鋼管混凝土柱自鎖節(jié)點有限元分析

鋼管混凝土柱自鎖節(jié)點有限元分析

由于其承載性高、彈性好、施工方便等優(yōu)點，深受設(shè)計和施工人員的喜愛。鋼管混凝土房屋建筑結(jié)構(gòu)中,最常見的梁柱節(jié)點連接形式如圖1所示。鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點的構(gòu)造比較復(fù)雜,施工難度較大,存在設(shè)置內(nèi)外加強環(huán)板、穿心鋼梁等問題,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)點的復(fù)雜性,導(dǎo)致每個節(jié)點都要特別制作,成本很高;同時實現(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、簡便、經(jīng)濟地連接起來,成為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)研究中的一個重要問題。為了克服已有的鋼管混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點的種種缺點,實現(xiàn)鋼管混凝土-鋼梁連接節(jié)點的工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場快速裝配,研發(fā)一種新型的節(jié)點——自鎖節(jié)點。本文將對這個節(jié)點作相關(guān)介紹,并進行初步力學(xué)性能分析。1柱上自鎖肩的安裝自鎖節(jié)點主要由摩擦抗剪板和蝶形卡組成,另外還配有預(yù)緊螺栓、高強螺栓、自鎖肩等零部件,如圖2所示。通過介紹平面框架中自鎖節(jié)點的安裝流程,詳細認識節(jié)點的各個組成部分。2)安裝下蝶形卡(見圖3b)蝶形卡是自鎖節(jié)點的最主要部件,頂在柱上的部位稱為自鎖肩,另有特殊處理。安裝下蝶形卡的時候,可同時安裝預(yù)緊螺栓并施加一個較小的預(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高強螺栓連接。此時可調(diào)整下蝶形卡的位置,安裝連接下蝶形卡和梁翼緣的高強螺栓,但高強螺栓不可擰緊,以防進一步施加預(yù)緊力時,下蝶形卡的變形被約束。4)安裝上蝶形卡(見圖3d)同樣可以安裝上蝶形卡的預(yù)緊螺栓和高強螺栓,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,然后擰緊所有高強螺栓。至此完成自鎖節(jié)點的安裝。以上安裝流程僅做參考,實際應(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簡化結(jié)構(gòu)分析蝶形卡的受力及工作原理(見圖4a)。蝶形卡在自鎖肩處與柱接觸。當在蝶形卡外側(cè)預(yù)緊螺栓處施加荷載F,自鎖肩處必然產(chǎn)生一對互相作用的正壓力P和N。實際結(jié)構(gòu)中,外荷載F由預(yù)緊螺栓施加(見圖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。而這個摩擦力要承擔鋼梁上剪力的作用。2.2作用力上傳柱上鋼梁上的剪力通過腹板傳到抗剪板上,再通過自鎖肩處抗剪板與柱間的摩擦力傳到柱上(見圖5a)。鋼梁上的彎矩在翼緣處以正應(yīng)力經(jīng)由高強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滑移為了進一步了解自鎖節(jié)點在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)性能,采用有限元軟件ANSYS建立一個平面節(jié)點的有限元模型(見圖6),并進行各種荷載工況下計算。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設(shè)置只壓不拉單元,來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)點約束xyz平動自由度,柱頂端全部節(jié)點約束xy平動自由度。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?？紤]到實際的施工順序,計算過程采用生死單元。整個計算過程可分為預(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)受計算條件的限制,計算過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)生相對滑移。另外,計算過程中未考慮鋼管混凝土柱混凝土的破壞,即認為鋼管混凝土柱混凝土為線彈性材料。因此計算結(jié)果較實際情況的剛度會更大一些,承載力會更高一些。3.2梁端荷載、梁端異向位移進行兩組對比計算:(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。在兩組計算中,每個預(yù)緊螺栓均施加10kN的預(yù)緊力,計算自鎖節(jié)點在梁端同向單調(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如圖7所示。由圖7的計算結(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)點的破壞,因此如果增大蝶形卡的厚度,節(jié)點的屈服前剛度和極限承載力會得到明顯提高;(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)點的性能完全不同,同向滯回曲線很飽滿,而異向滯回曲線捏攏嚴重,異向加載滯回曲線的捏攏現(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并接近零時,蝶形卡與柱之間會出現(xiàn)一段空程滑移,即圖7d在原點附近節(jié)點剛度小的原故。3.3節(jié)點抗拉抗拉結(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),控制著整個蝶形卡的破壞(見圖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,整個節(jié)點的破壞將由受拉側(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)的受拉蝶形卡類似(見圖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,是整個節(jié)點的最關(guān)鍵部位。在構(gòu)件加工過程中,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,這對于節(jié)點的性能是十分不利的。另外,節(jié)點的異向加載滯回曲線捏攏嚴重。因為蝶形卡受拉發(fā)生塑性變形,自鎖肩與柱之間產(chǎn)生間隙Δe+Δp(見圖9b);當荷載反號,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)點的異向加載滯回曲線在原點附近剛度很小。為了防止由于制造誤差導(dǎo)致的自鎖肩壓力的損失,同時也為了提高節(jié)點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,彈簧便會將斜楔塊頂起,填充間隙;而一旦蝶形卡重新受壓,可通過設(shè)置斜楔塊的斜度和摩擦系數(shù)來保證斜楔塊粘附在自鎖板上,不會發(fā)生滑動。5鋼管混凝土柱安裝設(shè)計自鎖節(jié)點將許多機械原理和思維應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程,可以說是一次大膽的嘗試。與常規(guī)的鋼管混凝土-鋼梁連接節(jié)點相比,它的優(yōu)點在于:(1)除了在梁上打螺栓孔,無需對結(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;(2)主要部件——蝶形卡可以作為產(chǎn)品進行工業(yè)化批量生產(chǎn);(3)節(jié)點可以設(shè)置在柱的任意高度;(4)無現(xiàn)場焊接操作,安裝非常簡單。有限元