基于ABAQUS的斜交網(wǎng)格轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)受力性能有限元分析

郭淦良

(華南理工大學(xué)審計(jì)處，廣東廣州 510640)

基于ABAQUS的斜交網(wǎng)格轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)受力性能有限元分析

郭淦良

(華南理工大學(xué)審計(jì)處，廣東廣州 510640)

為了解斜交網(wǎng)格中Y型轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)的受力性能，以深圳某超高層建筑交叉網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用ABAQUS 軟件對(duì)基礎(chǔ)與首層轉(zhuǎn)換層Y型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了正常使用條件下的數(shù)值模擬，分析帶內(nèi)隔板方鋼管混凝土柱-鋼梁剛性節(jié)點(diǎn)的受力和變形特征，驗(yàn)證其構(gòu)造的合理性。數(shù)值模擬結(jié)果表明：加載過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)變形不顯著，斜柱將先于節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞，節(jié)點(diǎn)區(qū)將能有效傳遞斜柱內(nèi)力，起到良好的聯(lián)結(jié)作用，滿足節(jié)點(diǎn)承載力大于構(gòu)件承載力的強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則。

鋼管混凝土；斜交網(wǎng)格；轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)；ABAQUS有限元分析

矩形鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)外形美觀，已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)支、主管直接焊接的矩形鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的受力性能有較多的研究[1-6]。帶內(nèi)隔板的矩形鋼管混凝土柱與鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造已被中國(guó)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7]列為推薦形式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管相貫混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，并對(duì)多種類型的節(jié)點(diǎn)提出了承載力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[8-10]。但這些研究主要是針對(duì)垂直正交節(jié)點(diǎn)，對(duì)多向斜交節(jié)點(diǎn)的相關(guān)研究報(bào)道較少。為驗(yàn)證矩形鋼管混凝土斜交網(wǎng)格轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性及是否滿足設(shè)計(jì)承載力要求，促進(jìn)該結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用，本文以深圳某超高層建筑斜交網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與首層轉(zhuǎn)換層Y型節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用ABAQUS軟件對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，分析復(fù)雜節(jié)點(diǎn)中內(nèi)部混凝土及橫隔板的受力變形，揭示此類節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理，探討主管內(nèi)填混凝土及橫隔對(duì)矩形鋼管節(jié)點(diǎn)性能的改善。

1 建立模型

選取某實(shí)際工程的矩形鋼管混凝土轉(zhuǎn)換層交叉柱節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，分析模型與實(shí)際節(jié)點(diǎn)幾何尺寸相似比選為1∶3，荷載相似比為1∶9，節(jié)點(diǎn)的梁柱長(zhǎng)度綜合考慮受力反彎點(diǎn)和后期實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備和空間的限制而確定，能夠反映原型節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。該節(jié)點(diǎn)共匯交了3根矩形鋼管混凝土柱和2根H型鋼梁，下柱為豎直柱，與梁正交，上柱為單向傾斜柱，與水平方向夾角約67°，整個(gè)節(jié)點(diǎn)模型左右對(duì)稱。節(jié)點(diǎn)建模時(shí)，在兩斜柱端放置剛度很大、厚度40 mm的墊塊，通過(guò)施加與該墊塊耦合的集中力來(lái)對(duì)桿件進(jìn)行軸壓加載。

試件三維模型及桿件編號(hào)和截面尺寸分別如圖1和圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)三維模型Fig.1 3D model of transfer joint

圖2 模型桿件編號(hào)及截面尺寸Fig.2 Code and cross-sectional dimension of model pole

節(jié)點(diǎn)鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度為Q345B，管內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C60，外鋼管采用厚度為20 mm的鋼板，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)部采用縱、橫向肋板及水平隔板進(jìn)行局部加強(qiáng)，加強(qiáng)措施如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)試件加強(qiáng)措施示意圖Fig.3 Strengthen measures of transfer joint

1.1鋼材的彈塑性本構(gòu)模型

鋼材采用ABAQUS自帶的彈塑性模型，該模型采用Von Mises 屈服準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化法則，能較好地模擬低碳鋼的彈塑性性能。其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用三折線模型加以模擬[11](見(jiàn)圖4)。

圖4 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.4 Stress-strain curve of steel

(1)

彈性模量取為2.06×105MPa，彈性段泊松比取為0.3。

1.2混凝土的本構(gòu)模型

節(jié)點(diǎn)內(nèi)的混凝土采用ABAQUS提供的塑性損傷模型(damage plasticity model)。塑性損傷模型適用于混凝土等準(zhǔn)脆性材料，它是在LUBLINER等提出的模型的基礎(chǔ)上建立的。

在ABAQUS塑性損傷模型參數(shù)輸入時(shí)，本文采用的核心混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式見(jiàn)式(2)[12]?；炷恋膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖見(jiàn)圖5。

(2)

式中x=ε/εp,y=σ/fc,β0的取值可根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)查文獻(xiàn)[13]中的相關(guān)參數(shù)表。

圖5 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.5 Stress-strain curve of concrete

1.3有限元網(wǎng)格劃分

合理的網(wǎng)格劃分不僅能使計(jì)算結(jié)果取得較好的精度，而且能大大減少計(jì)算工作量。針對(duì)底部轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)模型的特點(diǎn)，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的桿件選用8節(jié)點(diǎn)6面體規(guī)則單元，內(nèi)部混凝土也全部選用8節(jié)點(diǎn)6面體單元，形狀復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)水平內(nèi)隔板選用10節(jié)點(diǎn)4面體單元。有限元模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖6。

圖6 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Finite element model meshing

混凝土與鋼管之間認(rèn)為是牢固黏結(jié)的，相互間沒(méi)有相對(duì)黏結(jié)滑移，故混凝土外表面與外鋼板之間采用綁定(tie)約束，內(nèi)隔板嵌入混凝土(embedded)內(nèi)部，以保證與混凝土共同受力。由于實(shí)際構(gòu)件中鋼梁和柱子是焊接在一起的，故有限元分析建模時(shí)，使梁和柱共節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)梁柱端接近于反彎點(diǎn)，為了重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力變形特征，特使鋼梁端和下柱端固結(jié)，約束6個(gè)方向的自由度[13]。

1.4節(jié)點(diǎn)模型有限元計(jì)算和分析

該縮尺節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)荷載為2 000 kN，為了評(píng)價(jià)該節(jié)點(diǎn)的受力性能，分別考慮2種加載方式：①對(duì)稱加載，兩斜柱端同步加載至7 000 kN，考查節(jié)點(diǎn)在對(duì)稱荷載作用下的受力性能；②非對(duì)稱加載，兩斜柱同步長(zhǎng)分別加載至7 000 kN和3 500 kN，考查節(jié)點(diǎn)在非對(duì)稱荷載下的受力和變形特征。

1.4.1 對(duì)稱加載有限元分析結(jié)果

模型節(jié)點(diǎn)在對(duì)稱同步加載下柱端荷載-位移曲線見(jiàn)圖7。從圖7可看出，節(jié)點(diǎn)在達(dá)到設(shè)計(jì)荷載2 000 kN時(shí)沒(méi)有屈服，柱端最大位移是0.31 mm，受力到7 000 kN時(shí)仍沒(méi)屈服，此時(shí)加載端的位移為1.12 mm。

圖7 對(duì)稱加載下柱端荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of column end under symmetrical load

計(jì)算求得節(jié)點(diǎn)在對(duì)稱加載時(shí)兩柱端均加至7 000 kN荷載下的Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8。

圖8 對(duì)稱荷載下有限元分析結(jié)果Fig.8 Finite element analysis results under symmetrical load

轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)對(duì)稱加載模式下，兩加載端均加載至7 000 kN時(shí)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大處集中在加載區(qū)域，內(nèi)部水平隔板在加載端承受很大的力，大大減小了內(nèi)部混凝土端部的應(yīng)力。外鋼管和內(nèi)隔板在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)力相對(duì)較小，內(nèi)部混凝土在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。兩上柱(C1，C2)加載端部及柱根部局部屈服，整個(gè)節(jié)點(diǎn)并未達(dá)到其屈服承載力，仍能繼續(xù)加載。節(jié)點(diǎn)的變形集中在加載區(qū)域，由于隔板和鋼梁的約束作用，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的變形很小。

1.4.2 非對(duì)稱加載的有限元分析結(jié)果

模型節(jié)點(diǎn)在非對(duì)稱同步加載下柱端荷載-位移曲線見(jiàn)圖9。從圖9可看出，節(jié)點(diǎn)在達(dá)到設(shè)計(jì)荷載2 000 kN和1 000 kN時(shí)沒(méi)有屈服，柱端最大位移分別是0.29 mm和0.16 mm，受力分別到7 000 kN和3 500 kN時(shí)仍沒(méi)屈服，此時(shí)加載端的位移分別為1.06 mm和0.56 mm。

計(jì)算求得節(jié)點(diǎn)非對(duì)稱加載在C1柱端加至7 000 kN(C2柱相應(yīng)的荷載為3 500 kN)荷載下的Mises應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖10。

轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)非對(duì)稱加載下，C1柱端加至7 000 kN (C2柱相應(yīng)的荷載為3 500 kN)時(shí)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力最大處集中在7 000 kN加載端區(qū)域，內(nèi)部水平隔板在加載端承受很大的力，大大減小了加載端內(nèi)部混凝土的應(yīng)力。在7 000 kN的作用線附近外鋼管應(yīng)力較大，混凝土和內(nèi)隔板在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)力相對(duì)較小，內(nèi)部混凝土在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。C1加載力作用線附近區(qū)域的外鋼板、內(nèi)隔板及混凝土均出現(xiàn)局部屈服。整個(gè)節(jié)點(diǎn)并未屈服，仍能繼續(xù)加載。節(jié)點(diǎn)的變形集中在7 000 kN加載區(qū)域，由于力的傳遞作用，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)在3 500 kN加載側(cè)的變形相對(duì)另一側(cè)的變形稍大。整個(gè)節(jié)點(diǎn)由于不對(duì)稱受力，兩斜柱夾角位移較大，出現(xiàn)了一定的扭轉(zhuǎn)。

圖9 非對(duì)稱同步加載下柱端荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of column ends under asymmetric loads

圖10 非對(duì)稱荷載下有限元分析結(jié)果Fig.10 Finite element analysis results under asymmetrical loads

2 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)某高層建筑帶內(nèi)隔板的轉(zhuǎn)換層Y型方鋼管混凝土柱-鋼梁剛性節(jié)點(diǎn)試件有限元分析，研究了節(jié)點(diǎn)在對(duì)稱加載和非對(duì)稱加載情況下的力學(xué)性能，得到了如下主要結(jié)論。

1)對(duì)于對(duì)稱加載和非對(duì)稱加載2種工況，轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)的屈服程序均是桿件先屈服，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)隨后局部屈服，節(jié)點(diǎn)總體能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)-弱桿件”的抗震要求。在加載至設(shè)計(jì)荷載2 000 kN時(shí)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)均處于彈性工作狀態(tài)。至7 000 kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)塑性發(fā)展還有很大空間，由此可以推斷該節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度較高，受力比較合理，延性較好，安全儲(chǔ)備較高，使用該節(jié)點(diǎn)具有一定的可靠性和實(shí)用性。

2)節(jié)點(diǎn)域內(nèi)隔板的受力性能良好，保證在內(nèi)隔板的有效凈截面大于梁的翼緣截面時(shí)，內(nèi)隔板不會(huì)發(fā)生破壞，破壞只發(fā)生在柱梁端。

3)有限元分析結(jié)果顯示，梁柱連接處內(nèi)部混凝土的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，若采用圓角的連接構(gòu)造方式，可有效改善內(nèi)部混凝土的受力性能。

4)盡管水平隔板在節(jié)點(diǎn)受力過(guò)程中應(yīng)力并不大，但鑒于該結(jié)構(gòu)體系為一個(gè)新興體系，桿件體量大且無(wú)過(guò)多贅余聯(lián)系，提高節(jié)點(diǎn)的安全儲(chǔ)備意義重大。另外，轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)承上啟下，對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部加強(qiáng)是完全必要的，因此，建議底部轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)仍然保留加勁肋。

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Finite element analysis on mechanical behavior of transfer joint used in obliquely crossing lattice based on ABAQUS

GUO Ganliang

(Auditing Division, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

In order to study the mechanical behavior of the Y-shaped joints in the oblique crossing lattice, the numerical simulations are carried out using the ABAQUS software on a transfer joint in obliquely crossing lattice in one extra high-rise structure in Shenzhen. The stress state and deformation behavior of concrete-filled square tube column and steel beam rigid joint with internal diagrams are analyzed. The results of the numerical simulation show that in the loading process， the deflection of the joint core is insignificant under good connection, the joint core is able to deliver the internal force effectively before the damage of the oblique column occurs, and it meets the requirement of "strong joint, weak column"．

concrete filled steel tube (CFST); obliquely crossing lattice; transfer joint; ABAQUS FEA

1008-1534(2014)04-0281-05

2014-03-10;

2014-03-31；責(zé)任編輯：馮 民

郭淦良(1967-)，男，廣東廣州人，工程師，碩士，主要從事工程項(xiàng)目管理和工程跟蹤審計(jì)方面的研究。

E-mail:13808889423@139.com

TU973.17；TU317.1

A

10.7535/hbgykj.2014yx04003

郭淦良.基于ABAQUS的斜交網(wǎng)格轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)受力性能有限元分析[J].河北工業(yè)科技,2014,31(4):281-285. GUO Ganliang.Finite element analysis on mechanical behavior of transfer joint used in obliquely crossing lattice based on ABAQUS[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(4):281-285.