半刚性混凝土组合节点有限元分析

亓萌， 王冬花

(1. 安徽工商职业学院会计系，安徽 合肥 230000； 2.合肥工业大学土木系，安徽 合肥 230009)

半刚性混凝土组合节点有限元分析

亓萌1,2， 王冬花2

(1. 安徽工商职业学院会计系，安徽 合肥 230000； 2.合肥工业大学土木系，安徽 合肥 230009)

采用有限元分析SAP2000软件，利用软件中转动弹簧单元模拟组合节点的半刚性，建立了半刚性钢管混凝土组合节点有限元模型.对半刚性钢管混凝土节点在低周反复荷载作用下的荷载(P)-位移(Δ)关系滞回曲线进行了模拟，并通过试验结果验证了模型的正确性，为模拟半刚性钢管混凝土组合框架提供了基础.

半刚性;组合节点;有限元模拟;滞回曲线

1994年美国Northridge地震、1995年日本Kobe地震和1999年台湾集集地震表明，钢结构和组合结构所发生的震害比人们预期的严重，特别是连接节点出现了大量的严重断裂损伤[1].针对上述强震所暴露的问题，国内外开展了大量的相关研究工作.

半刚性钢管混凝土节点是指钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁通过端板和单边高强螺栓连接形成的半刚性节点.在实际工程中端板类型主要有平齐端板连接和外伸端板连接.通过节点区楼板内连续贯穿钢筋和抗剪栓钉来实现节点的组合作用.试验研究表明[2]，端板连接钢管混凝土组合节点具有良好的受力性能和抗震性能，且施工快捷，节省造价.

目前国内外学者在大量试验基础上得到了半刚性钢管混凝土节点的滞回性能和破坏模式.Loh等[3]通过5个十字形组合节点和1个纯钢节点在负弯矩作用下的静力加载试验，得到了如何提高节点的转动能力的方法；Loh等[4]在进一步的研究中，对平齐端板连接的节点进行了研究以及有限元分析，并将试验的结果与有限元分析进行对比，发现二者吻合较好，从而证明了模型的正确性.

本文利用工程设计软件SAP2000建立了半刚性钢管混凝土节点有限元模型.用软件中的转动弹簧单元来模拟节点的半刚性，对半刚性钢管混凝土节点在低周反复荷载作用下的荷载(P)-位移(Δ)关系滞回曲线进行了模拟，并通过试验结果对模型的准确性进行了验证.

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型的简化

在SAP2000程序[5]中，非线性连接单元是由6个独立的弹簧组成.图1显示了XOY平面内的三个弹簧：在XOY平面内的轴向、剪切和纯弯.本文利用XOY平面内的非线性连接单元中纯弯曲弹簧，精确地模拟了梁-柱半刚性连接节点.

图1 连接单元的弹簧

图2 滞回特性

SAP2000软件中有十种不同类型的连接单元，分别是Linear、Multilinear Elastic、Multilinear Plastic、Damper、Gap、Hook、Plastic(Wen)、Rubber Isolator、Friction Isolator和T/C Friction Isolator，分别用于模拟不同类型构件的线性与非线性行为，可以解决实际中的多种工况.其中多线段塑性连接单元采用六个独立的非线性弹簧.在对连接单元的六个自由度的承载力参数进行定义时，有固定和非线性两种.本文采用SAP2000中多线段塑性连接单元(Multilinear Plastic)和(Takeda)滞回规则对半刚性钢管混凝土节点进行简化模拟.其中弯矩(M)-转角(θ)关系用图2所示的滞回(Takeda)模型模拟.

1.2 建立有限元模型

本文以试验[6]为基础，采用简化的方式，简化了非线性有限元模型.在模拟中，用杆单元来模拟梁、柱构件等，模型中的约束与边界条件与试验中的约束与边界条件相一致.模型建立中，使用位移控制加载方式.设定分析控制为位移控制[7].

由于SAP2000是工程类应用设计软件， SAP2000最大的优势在于计算方便快捷，特别适合结构体系的计算，模型[6]相关尺寸及详细构造见表1与图3.

表1 模型尺寸一览表

图3 模型具体尺寸

根据以上条件及尺寸，建立有限元模型.

2 试验与有限元模型结果对比

模型1

模型2

模型1

模型2

两个模型与试验试件的滞回曲线及骨架曲线见图4、图5，从图中可以得到，二者滞回曲线均成“梭形”，曲线形状饱满的，具有较好的耗能性能[7].同时滞回曲线没有明显的捏缩，则表明构件具有良好的延性，构件出现残余变形，卸载后不能回到原来的位置.

3 结论

本文利用SAP2000程序，建立了半刚性钢管混凝土组合节点理论分析模型，采用转动弹簧单元来模拟实际中钢管柱与组合梁的半刚性连接.由于试验中和模拟中的加载方式略有不同，以及对钢管混凝土柱中混凝土和钢管的协同作用定义并不完善，不能考虑两种材料之间的粘结与相互滑移，只能简单定义两种材料的几何叠加，所建模型在精确度上有不足.所以图5、图6的曲线有所差异，但是两个曲线走势基本相同，差异性在合理范围内，整体吻合度较好，可以起到模拟半刚性钢管混凝土组合节点的作用.同时也证明了用该单元来模拟半刚性混凝土组合节点的正确性.为用此模拟方式模拟半刚性钢管混凝土组合框架奠定了基础.

[1] 韩林海, 杨有福. 现代钢管混凝土结构技术[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2] 李国强, 石文龙, 王静峰. 半刚性连接钢框架设计[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[3] Loh H Y, Uy B, Bradford M A. The effects of partial shear connection in composite flush end plate joints: Part I-experimental study[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006,62: 378-390.

[4] Loh H Y, Uy B, Bradford M A. The effects of partial shear connection in composite flush end plate joints: Part Ⅱ- Analytical study and design appraise[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2006,62: 391-412.

[4]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M ]. 北京:人民交通出版社, 2006.

[5] Wen R, Akbas B, Shen J. Practical moment-rotation relations of steel shear tab connections[J]. Journal of Constructional Steel Research,2013,88 :296-308.

[6] 姜涛. 半刚性钢管混凝土组合框架节点的抗震性能及设计方法[D]. 合肥：合肥工业大学硕士学位论文，2012.

[7] ATC-24 Guidelines for cyclic seismic testing of components of steel structures[S]. Redwood City: Applied Technology Council, 1992.

(责任编校：晴川)

Finite Element Analysis of Semi-rigid Concrete Composite Joint

QI Meng1,2, WANG Donghua2

(1. Department of Accounting,Anhui Vocational College of Business, Hefei Anhui 230001,China；2. Department of Civil Engineering,Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

The study uses the finite element analysis software of SAP2000 to simulate the semi-rigid character of composite joints and establishes the finite element model of semi-rigid concrete-filled steel tubular. It simulates the load (P) - displacement (Δ) lag relationship of semi-rigid concrete-filled steel tubular joint under low cycle repeated load, and verifies the correctness of the model through the experiment results, which provides the basis for the simulation of composite frame of semi-rigid concrete-filled steel tubular.

semi-rigid; composite joint; finite element analysis; hysteretic curve

2015-09-06

2013安徽省级质量工程项目(批准号：2013tszy091).

亓萌(1983— )，男，安徽临泉人，安徽工商职业学院会计系助教，硕士.研究方向：工程造价.

TU377

A

1008-4681(2015)05-0026-03