鋼管混凝土灌漿套筒連接裝置有限元分析

任宏偉，陳建偉，王寧

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

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鋼管混凝土灌漿套筒連接裝置有限元分析

任宏偉1,2，陳建偉1,2，王寧1,2

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

鋼管混凝土；灌漿套筒；連接；有限元分析

以鋼管混凝土灌漿套筒連接裝置節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)，并對(duì)灌漿套筒連接裝置節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)和連接性能進(jìn)行分析。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管混凝土鋼管屈服時(shí)連接裝置并未破壞，說(shuō)明鋼管混凝土灌漿套筒連接受力性能良好，安全可靠，證實(shí)了鋼管混凝土灌漿套筒連接的合理性和可行性。

0引言

將混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的新型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，工作原理是鋼管對(duì)核心混凝土具有套箍的作用[1,2]。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋼和混凝土2種材料各自的優(yōu)勢(shì)，并且具有承載力高、抗震性能良好和施工簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于大跨度、高層和多高層土木工程結(jié)構(gòu)中，尤其是近年來(lái)地震頻發(fā)，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究具有較大的意義。但是在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中存在著很多的節(jié)點(diǎn)連接問(wèn)題，連接形式不統(tǒng)一，缺乏計(jì)算理論，構(gòu)造也比較復(fù)雜， 對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能影響較大，在一定程度上限制了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展[3-5]。因此，解決鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的連接問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算手段來(lái)研究鋼管混凝土連接的受力機(jī)理和抗震性能，為其發(fā)展提供理論參考，保障其可靠地連接，在很大程度上可以推動(dòng)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展，并帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1灌漿套筒連接裝置的構(gòu)造

鋼管混凝土灌漿套筒連接裝置主要是由一個(gè)外徑為219 mm，高為130 mm，厚度為6 mm的無(wú)縫圓鋼管組成。用一塊厚度為15 mm的圓形鋼板焊接在連接套筒內(nèi)側(cè)下沿處，其中圓形鋼板中間部位置留有與被連接鋼管尺寸一致的孔洞，以便與下部鋼管焊接。另外在圓形鋼板與灌漿套筒圓鋼管焊接處分別對(duì)稱等距離焊接了4塊小鋼板，使鋼板與灌漿套筒無(wú)縫圓鋼管之間的鏈接更牢固。上部方鋼管插入連接套筒，在上下方鋼管與灌漿套筒無(wú)縫鋼管的空隙間灌入混凝土灌漿料，通過(guò)灌漿料的粘結(jié)作用，使灌漿套筒連接裝置將上下鋼管混凝土連接在一起。

圖1　連接裝置構(gòu)造圖

2有限元模型的建立

2.1單元選取及網(wǎng)格劃分

采用實(shí)體單元進(jìn)行有限元模型的建立，節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)部的混凝土、灌漿料以及灌漿套筒連接裝置的無(wú)縫圓鋼管等均采用Abaqus有限元軟件自帶的三維實(shí)體單元C3D8R，節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分的有限元網(wǎng)格劃分詳圖如圖2所示。

圖2　節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分的有限元網(wǎng)格劃分詳圖

2.2材料的本構(gòu)模型

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考對(duì)材料強(qiáng)度進(jìn)行選值，在材料的本構(gòu)模型選取時(shí)對(duì)方鋼管和灌漿套筒連接裝置的圓鋼管套筒均采用彈性模量和泊松比都相同的雙折線強(qiáng)化本構(gòu)模型如圖3所示，分別是1.8E+11 Pa和0.3。不同的是2種鋼管的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度：方鋼管屈服強(qiáng)度為348 MPa，極限強(qiáng)度為452 MPa；圓鋼管套筒屈服強(qiáng)度為302 MPa，極限強(qiáng)度為448 MPa。方鋼管內(nèi)部混凝土和連接套筒裝置內(nèi)部灌漿料的泊松比均取0.2，方鋼管內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度取55 MPa，方鋼管與外部圓鋼管套筒之間的灌漿料強(qiáng)度取80 MPa。為了簡(jiǎn)化，方鋼管內(nèi)部的混凝土和灌漿套筒裝置內(nèi)部的灌漿料均采用不產(chǎn)生裂縫的材料。

圖3　鋼管材料本構(gòu)模型　　　　　　　　　　　　圖4　節(jié)點(diǎn)與墻體模型圖

2.3模型的建立與求解

為了便于試驗(yàn)的加載，被連接的上部方鋼管建立了1 200 mm×480 mm的一面鋼管混凝土邊框墻，由于主要是把灌漿套筒連接裝置作為研究對(duì)象，墻體的材料全選為鋼材，套筒連接裝置與墻體的整體加載示意圖如圖5所示。由于試件的對(duì)稱性，只采用了一個(gè)套筒連接裝置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的簡(jiǎn)化。由于試驗(yàn)過(guò)程中灌漿套筒連接裝置的壓縮和拉伸位移非常小，完全可以忽略不計(jì)，因此在模擬加載中把灌漿套筒連接裝置對(duì)應(yīng)墻的另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束處理。為了與實(shí)際試驗(yàn)情況接近，對(duì)于加載位置處進(jìn)行了剛性處理，把集中荷載均勻地分布到墻的加載位置面上。另外在灌漿套筒連接裝置底板預(yù)留孔洞內(nèi)的4個(gè)平面施加6個(gè)自由度的全約束，用以模擬焊接的下部鋼管混凝土柱對(duì)連接套筒裝置的約束作用，如圖6所示。

用位移控制加載對(duì)有限元整體模型進(jìn)行加載，加載方向的最大位移設(shè)計(jì)值為30 mm，圖7為在推力作用下試件整體的應(yīng)力云圖，圖8所示為灌漿套筒連接裝置在開(kāi)始發(fā)生較大塑性變形時(shí)的應(yīng)力云圖與變形圖，圖9為圖8灌漿套筒連接裝置的斜體切面圖。

圖5　加載示意圖　　圖6　鋼管套筒底部的約束情況圖　　圖7　整體應(yīng)力云圖

圖8　鋼管套筒節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖和變形圖　　　　　　　　　圖9　節(jié)點(diǎn)斜體面的切面圖

3結(jié)果分析

3.1力學(xué)性能對(duì)比分析

力和位移曲線是有限元模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的主要內(nèi)容，試驗(yàn)過(guò)程中得到的加載位置處的推力和位移曲線如圖10所示，位移在50 mm時(shí)出現(xiàn)了極限力339 kN。由極限推力值可以通過(guò)彎矩平衡條件計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的灌漿套筒連接裝置位置處的拉力，由墻體1 200 mm×480 mm尺寸的比值得出連接套筒位置處的拉力是加載位置處拉力的2.5倍，因此可以推算出灌漿套筒連接裝置節(jié)點(diǎn)位置的最大拉力為847 kN。

圖10　水平推力與對(duì)應(yīng)位移關(guān)系曲線　　　　　　　　　　圖11　鋼管混凝土柱截面形心c點(diǎn)

如圖11取C點(diǎn)為鋼管混凝土柱模型截面的形心，設(shè)C點(diǎn)與整個(gè)截面剛性連接，它所受的拉力即為上部墻體提供的全部拉力，因此可以根據(jù)C點(diǎn)的拉力值與另一灌漿套筒連接裝置處的反力值大小相等，建立了C點(diǎn)拉力與位移的關(guān)系曲線，從圖12可以看出，C點(diǎn)的最大拉力值為806 kN，通過(guò)試驗(yàn)與有限元的模擬力和位移曲線的對(duì)比可以看出，試驗(yàn)值與模擬值比較接近，說(shuō)明模擬效果較好。

3.2節(jié)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)分析

由圖8可以看出，灌漿套筒連接裝置的上邊緣和被連接的鋼管混凝土鋼管首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，由于不考慮各個(gè)部分的混凝土開(kāi)裂，因此在破壞時(shí)忽略了混凝土，只看連接套筒裝置和被連接鋼管的變形，如圖13所示，鋼管混凝土鋼管的下部先出現(xiàn)極限應(yīng)力，最先破壞，其余部分也均發(fā)生了較大的塑性變形。

圖12　C點(diǎn)的拉力與位移關(guān)系曲線　　　　　　　　　　圖13　塑性變形發(fā)展較大時(shí)的應(yīng)力云圖

4結(jié)論

(1)鋼管混凝土灌漿套筒裝置在模擬加載時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在裝置的上沿以及與下部方管連接鋼板的位置，裝置在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)增加這2個(gè)部位的強(qiáng)度。

(2)鋼管混凝土灌漿套筒裝置設(shè)計(jì)合理，承載力高，安全可靠，被連接的鋼管混凝土鋼管屈服時(shí)，連接套筒并未破壞。

(3)采用有限元數(shù)值模擬對(duì)鋼管混凝土灌漿套筒連接裝置進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析和有限元模擬結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中試件的破壞形態(tài)與有限元模擬分析破壞形態(tài)基本一致，吻合良好，驗(yàn)證了有限元模擬方法的合理性。

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Finite Element Analysis of Connection of Grouting Sleeve for Concrete-filled Steel Tube

REN Hong-wei1,2,CHEN Jian-wei1,2,WANG Ning1,2

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology,Tanshan Heibei 063009,China;2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,Tangshan Hebei 063009,China)

concrete-filled steel tube;grouting sleeve;connection;finite element analysis

With concrete filled steel tube grouting sleeve connection node as the object of study, to simulate the load test using the ABAQUS finite element software, failure patterns and connections on the grouting sleeve and connecting performance analysis. Simulation results show that the yield of concrete filled steel tube connecting device is not destroyed, that concrete filled steel tube grouting sleeve is connected with a good mechanical performance, safety and reliability, confirmed the rationality and feasibility of the concrete filled steel tube grouting sleeve connection.

2095-2716(2015)04-0108-05

TU528.59

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