.2作用力上傳柱上鋼梁上的剪力通過(guò)腹板傳到抗剪板上,再通過(guò)自鎖肩處抗剪板與柱間的摩擦力傳到柱上(見(jiàn)圖5a)。鋼梁上的彎矩在翼緣處以正應(yīng)力經(jīng)由高強(qiáng)螺栓傳遞到蝶形卡上,最終轉(zhuǎn)化為連接板上的拉力或者自鎖肩頂?shù)街系膲毫?見(jiàn)圖5b)。所以自鎖肩處是正應(yīng)力和剪應(yīng)力傳遞的必經(jīng)之路。3力學(xué)研究3.1鋼管混凝土柱的相對(duì)滑移為了進(jìn)一步了解自鎖節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)性能,采用有限元軟件ANSYS建立一個(gè)平面節(jié)點(diǎn)的有限元模型(見(jiàn)圖6),并進(jìn)行各種荷載工況下計(jì)算。1)模型尺寸鋼管混凝土柱截面350mm×350mm,高1400mm,鋼管壁厚10mm。鋼梁截面240mm×300mm×18mm×14mm,長(zhǎng)1200mm。2)位移約束鋼管混凝土柱與摩擦抗剪板之間、摩擦抗剪板與自鎖肩之間通過(guò)設(shè)置只壓不拉單元,來(lái)模擬彼此之間受壓接觸、受拉脫離的現(xiàn)象;蝶形卡與鋼梁翼緣之間、摩擦抗剪板與鋼梁腹板之間在高強(qiáng)螺栓處耦聯(lián)全部自由度,模擬螺栓的連接作用;另外,柱底端全部節(jié)點(diǎn)約束xyz平動(dòng)自由度,柱頂端全部節(jié)點(diǎn)約束xy平動(dòng)自由度。3)荷載工況自重、柱頂壓力、梁端荷載、預(yù)緊螺栓的預(yù)緊力。考慮到實(shí)際的施工順序,計(jì)算過(guò)程采用生死單元。整個(gè)計(jì)算過(guò)程可分為預(yù)應(yīng)力態(tài)和荷載態(tài)兩部分:(1)預(yù)應(yīng)力態(tài)殺死鋼梁,預(yù)緊螺栓降溫施加預(yù)緊力;(2)荷載態(tài)激活鋼梁,施加柱頂壓力及梁端荷載。4)受計(jì)算條件的限制,計(jì)算過(guò)程中并未考慮鋼管混凝土柱與摩擦抗剪板之間的接觸摩擦。因此假定自鎖肩、抗剪板、柱之間不發(fā)生相對(duì)滑移。另外,計(jì)算過(guò)程中未考慮鋼管混凝土柱混凝土的破壞,即認(rèn)為鋼管混凝土柱混凝土為線(xiàn)彈性材料。因此計(jì)算結(jié)果較實(shí)際情況的剛度會(huì)更大一些,承載力會(huì)更高一些。3.2梁端荷載、梁端異向位移進(jìn)行兩組對(duì)比計(jì)算:(1)第1組蝶形卡自鎖板厚20mm,連接板厚18mm;(2)第2組蝶形卡自鎖板厚24mm,連接板厚22mm。在兩組計(jì)算中,每個(gè)預(yù)緊螺栓均施加10kN的預(yù)緊力,計(jì)算自鎖節(jié)點(diǎn)在梁端同向單調(diào)荷載、梁端異向單調(diào)荷載、梁端同向滯回荷載、梁端異向滯回荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。提取梁端荷載隨梁端豎向位移的變化曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7的計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論:(1)由于在算例中的梁剛度大,蝶形卡控制著節(jié)點(diǎn)的破壞,因此如果增大蝶形卡的厚度,節(jié)點(diǎn)的屈服前剛度和極限承載力會(huì)得到明顯提高;(2)異向加載比起同向加載剛度更小一些,極限承載力更低一些;(3)同向滯回加載與異向滯回加載,節(jié)點(diǎn)的性能完全不同,同向滯回曲線(xiàn)很飽滿(mǎn),而異向滯回曲線(xiàn)捏攏嚴(yán)重,異向加載滯回曲線(xiàn)的捏攏現(xiàn)象是由于蝶形卡受拉發(fā)生塑性變形,從而使自鎖肩間距加大,因此在梁端荷載反號(hào)并接近零時(shí),蝶形卡與柱之間會(huì)出現(xiàn)一段空程滑移,即圖7d在原點(diǎn)附近節(jié)點(diǎn)剛度小的原故。3.3節(jié)點(diǎn)抗拉抗拉結(jié)構(gòu)提取蝶形卡在預(yù)應(yīng)力態(tài)的等效應(yīng)力分布云圖、同向加載荷載態(tài)等效塑性應(yīng)變分布云圖、異向加載荷載態(tài)等效塑性應(yīng)變分布云圖,如圖8所示。1)預(yù)應(yīng)力態(tài)蝶形卡的連接板是拉應(yīng)力最大的部位,自鎖肩是壓應(yīng)力最大的部位。而連接板上靠近自鎖肩的位置,同時(shí)承受拉力、彎矩、扭矩,應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜,也是預(yù)應(yīng)力態(tài)蝶形卡上最薄弱的部位(見(jiàn)圖8a)。2)同向加載荷載態(tài)受拉一側(cè)的蝶形卡連接板發(fā)生向內(nèi)側(cè)的變形,連接板與自鎖肩相連的位置是最主要的塑性區(qū),控制著整個(gè)蝶形卡的破壞(見(jiàn)圖8b);而受壓一側(cè)的蝶形卡連接板發(fā)生向外側(cè)的變形,塑性變形不僅出現(xiàn)在連接板與自鎖肩相連的位置,還出現(xiàn)在自鎖板上螺栓的位置(見(jiàn)圖8c)。因此受壓一側(cè)的蝶形卡塑性變形要比受拉一側(cè)的蝶形卡小得多,整個(gè)節(jié)點(diǎn)的破壞將由受拉側(cè)蝶形卡的連接板控制。3)異向加載荷載態(tài)上下兩側(cè)的蝶形卡連接板實(shí)際都處于受拉狀態(tài),其變形、應(yīng)變分布與同向加載荷載態(tài)的受拉蝶形卡類(lèi)似(見(jiàn)圖8d)。但同向加載受拉蝶形卡的自鎖肩與柱脫離,自鎖板均受拉;而異向加載蝶形卡有一側(cè)的自鎖肩頂在柱上,這一側(cè)的自鎖板處于受壓狀態(tài)。4節(jié)點(diǎn)壓力喪失自鎖肩處是正應(yīng)力和剪應(yīng)力傳遞的必經(jīng)之路,是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的最關(guān)鍵部位。在構(gòu)件加工過(guò)程中,制造誤差是難免的,制造誤差有可能導(dǎo)致二者吻合不良。如圖9a所示,如果柱和自鎖肩間存在間隙δ,則蝶形卡本身的變形將導(dǎo)致自鎖肩和柱之間壓力的喪失,這對(duì)于節(jié)點(diǎn)的性能是十分不利的。另外,節(jié)點(diǎn)的異向加載滯回曲線(xiàn)捏攏嚴(yán)重。因?yàn)榈慰ㄊ芾l(fā)生塑性變形,自鎖肩與柱之間產(chǎn)生間隙Δe+Δp(見(jiàn)圖9b);當(dāng)荷載反號(hào),彈性變形部分Δe恢復(fù)后,在塑性變形Δp這一段內(nèi)蝶形卡是空程滑移。因此,節(jié)點(diǎn)的異向加載滯回曲線(xiàn)在原點(diǎn)附近剛度很小。為了防止由于制造誤差導(dǎo)致的自鎖肩壓力的損失,同時(shí)也為了提高節(jié)點(diǎn)在滯回荷載下的耗能能力,自鎖肩處構(gòu)造措施如圖10所示。一旦蝶形卡受拉,自鎖肩與柱之間出現(xiàn)間隙,彈簧便會(huì)將斜楔塊頂起,填充間隙;而一旦蝶形卡重新受壓,可通過(guò)設(shè)置斜楔塊的斜度和摩擦系數(shù)來(lái)保證斜楔塊粘附在自鎖板上,不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。5鋼管混凝土柱安裝設(shè)計(jì)自鎖節(jié)點(diǎn)將許多機(jī)械原理和思維應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程,可以說(shuō)是一次大膽的嘗試。與常規(guī)的鋼管混凝土-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)相比,它的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)除了在梁上打螺栓孔,無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(鋼梁和鋼管混凝土柱)做其他任何的處理或改動(dòng);(2)主要部件——蝶形卡可以作為產(chǎn)品進(jìn)行工業(yè)化批量生產(chǎn);(3)節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置在柱的任意高度;(4)無(wú)現(xiàn)場(chǎng)焊接操作,安裝非常簡(jiǎn)單。有限元