螺栓连接矩形钢管混凝土梁柱平面框架力学性能分析

螺栓连接矩形钢管混凝土梁柱平面框架力学性能分析

姜禾峰孟海怡王颖

沈阳工业大学建筑与土木工程学院辽宁省沈阳市110870

摘要：为了研究螺栓连接矩形钢管混凝土梁柱平面框架力学性能，通过选用合理的材料本构关系，进行有限元分析，用前期的试验数据与有限元计算结果对比，选择出与试验吻合较好的有限元模型。研究表明：螺栓连接矩形钢管混凝土框架具有良好的力学性能，从施工的角度进行分析，螺栓连接形式的钢管混凝土框架结构由于其拥有无需现场焊接、便于安装及对工人技术要求不高等优势，因此采用该种连接形式的钢管混凝土梁柱框架结构比其他连接形式的钢管混凝土梁柱框架结构更有利于应用推广。

关键词：钢管混凝土，框架，有限元分析，抗震性能

钢管混凝土结构相比于钢筋混凝土结构，具有承载力较高，施工进度快，节省模板费用和抗震性能好等优点，在现代工程大跨、高耸、重载建筑中的应用越来越广泛。目前国内外的研究人员对钢管混凝土构件的力学性能、使用性能与耐久性等方面都做了较多的研究，然而对一榀框架及整个结构的研究还很少，这样只是对单一构件的研究往往不能够完全真实地模拟出结构的其他构件与其的影响，而这也就不能够完全的反应出构件的真实受力情况。因此对钢管混凝土结构整体上进行研究非常必要。本文是为钢管混凝土组合结构在工程中的应用提供指导研究，采用大型有限元软件ABAQUS对单跨单层矩形钢管混凝土框架进行仿真模拟，荷载类型分别为单向、循环荷载。利用ABAQUS对梁柱线刚度比变化情况下的单跨单层矩形钢管混凝土框架进行有限元计算分析，通过各种结果数据分析对比，找出影响钢管混凝土梁柱框架结构力学性能的关键因素，为该结构的优化设计提出合理建议，为其在实际的工程的应用提供依据。

1有限元模型建立

1.1钢材本构关系

在本文中采用适应于流幅较短软钢的三折线模型，它是简化了二次塑流模型而得到的本构模型，描述了钢材在屈服后发生硬化的现象，其应力-应变曲线如图1所示。

1.3有限元计算模型

在试验中，钢梁与法兰板、钢梁与扩展板、扩展板与法兰板、钢柱与端板以及钢梁与端板之间存在焊缝。采用壳单元S4R来模拟钢管，所选用的混凝土、端板、扩展板、法兰板这些部件均采用采用C3D8R单元模型来模拟，螺栓采用10.9级的高强螺栓。对接触面属性的定义主要应考虑接触面之间的法向作用和切向作用。接触面之间的法向作用选用“硬接触”来定义，采用“罚”函数来定义摩擦阻力，钢材与混凝土之间的摩擦系数为0.6，钢材与钢材之间摩擦系数为0.2。

图2约束混凝土塑性应力-应变曲线

Fig.2Confinedconcreteplasticstress-straincurves

端板与钢柱，端板、扩展板与钢梁，扩展板与法兰板之间是通过绑定来定义接触。钢管混凝土框架模型尺寸如图3所示。有限元软件建立的框架模型及单元划分模型如图4所示。

图4框架模型网格划分

Fig.4Frameworkmodelgridpision

1.4边界条件及加载方式

本文对框架的截面施加约束和荷载作用是通过参考点实现，在梁端、柱底或柱顶截面设立参考点，模型使参考点与加载面进行耦合，这样模拟对加载面的作用可以施加在相应的参考点上[4]。对框架的水平荷载作用分为单调荷载和循环荷载，框架的单调荷载的作用，采用位移加载方式，对框架进行循环荷载的加载方式如图5所示。

图5梁端加载制度

Fig.5Beamendloadingsystem

2单调荷载作用下不同梁柱线刚度比框架的有限元分析

2.1框架的应力云图

线刚度是结构力学的一个名词，其表达式为：i=EI/L，式中：E为弹性模量，I为截面惯性矩，L为构件计算长度。梁柱线刚度之比k=ib/ic是决定框架整体性能的一个重要因素，这是因为梁柱线刚度的比值直接影响荷载在梁柱之间的分配情况，进而影响到整个框架结构的受力分配[5-6]。本文所研究的梁柱线刚度比的改变通过改变柱的高度来实现的，其中后两种框架柱的计算高度分别是原框架柱计算高度的0.75和0.5，这三种框架所对应的梁柱线刚度比分别是：0.737、0.553、0.368。本文通过改变框架柱的高度来改变梁柱线刚度比进行计算模拟，其应力云图如图6所示。

图6不同梁柱线刚度比的框架的部件应力云图

Fig6Componentstresscloudimageofframewithdifferentbeamcolumnlinestiffnessratio

图中是螺栓连接的钢管混凝土框架在三种不同梁柱线刚度比的作用下在梁左端施加300mm的单调位移荷载所得到的应力云图。图6所示的应力云图主要包括不同梁柱线刚度下的钢管应力云图、混凝土应力云图，下面将从应力云图情况来分析单调荷载作用下框架的破坏。

对比不同梁柱线刚度比下框架的钢管、混凝土和螺栓的应力云图，可以发现：

（1）不同梁柱线刚度比下钢材的应力对比

1）不同梁柱线刚度比的框架在水平荷载作用下，扩展板与柱底加劲板首先屈服。

2）梁柱线刚度比对框架的钢管应力影响较大，在对框架施加相同的位移荷载时，梁柱线刚度比较小的框架的钢管应力较大，从而可以推出，梁柱线刚度比较大的框架刚度较大。

3）梁端扩展板与柱底加劲板均先屈服，有效地保护了梁柱截面的结构安全。

（2）不同梁柱线刚度比下混凝土的应力对比

1）在相同位移荷载作用下，框架的混凝土的破坏区域随着梁柱线刚度比减小而增加。

2）在相同位移荷载作用下，梁柱线刚度比较大的框架的柱顶与柱底均有应力集中的部位，这些区域随着梁柱线刚度比的增加而增大。

2.2不同梁柱线刚度比框架的极限承载力分析

不同梁柱线刚度比框架在单调荷载作用下其梁端水平荷载与位移的曲线如图7所示。

图7不同梁柱线刚度比的钢管混凝土框架荷载-位移曲线

Fig.7Loaddisplacementcurveofconcretefilledsteeltubularframewith

differentbeamcolumnlinestiffnessratio

通过不同梁柱线刚度比下框架的荷载-位移曲线可知：当位移较小时，不同梁柱线刚度下钢管混凝土框架的梁端承载力值均会随着位移的增加而呈现线性增长；当位移继续增加，荷载值的增长会变慢，最终趋于稳定；框架的水平极限承载力随着梁柱线刚度比的增加而减少，弹性阶段的侧移刚度也会减小；梁柱线刚度比从0.737减小到0.553，减小值为0.184，框架在弹性阶段的侧移刚度增加了6.1×107N/m，框架在位移为300mm处的水平承载力增加了149.00kN；梁柱线刚度比从0.553减小到0.368，减小值为0.185，框架在弹性阶段的侧移刚度增加了16.42×108N/m，框架在位移为300mm处的水平承载力增加了794.78kN，由此可知：梁柱线刚度比越小，框架的侧移刚度和水平承载力受梁柱线刚度比的影响越大。当梁柱线刚度比减小时，框架梁端的水平承载力会上升，这是由于本研究是通过减小柱的高度来减小梁柱线刚度比，这样会直接增大柱的线刚度。

3结论

本研究计算了框架模型，通过对比分析得出了以下结论：

（1）基于ABAQUS研究了有限元中钢材本构模型的适用性，三折线模型最适用本研究的分析。

（2）对螺栓连接矩形钢管混凝土框架进行了单调荷载作用下的有限元分析，研究了梁柱线刚度比对框架性能的影响，结果表明：螺栓连接钢管混凝土框架具有良好的力学性能；梁柱线刚度比对框架水平承载力和侧移刚度均有较大影响。梁柱线刚度比越小，对框架弹性阶段的水平承载力和侧移刚度影响均越大。

参考文献：

[1]刘志全．钢管混凝土及钢结构梁柱节点受力性能有限元分析[D]．沈阳：沈阳工业大学，2014．

[2]刘威．钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D]．福州：福州大学，2005．

[3]聂建国，王宇航．ABAQUS中混凝土本构模型用于模拟结构静力行为的比较研究[J]．工程力学，2013，30（4）：59-67．

[4]中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[5]白国良，孙海水，李晓文等．基于梁柱线刚度比的型钢混凝土柱-钢梁混合框架静力弹塑性分析[J]．建筑结构，2009，39（4）：7-9．

[6]NieJG，WangYH．Researchandoptimizationonlaminatedsteeltubecolumn-concretebeamjointswithouterstiffeningring[J].ChinaTechnologicalSciences，2013，56（5）：1282.