钢管混凝土柱自锁节点有限元分析

钢管混凝土柱自锁节点有限元分析

由于其承载性高、弹性好、施工方便等优点，深受设计和施工人员的喜爱。钢管混凝土房屋建筑结构中,最常见的梁柱节点连接形式如图1所示。钢管混凝土柱-钢梁连接节点的构造比较复杂,施工难度较大,存在设置内外加强环板、穿心钢梁等问题,导致焊接工作量大,成本增加;如果柱内部设置加强环板,混凝土的浇捣困难;但是由于钢管混凝土-钢梁连接节点的复杂性,导致每个节点都要特别制作,成本很高;同时实现工业化大规模生产非常困难。如何将钢管混凝土柱与钢梁安全、可靠、简便、经济地连接起来,成为钢管混凝土结构以及钢结构研究中的一个重要问题。为了克服已有的钢管混凝土柱-钢梁连接节点的种种缺点,实现钢管混凝土-钢梁连接节点的工业化生产和现场快速装配,研发一种新型的节点——自锁节点。本文将对这个节点作相关介绍,并进行初步力学性能分析。1柱上自锁肩的安装自锁节点主要由摩擦抗剪板和蝶形卡组成,另外还配有预紧螺栓、高强螺栓、自锁肩等零部件,如图2所示。通过介绍平面框架中自锁节点的安装流程,详细认识节点的各个组成部分。2)安装下蝶形卡(见图3b)蝶形卡是自锁节点的最主要部件,顶在柱上的部位称为自锁肩,另有特殊处理。安装下蝶形卡的时候,可同时安装预紧螺栓并施加一个较小的预紧力,以便固定摩擦抗剪板的位置。预紧螺栓是给蝶形卡施加预紧力的高强螺栓,由于角度原因,预紧螺栓在图3b中看不到,可参考图3d。3)吊装钢梁(见图3c)将打好螺栓孔的钢梁吊装就位,并将钢梁与抗剪板通过高强螺栓连接。此时可调整下蝶形卡的位置,安装连接下蝶形卡和梁翼缘的高强螺栓,但高强螺栓不可拧紧,以防进一步施加预紧力时,下蝶形卡的变形被约束。4)安装上蝶形卡(见图3d)同样可以安装上蝶形卡的预紧螺栓和高强螺栓,但不可拧紧。5)拧紧螺栓上下蝶形卡的预紧螺栓施加预紧力到位,然后拧紧所有高强螺栓。至此完成自锁节点的安装。以上安装流程仅做参考,实际应用中可根据施工便利调整一些安装顺序。2劳动原理与沟通能力的分析2.1抗弯板与柱之间的摩擦以1/4简化结构分析蝶形卡的受力及工作原理(见图4a)。蝶形卡在自锁肩处与柱接触。当在蝶形卡外侧预紧螺栓处施加荷载F,自锁肩处必然产生一对互相作用的正压力P和N。实际结构中,外荷载F由预紧螺栓施加(见图4b),自锁肩与抗剪板之间、抗剪板与柱之间均产生互相作用的正压力,正压力使抗剪板与柱之间产生摩擦力。而这个摩擦力要承担钢梁上剪力的作用。2.2作用力上传柱上钢梁上的剪力通过腹板传到抗剪板上,再通过自锁肩处抗剪板与柱间的摩擦力传到柱上(见图5a)。钢梁上的弯矩在翼缘处以正应力经由高强螺栓传递到蝶形卡上,最终转化为连接板上的拉力或者自锁肩顶到柱上的压力(见图5b)。所以自锁肩处是正应力和剪应力传递的必经之路。3力学研究3.1钢管混凝土柱的相对滑移为了进一步了解自锁节点在结构中的力学性能,采用有限元软件ANSYS建立一个平面节点的有限元模型(见图6),并进行各种荷载工况下计算。1)模型尺寸钢管混凝土柱截面350mm×350mm,高1400mm,钢管壁厚10mm。钢梁截面240mm×300mm×18mm×14mm,长1200mm。2)位移约束钢管混凝土柱与摩擦抗剪板之间、摩擦抗剪板与自锁肩之间通过设置只压不拉单元,来模拟彼此之间受压接触、受拉脱离的现象;蝶形卡与钢梁翼缘之间、摩擦抗剪板与钢梁腹板之间在高强螺栓处耦联全部自由度,模拟螺栓的连接作用;另外,柱底端全部节点约束xyz平动自由度,柱顶端全部节点约束xy平动自由度。3)荷载工况自重、柱顶压力、梁端荷载、预紧螺栓的预紧力。考虑到实际的施工顺序,计算过程采用生死单元。整个计算过程可分为预应力态和荷载态两部分:(1)预应力态杀死钢梁,预紧螺栓降温施加预紧力;(2)荷载态激活钢梁,施加柱顶压力及梁端荷载。4)受计算条件的限制,计算过程中并未考虑钢管混凝土柱与摩擦抗剪板之间的接触摩擦。因此假定自锁肩、抗剪板、柱之间不发生相对滑移。另外,计算过程中未考虑钢管混凝土柱混凝土的破坏,即认为钢管混凝土柱混凝土为线弹性材料。因此计算结果较实际情况的刚度会更大一些,承载力会更高一些。3.2梁端荷载、梁端异向位移进行两组对比计算:(1)第1组蝶形卡自锁板厚20mm,连接板厚18mm;(2)第2组蝶形卡自锁板厚24mm,连接板厚22mm。在两组计算中,每个预紧螺栓均施加10kN的预紧力,计算自锁节点在梁端同向单调荷载、梁端异向单调荷载、梁端同向滞回荷载、梁端异向滞回荷载作用下的结构反应。提取梁端荷载随梁端竖向位移的变化曲线如图7所示。由图7的计算结果可以得出以下结论:(1)由于在算例中的梁刚度大,蝶形卡控制着节点的破坏,因此如果增大蝶形卡的厚度,节点的屈服前刚度和极限承载力会得到明显提高;(2)异向加载比起同向加载刚度更小一些,极限承载力更低一些;(3)同向滞回加载与异向滞回加载,节点的性能完全不同,同向滞回曲线很饱满,而异向滞回曲线捏拢严重,异向加载滞回曲线的捏拢现象是由于蝶形卡受拉发生塑性变形,从而使自锁肩间距加大,因此在梁端荷载反号并接近零时,蝶形卡与柱之间会出现一段空程滑移,即图7d在原点附近节点刚度小的原故。3.3节点抗拉抗拉结构提取蝶形卡在预应力态的等效应力分布云图、同向加载荷载态等效塑性应变分布云图、异向加载荷载态等效塑性应变分布云图,如图8所示。1)预应力态蝶形卡的连接板是拉应力最大的部位,自锁肩是压应力最大的部位。而连接板上靠近自锁肩的位置,同时承受拉力、弯矩、扭矩,应力状态十分复杂,也是预应力态蝶形卡上最薄弱的部位(见图8a)。2)同向加载荷载态受拉一侧的蝶形卡连接板发生向内侧的变形,连接板与自锁肩相连的位置是最主要的塑性区,控制着整个蝶形卡的破坏(见图8b);而受压一侧的蝶形卡连接板发生向外侧的变形,塑性变形不仅出现在连接板与自锁肩相连的位置,还出现在自锁板上螺栓的位置(见图8c)。因此受压一侧的蝶形卡塑性变形要比受拉一侧的蝶形卡小得多,整个节点的破坏将由受拉侧蝶形卡的连接板控制。3)异向加载荷载态上下两侧的蝶形卡连接板实际都处于受拉状态,其变形、应变分布与同向加载荷载态的受拉蝶形卡类似(见图8d)。但同向加载受拉蝶形卡的自锁肩与柱脱离,自锁板均受拉;而异向加载蝶形卡有一侧的自锁肩顶在柱上,这一侧的自锁板处于受压状态。4节点压力丧失自锁肩处是正应力和剪应力传递的必经之路,是整个节点的最关键部位。在构件加工过程中,制造误差是难免的,制造误差有可能导致二者吻合不良。如图9a所示,如果柱和自锁肩间存在间隙δ,则蝶形卡本身的变形将导致自锁肩和柱之间压力的丧失,这对于节点的性能是十分不利的。另外,节点的异向加载滞回曲线捏拢严重。因为蝶形卡受拉发生塑性变形,自锁肩与柱之间产生间隙Δe+Δp(见图9b);当荷载反号,弹性变形部分Δe恢复后,在塑性变形Δp这一段内蝶形卡是空程滑移。因此,节点的异向加载滞回曲线在原点附近刚度很小。为了防止由于制造误差导致的自锁肩压力的损失,同时也为了提高节点在滞回荷载下的耗能能力,自锁肩处构造措施如图10所示。一旦蝶形卡受拉,自锁肩与柱之间出现间隙,弹簧便会将斜楔块顶起,填充间隙;而一旦蝶形卡重新受压,可通过设置斜楔块的斜度和摩擦系数来保证斜楔块粘附在自锁板上,不会发生滑动。5钢管混凝土柱安装设计自锁节点将许多机械原理和思维应用于结构工程,可以说是一次大胆的尝试。与常规的钢管混凝土-钢梁连接节点相比,它的优点在于:(1)除了在梁上打螺栓孔,无需对结构构件(钢梁和钢管混凝土柱)做其他任何的处理或改动;(2)主要部件——蝶形卡可以作为产品进行工业化批量生产;(3)节点可以设置在柱的任意高度;(4)无现场焊接操作,安装非常简单。有限元