鋼管混凝土框架穿心節(jié)點連續(xù)倒塌數(shù)值模擬

王　來,楊紅燕，陳海濤

(1.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 山東青島266590;2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 山東青島266590)

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鋼管混凝土框架穿心節(jié)點連續(xù)倒塌數(shù)值模擬

王來1,2,楊紅燕1,2，陳海濤1,2

(1.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 山東青島266590;2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 山東青島266590)

摘要：為了研究穿心節(jié)點形式對鋼管混凝土柱—鋼梁連續(xù)倒塌的影響及不同參數(shù)下的力學(xué)性能，利用ANSYS有限元軟件，采用非線性靜力方法對2層2跨的穿心節(jié)點平面鋼管混凝土框架進(jìn)行抗連續(xù)倒塌性能研究，主要研究在中柱失效后框架的剩余結(jié)構(gòu)在內(nèi)力重分布過程中的受力特性、傳力機(jī)制，并著重分析不同的節(jié)點連接形式對平面框架抗連續(xù)倒塌性能的作用，探討了鋼梁截面高度等重要參數(shù)對關(guān)鍵柱破壞后框架抗連續(xù)倒塌性能的影響。結(jié)果表明，穿心節(jié)點平面框架的抗拉性能優(yōu)于不穿心節(jié)點平面框架的，在結(jié)構(gòu)體系中能更充分發(fā)揮“懸索作用”階段結(jié)構(gòu)體系的性能；增大框架鋼梁截面高度能顯著提高結(jié)構(gòu)在過渡階段和懸索階段的性能。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)工程；鋼管混凝土框架；穿心節(jié)點；連續(xù)倒塌；懸索作用

當(dāng)結(jié)構(gòu)的某一部位發(fā)生局部破壞時，這種破壞將向外擴(kuò)展，造成相鄰構(gòu)件的連續(xù)破壞，最終造成與初始局部破壞不相當(dāng)?shù)拇竺娣e破壞或整體性破壞，這就是結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌[1-5]。當(dāng)結(jié)構(gòu)中的豎向承重構(gòu)件發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)將通過失效柱上方的節(jié)點和梁組成新的傳力路徑，將本該通過失效柱向下傳遞的上方荷載橫向傳遞給相鄰構(gòu)件，或直接由節(jié)點和梁組成的“懸索作用”來承擔(dān)荷載。

在抗倒塌設(shè)計中,要想將上部荷載安全的傳遞給相鄰構(gòu)件，充分發(fā)揮懸鏈線效應(yīng)，則應(yīng)采用變形能力好、傳力好的節(jié)點。為豎向承重構(gòu)件發(fā)生破壞之后提供新的荷載傳遞路徑是結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計中很重要的方面。所以，在結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計中節(jié)點的設(shè)計將起著非常重要的作用。倒塌過程中節(jié)點承受拉力作用和彎矩作用，而在倒塌前節(jié)點只承受彎矩作用，拉力會影響節(jié)點抗彎性能。以往抗連續(xù)倒塌研究大多側(cè)重于框架的整體研究，而節(jié)點性能研究則通常采用簡化的邊界條件，對于在彎矩和拉力共同作用下節(jié)點的研究較少。本文主要利用有限元軟件ANSYS，結(jié)合已有的理論分析和實驗研究成果,進(jìn)行了對鋼管混凝土柱—鋼梁穿心節(jié)點平面框架連續(xù)倒塌過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

1穿心節(jié)點的構(gòu)造機(jī)理與計算模型

1.1穿心節(jié)點

目前鋼管混凝土節(jié)點類型主要有加強(qiáng)環(huán)式、承重銷式、穿心鋼板式、肋板式、鋼筋環(huán)繞式、鋼筋混凝土環(huán)梁式[6]。鋼管混凝土柱—鋼梁穿心節(jié)點即鋼梁的腹板穿過鋼管壁及鋼管內(nèi)混凝土，翼緣與鋼管壁連接(焊接)。其構(gòu)造圖見圖1。

圖1穿心節(jié)點構(gòu)造圖

Fig.1Peg node configuration diagram

圖2　平面框架簡圖Fig.2　Plane frame sketch

1.2計算模型

設(shè)計一榀2跨2層的穿心鋼管混凝土平面框架，其層高為3 m，梁跨6 m。鋼管柱為方鋼管，內(nèi)填混凝土，梁為工字型鋼梁。2層2跨的穿心節(jié)點平面鋼管混凝土框架如圖2所示，其截面尺寸見表1，材性指標(biāo)見表2。

表1　截面尺寸

表2　材性指標(biāo)

1.3抗連續(xù)性倒塌分析方法的選擇

采用非線性動力分析能夠很好模擬倒塌過程中剩余結(jié)構(gòu)的受力變化，但在分析過程中動力因素對結(jié)構(gòu)的干擾異常敏感，因此，結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制并不是很明確，這使得分析中浪費(fèi)較多的人力物力資源，在實際應(yīng)用中具有很大的局限性。本文利用ANSYS單元生死功能，殺死框架中柱，達(dá)到初始破壞的目的，根據(jù)規(guī)范采用非線性靜力分析,查看剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的情況。

1.4抗連續(xù)性倒塌分析理論基礎(chǔ)

在正常使用狀態(tài)下，柱的上方節(jié)點承受負(fù)彎矩作用，柱在倒塌過程中，梁中拉結(jié)力產(chǎn)生，倒塌柱的節(jié)點處有拉力作用和彎矩作用，如圖3所示。拉力將會對節(jié)點的承載力及變形能力等產(chǎn)生很大的影響作用。所以，結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計中節(jié)點的設(shè)計是一個非常重要的因素。

在中柱倒塌后，梁端塑性鉸提供框架梁的極限承載力，發(fā)生在小變形階段，稱為“梁機(jī)制”，如圖4(a)所示；隨著變形的逐步擴(kuò)大，梁端塑性鉸無承載力，梁內(nèi)腹板軸向極限拉力的豎向分力提供框架梁的極限承載力，稱為“懸索機(jī)制”如圖4(b)所示。

圖3　懸索階段

2節(jié)點力學(xué)性能有限元分析過程

2.1有限元模型的建立

利用有限元軟件ANSYS，采用實體建模的方法，建立1榀2層2跨的穿心節(jié)點平面鋼管混凝土框架及不穿心節(jié)點平面鋼管混凝土框架有限元模型，整體模型如圖5(a)所示，節(jié)點大樣圖如圖5(b)所示。

圖5有限元模型

Fig.5Finite element model

2.2前處理

2.2.1鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系

利用ANSYS有限元所建立的模型能否與實際相符，主要依賴于所采用的本構(gòu)關(guān)系是否合理。由于混凝土與鋼管共同作用，對于核心混凝土受壓行為，采用韓林海教授[7]所建議的，其本構(gòu)模型如圖6所示。

約束系數(shù)§為:

(1)

式中，As為鋼材和混凝土的截面面積；Ac為核心混凝的截面面積；fy為鋼材屈服極限強(qiáng)度；fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

核心混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系式如式(2)，式(3)所示，即:

y=2x-x2,x≤1,

(2)

(3)

其中：

(4)

εcc=1300+12.5fc，

(5)

(6)

η=1.6+1.5/x，

(7)

(8)

核心混凝土泊松比的計算公式為:

(9)

鋼材采用了彈塑性階段與強(qiáng)化階段都簡化為直線的雙線性隨動強(qiáng)化模型，鋼材彈性模量Es是強(qiáng)化階段的強(qiáng)化量Ec的100倍，如圖7所示，屈服時滿足Von-Mises屈服準(zhǔn)則。

圖6混凝土本構(gòu)關(guān)系

Fig.6Concrete constitutive relationship

圖7鋼材本構(gòu)關(guān)系

Fig.7Constitutive relation of steel

2.2.2單元選取

2.2.3邊界加載

相應(yīng)的邊界約束條件:柱頂(加載處)鋼管約束X，Z方向平動，混凝土不作約束；柱底X，Y，Z方向平動均作約束，在柱頂施加軸壓荷載[9],采用單元生死功能殺死底層中柱，如圖8所示。

2.2.4求解

方程求解時采用直接求解法。在非線性求解過程中采用以下幾個措施來增強(qiáng)求解的收斂性:使用牛頓—拉普森平衡迭代法則[10]控制非線性迭代誤差在某個容許的范圍內(nèi)，確定以力為基礎(chǔ)的收斂準(zhǔn)則[10]，控制最大的平衡迭代次數(shù)為25，容許誤差在2%以內(nèi)，選中自動時間步長及線性搜索選項。

2.3后處理

完成以上步驟后，先設(shè)定ANSYS中的求解控制，打開大變形開關(guān)選項，對單元進(jìn)行加載求解[5]。求解結(jié)束后在POST1可以顯示出中柱節(jié)點倒塌前后的變形，如圖9所示，也可用矢量、“云圖”或者列表顯示任何一個時間步的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。

圖8加載圖

Fig.8Load figure

圖9平面框架變形圖

Fig.9Plane frame deformation maps

3單調(diào)加載的非線性有限元分析

3.1節(jié)點連接形式對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的對比分析

圖10所示為采用不穿心節(jié)點連接的框架(KJ-B)與采用穿心節(jié)點連接的框架(KJ-A)的荷載—位移曲線有限元對比結(jié)果?？梢钥闯?，兩個框架在中柱失效后均經(jīng)歷了5個受力階段，采用穿心節(jié)點連接的框架的承載力和初始剛度與不穿心節(jié)點連接框架的基本相同，采用穿心節(jié)點連接的框架在相應(yīng)的彈塑性階段也展現(xiàn)出更明顯的非線性，但KJ-A的變形能力要好于KJ-B，其峰值承載力和塑性承載力對應(yīng)的位移都要大于試件KJ-B，同時試件KJ-A的過渡階段較短，結(jié)構(gòu)將較快進(jìn)入懸索階段，對于內(nèi)力重分布和承擔(dān)更大的荷載十分有利，兩個試件在懸索階段的荷載—位移均呈現(xiàn)線性關(guān)系。

一開始，在線性階段，穿心節(jié)點曲線和無穿心節(jié)點曲線基本重合，且基本上同時出現(xiàn)了“拐點”，也就是屈服點；結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性承載力后，KJ-A的剛度開始逐漸緩慢降低，結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)入塑性階段，而KJ-B的剛度降低較快，結(jié)構(gòu)迅速進(jìn)入塑性階段；在塑性階段，隨著位移的增加，結(jié)構(gòu)的承載力逐漸加大，在穿心節(jié)點結(jié)構(gòu)位移達(dá)到 250 mm 左右時，荷載則出現(xiàn)明顯增長，結(jié)構(gòu)進(jìn)入懸索階段；而不穿心節(jié)點在位移300 mm左右時，荷載才出現(xiàn)明顯的增長。在懸索階段，豎向荷載和位移基本呈線性關(guān)系。本文建立的有限元模型可以模擬鋼管混凝土柱—鋼梁穿心節(jié)點的框架在中柱失效后抗連續(xù)倒塌性能，尤其對于在結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌過程中起到重要作用的“懸索作用”可以進(jìn)行有效的模擬[11]。彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、過渡階段及懸索階段是中柱在倒塌過程中5個明顯的受力階段，如圖11所示。結(jié)構(gòu)在5個階段中主要通過梁機(jī)制和懸索機(jī)制進(jìn)行承載，如圖11所示。

圖10連接形式對框架性能的影響

Fig.10Effect of Connections on the frame properties

圖11中柱失效后結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程

Fig.11After the collapse of the continuous

process of structural failure column

在節(jié)點處塑性鉸形成前(OA階段和AB階段)，結(jié)構(gòu)通過受彎機(jī)制承載，節(jié)點基本只承載彎矩的作用，如圖12(a)所示；當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段BC后，節(jié)點達(dá)到其塑性抗彎承載力，并在一定范圍內(nèi)不再發(fā)生變化，塑性鉸在梁端形成，如圖12(b)所示；此階段結(jié)束后，結(jié)構(gòu)將進(jìn)入過渡階段，承載機(jī)制由塑性鉸機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)換到懸索機(jī)制，梁中拉力開始產(chǎn)生，拉力對節(jié)點的受力性能產(chǎn)生影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為懸索機(jī)制，如圖12(c)所示，結(jié)構(gòu)進(jìn)入懸索階段，豎向荷載通過梁中拉力的豎向分力來承擔(dān)，此時節(jié)點已經(jīng)受拉屈服，理論上節(jié)點的塑性抗拉承載力不再變化，但由于材料強(qiáng)度存在強(qiáng)化，之后隨著豎向位移的增加，節(jié)點的抗拉承載力會繼續(xù)增長。 通常，對于節(jié)點的設(shè)計更注重其在正常使用荷載下的剛度、延性和抗彎塑性承載力。通過以上分析可知，在抗倒塌設(shè)計中，應(yīng)同時對節(jié)點的抗拉塑性承載力進(jìn)行設(shè)計，對節(jié)點在彎矩和拉力共同作用下的性能進(jìn)行研究分析，以保證其在塑性鉸機(jī)制向抗拉機(jī)制轉(zhuǎn)化過程中的穩(wěn)定性和可靠性，抗倒塌設(shè)計對節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力和延性有更高的要求。

(c) 懸索承載機(jī)制

3.2參數(shù)分析

當(dāng)中柱失效后，節(jié)點首先通過抗彎機(jī)制進(jìn)行承載，因此，與穿心節(jié)點抗彎性能有關(guān)的參數(shù)在這個階段起到重要作用，柱上方的節(jié)點主要通過塑性鉸機(jī)制和懸索機(jī)制來承擔(dān)荷載。為此,選取影響節(jié)點力學(xué)性能的鋼梁截面高度、混凝土強(qiáng)度、柱截面高度等進(jìn)行分析，以研究不同參數(shù)下穿心節(jié)點在抗連續(xù)倒塌體系中的力學(xué)性能。

3.2.1鋼梁截面高度對穿心節(jié)點抗連續(xù)倒塌的影響

選取截面高度為200 mm、250 mm、300 mm的鋼梁進(jìn)行分析，以研究鋼梁高度對于穿心梁平面鋼框架抗連續(xù)倒塌性能的影響。圖13為不同鋼梁截面高度下框架中節(jié)點處的豎向荷載—位移曲線?？梢钥吹?，鋼梁高度對于結(jié)構(gòu)性能的影響十分明顯，隨著鋼梁高度的增加，結(jié)構(gòu)的初始剛度和各階段的承載力均有明顯的提高，可見鋼梁高度的提高對于結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能十分有利。單純通過增加鋼梁高度來改善結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計上可行且效果明顯，但增加鋼梁高度既影響建筑的使用空間，并會明顯增加建筑造價，因此，應(yīng)適當(dāng)結(jié)合其他方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計。

3.2.2混凝土強(qiáng)度對穿心節(jié)點抗連續(xù)倒塌的影響

混凝土作為鋼管混凝土的重要的組成部分，其對鋼管混凝土節(jié)點的抗彎承載力和剛度均有較大的影響(相對于純鋼節(jié)點)。圖14為不同混凝土強(qiáng)度下框架中節(jié)點處的豎向荷載—位移曲線。由圖14可知，在塑性鉸機(jī)制承載階段，混凝土強(qiáng)度增大，節(jié)點的初始剛度及塑性承載力增加；當(dāng)塑性鉸機(jī)制完全形成后，結(jié)構(gòu)開始向懸索機(jī)制過渡，此時采用不同強(qiáng)度的混凝土的節(jié)點性能開始趨于相同，3條曲線有相互靠近的趨勢；混凝土對于結(jié)構(gòu)性能的影響不是很明顯，可見混凝土強(qiáng)度的提高對于結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能作用不明顯。

3.2.3柱截面高度對穿心節(jié)點抗連續(xù)倒塌的影響

當(dāng)節(jié)點在荷載下產(chǎn)生較大變形時，節(jié)點主要通過與失效柱相連梁的懸索作用來承擔(dān)荷載，節(jié)點兩側(cè)的水平拉結(jié)剛度則會對懸索作用的形成和發(fā)展產(chǎn)生重要影響。在實際結(jié)構(gòu)中，影響水平拉結(jié)剛度的因素很多，如結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式、支撐形式、節(jié)點形式和梁柱剛度比等。在本次模擬中選取了柱截面高度這個因素，柱截面高度越大，其強(qiáng)軸方向慣性矩也越大，進(jìn)而可以提供更強(qiáng)的水平拉結(jié)剛度。選取柱截面高度為300 mm、350 mm和400 mm的鋼管混凝土柱進(jìn)行分析，其余尺寸不變，以研究柱截面高度對于穿心節(jié)點梁平面鋼框架抗連續(xù)倒塌性能的影響。

圖13梁高度對穿心節(jié)點抗連續(xù)倒塌的影響

Fig.13Beam height of the mandrel node effects

of anti-progressive collapse

圖14混凝土強(qiáng)度對穿心節(jié)點抗連續(xù)倒塌的影響

Fig.14Concrete strength to resist progressive

collapse mandrel node impact

圖15　柱橫截面高度對穿心節(jié)點抗連續(xù)倒塌的影響Fig.15　Column cross-section height of the mandrelnode effects of anti-progressive collapse

圖15為不同柱截面高度下框架中節(jié)點處的豎向荷載—位移曲線，設(shè)柱高為350 mm時，水平拉結(jié)剛度為K，則300 mm和400 mm的截面高度可提供的水平約束剛度約為0.5 K、和2 K?？梢钥吹?，柱不同截面高度提供的水平拉結(jié)剛度在豎向位移達(dá)到160 mm，即塑性鉸階段結(jié)束前對結(jié)構(gòu)影響不明顯，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入過渡階段，梁中開始產(chǎn)生懸索作用時，柱截面高度的影響才開始顯現(xiàn)。隨著柱截面高度的增加，結(jié)構(gòu)的承載力明顯增加，也意味著在相同荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形將會明顯減小，這對于結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能是十分有利的。

4結(jié)語

①平面鋼框架中柱倒塌過程中，破壞過程經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、過渡階段和懸索階段。結(jié)構(gòu)的懸索受力機(jī)制能顯著提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。

②面鋼管混凝土框架具有良好的抗倒塌性能，可以有效地對柱失效帶來的附加荷載進(jìn)行重新分配。同時，節(jié)點的連接方式影響結(jié)構(gòu)體系的抗連續(xù)倒塌性能，穿心節(jié)點和不穿心節(jié)點均具有良好的轉(zhuǎn)動能力，滿足抗倒塌結(jié)構(gòu)體系中“懸索作用”階段對節(jié)點轉(zhuǎn)動能力的需求。相對來說，穿心節(jié)點的抗拉性能優(yōu)于不穿心節(jié)點，在結(jié)構(gòu)體系中能更充分發(fā)揮“懸索作用”階段結(jié)構(gòu)體系的性能。

③增大框架鋼梁截面高度能顯著提高結(jié)構(gòu)在過渡階段和懸索階段的性能；柱的截面高度的增大可明顯改善結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能；混凝土強(qiáng)度的提高對抗倒塌的影響不是很明顯。

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(責(zé)任編輯唐漢民裴潤梅)

Numerical simulation of progressive collapse of concrete-filled steel tube frame with continuous web plate joint

WANG Lai1,2, YANG Hong-yan1,2,CHEN Hai-tao1,2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and

Mitigation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China;

2.Shandong University of Science and Technology,College of Civil Engineering and

Architecture,Qingdao 266590, China)

Abstract:In order to study the influence of continuous web plate joints on the progressive collapse of concrete-filled steel tube (CFST) column and its mechanical properties under different parameters, a nonlinear static analysis with ANSYS finite element software was carried out on a 2-span-2-layer continuous web plate joint plane across a CFST frame. The research focused on the mechanical characteristics and the transfer mechanism of the remaining structure of the frame in the redistribution of internal forces and analyzed the effects of different forms of connection nodes on the progressive collapse of plane frame. The influence of girder section height and other important parameters on frame performance after the destruction of a key pillar in the progressive collapse was explored. The results show that plane frame with continuous web plate joint has better tensile properties, and that increasing steel beam height can significantly improve the structure performance during the transition phase and suspension stage.

Key words:structure engineering; concrete-filled steel tube (CFST); continuous web plate joint; progressive collapse; cable role

中圖分類號：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0044-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0044

通訊作者：王來(1963—)，男，山西大同人，山東科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士；E-mail:wlkdtjxy@sina.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目(51178259)

收稿日期：2015-06-10；

修訂日期：2015-12-02

引文格式：王來，楊紅燕，陳海濤.鋼管混凝土框架穿心節(jié)點連續(xù)倒塌數(shù)值模擬[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：44-52.