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关于连续梁与钢管混凝土柱连接的研究
摘要；
连续梁与钢管混凝土柱连接在在单调负载下有三种类型的连接破坏（柱，梁和连接处剪切破坏），而它们的非线性有限元模型是由ABAQUS项目提出的。连接细部由钢制I形梁与圆形钢管柱通过角焊缝或全熔透焊缝焊接而成，接着再向管内充满混凝土。所研究的连接参数包括不同的柱梁弯曲强度比率，角焊缝或全熔透焊缝使用钢筋内部的钢筋，以及在接头内的梁腹板和混凝土芯的作用将梁连接到管。模型中定义了屈曲分析，混凝土破坏，焊缝断裂和管撕裂。该梁柱模型与有关梁尖端应力–层间位移关系，节点变形和节点剪切应变方面的实验数据达成了良好的一致性。因此，该模型可以正确地预测连接处的线性，非线性表现以及可能出现的破坏。此外，连接处的其它参数也作为样本进行了研究。最后，对梁柱连接处的竖向荷载大小在三种类型的失效连接行为中的影响进行了参数研究。
关键词：
混凝土填充管柱，连续梁，有限元分析，混凝土破坏，焊缝断裂，屈曲分析
- 介绍
由混凝土填充钢管柱和钢梁组成的复合框架结构越来越多地在世界上被使用。框架在横向载荷下的特性取决于梁柱连接的强度，刚度和延展性。因此，梁-柱连接构件是将相关力从梁传递到柱的关键元件。此外，连接构件应具有合适的细节构造以考虑制造成本。许多研究人员提供了不同类型的焊接梁 - 柱连接细部构造。这些细部构造包括连续梁的翼缘或腹板有或者没有贯穿；连接细部有内部或外部隔板；与水平板内隔板，形成锥形梁翼缘；加强与锚定螺栓的连接；结合交叉隔板或下隔板；连续梁连接处用用T形加强筋加固；连接处用翼缘板
当今对复合结构的预制过程，是在工厂将短钢梁桩焊接到钢管柱上，然后在现场安装柱子，其中梁通过螺栓连接到柱子上。最后，再将混凝土泵入管内和地板上以形成复合结构。可以满足上述条件的连接细部构造之一的一种方式被称为连续梁连接。这时再向连接处灌注混凝土，该连接细部由贯穿的钢管并以角焊缝或全熔透焊缝焊接相连的钢梁和管子构成。根据文献综述，连续梁与混凝土填充的圆钢管柱之间的连接是理想的刚性连接。连续梁连接的设计仅限于几个准则。ASCE任务委员会提出了钢筋混凝土复合结构设计标准的设计指南。Elremaily与 Azizinamini提出了一个I型贯穿钢梁与混凝土填充圆钢管柱连接设计的指南。
在这项研究中，连续梁与混凝土填充圆钢管柱（CFCST）的有限元分析是在在单调加载下进行的。主要测试参数包括不同的柱梁弯曲强度比，使用柱内部的钢筋和梁腹板或连接处内部的混凝土芯，将梁用角焊缝或全焊透焊缝连接到管壁。本研究的目的是研究连接处在三种不同破坏模式下的特性，最后，通过参数研究来研究柱在不同轴向负载水平下的连接特性。
- 实验测试程序总结
Elremaily和Azizinamini进行了连续梁连接CFCST柱在单调加载下的实验研究。测试程序包括七个试件，它们分别以NSF1和NSF2以及NSF4至NSF8表示。如图1和表1所示。在所有试件中，钢梁完全贯穿钢管，并通过角焊缝或全焊透焊缝焊接，然后再用混凝土填充钢管。基于破坏类型，将样本分为以下三组：
第一组（柱破坏）包括试件NSF1和NSF2。 在这些试件中，角焊缝用于将梁连接到管壁，并且柱比梁弱以至于使柱发生破坏。此外，试件NSF2在连接处内没有混凝土，用以研究混凝土芯在连接处的影响，结果是角焊缝断裂和对焊缝的撕裂。
第二组（梁破坏）包括试件NSF4，NSF5和NSF8，其中柱比梁强，使得柱梁弯曲强度比（r）分别为1.7,1.65和2.17。这些比率均大于1.2，并且这是梁柱连接设计规范中推荐的。梁与管之间的完全渗透焊缝用于试件NSF4和NSF5，而角焊缝则用于试件NSF8。试件NSF4和NSF5之间的唯一区别是试件NSF4中使用了四根钢筋（60级）。对于这些试件，实验结果是梁翼缘和腹板在管外部发生屈曲，而在管中没有任何局部屈曲或屈服迹象。这同连续梁在梁失效的情况下表现一样。
第三组（连接处破坏）包括试件NSF6和NSF7，试件之间的唯一区别是试件NSF7中的连接处。在这些试件中，柱和梁的强度比连接处强度强得多，从而使得破坏被控制在连接处发生，以便了解该连接部件，即管之间的节点剪切力的分布。梁腹板和连接部分的混凝土芯也是如此，从而用以研究腹板在连接处的效果。
- 有限元模型
为了研究连续梁与CFCST柱的连接特性，提出了使用ABAQUS显式程序建立的三个有限元模型。在柱、梁和连接处剪切破坏三种连接破坏的情况下，该模型呈现出了线性、非线性以及破坏后区特性。本研究选择标本NSF1和NSF2以及NSF4至NSF7。如第2节所述，根据破坏类型将样本分为三组。在承受侧向荷载的框架结构内部连接处选用十字形的原因，是因为该结构会在大约梁跨度的中部以及柱高度的中部形成反弯点，而这些反弯点将承受剪力。表二表示了连接处在受到沿梁反弯点相反方向垂直剪应力下的变形，而柱的反弯点则被固定而避免发生变形与移动。试件NSF7连接部分的组成如图3所示，其组成包括钢管和护套、带有螺纹杆的梁、柱顶和底部的刚性盖以及混凝土芯和一层介质。该介质没有厚度，其附着在管内以及围绕梁的翼缘和腹板内部，用于限制钢和混凝土之间的相互作用。此外，试件NSF1,2,8的管和梁之间有角焊缝。管和梁之间没有完全穿透焊缝，但是它们通过共同的节点在适当的位置被连接在一起。钢和混凝土芯之间也没有考虑附着力，因为该力不大，效果不明显。以下部分介绍了样本的非线性三维有限元模型的发展。
图1 试件细节构造
3.1元素类型
图3还显示了试件NSF7的各组件的有限元网格。元件尺寸考虑了良好的精度和合理的计算时间，此外还考虑了元素的集成度降低和适当的滴漏控制。组件通过如下适当的原件进行啮合：
钢管，夹套和梁：在每个节点处具有三个平移以及三个旋转自由度的四节点壳单元（S4R）
混凝土芯和角焊缝：每个节点具有三个平移自由度的八节点实体元素（C3D8R）该元件能够在每个积分点处考虑三个正交方向的混凝土开裂，破碎和焊接断裂。
钢筋或螺杆：两节点线性梁单元（B31），每个节点具有三个平移和三个旋转自由度。
接口：表面元件（SFM3D4R）。 该元件在每个节点处具有三个平移自由度，由于没有刚度或强度，而应当由其分配适当的质量密度。
图2 偏转的内部接头在梁端受到横向载荷
3.2边界条件与荷载
图三显示了模型的边界情况与荷载。除了围绕Y轴的旋转运动之外，柱顶的参考点被限制用于平移和旋转运动，以允许在负载平面中的列端部的完全旋转。除了围绕Y轴的旋转运动之外，柱顶的参考点被限制发生平移和旋转运动，以允许在柱的负载平面端部完全旋转。另外，顶盖垂直方向（Z）可自由移动，因为在柱上施加的是轴向载荷。在横向支撑位置的梁上的节点也被限制发生横向运动。
同样，对模型进行了类似的实验加载条件。第一步，在顶盖的参考点处施加轴向载荷，并且在实施步骤2期间它是恒定的。第二步，在梁末端两个相反的方向上以相同速度施加两个等大垂直的荷载。在加载速度上选择使用特殊的300 mm / s速度，因为速度控制负载在非线性阶段相对于力控制负载更加稳定。当动态分析的影响可以忽略时，通过比较动能与内部能量来实现这一速度。实际的速度远小于这个速度，但却会需要更长的分析时间而对结果的准确性几乎不造成任何影响。为了定义梁破坏，采用根据本征屈曲分析产生的屈曲形状来得到样本原始的完美几何形状，以此进行线性屈曲分析。
图3 试件NSF7模型的典型啮合，边界条件和载荷
3.3材料特性
如图5所示，对于钢和焊接材料，考虑了运动学双线性应力 - 应变关系。对于发生梁破坏的试件NSF4,5和8，在模型和实验测试结果的多次验证之后，使用alpha;= 0.5的值来定义钢材的应变硬化，同时用全塑性应力来定义其他标本。Von Mises屈服准则被用来定义材料屈服面以及相关的流动规则来确定塑性变形。
图4 试件NSF1,2和8的角焊缝连接 图5 钢材料应力应变曲线
图7 张力软化模型的指数函数
对于所有钢和焊接材料，弹性模量（Es），密度（gamma;）和泊松比（upsilon;）分别假定为200GPa，7800kg / m3和0.3。钢管和梁的屈服强度和极限强度由表2所示的钢试件试验得到，而对于焊接材料，该值基于用于设计试件NSF8的电极E7018的性质。为了模拟混凝土在拉压应力下的特性，根据EC2建立了等效的单轴应力 - 应变关系。混凝土的弹性模量如公式（1）所示。压缩曲线被分为弹性部分，非线性抛物线部分和线性下降三部分。第一部分的值是应力为0.4fc和应变为的比例极限，其中fc是混凝土的圆柱混凝土抗压强度。对于非线性抛物线部分，获得了混凝土应力（）和应变（）之间的关系如下
下降部分可用于定义混凝土破碎发生处的混凝土在压力下的后期失效。下降斜率可以认为在0.85fc的应力值处停止。根据EC2和BS8110，失效时的混凝土极限应变等于0.0035。
混凝土中的拉应力随着Ecm的斜率与混凝土裂缝前的应变呈线性增加，一旦混凝土开裂，则降低到零。其中是混凝土的抗拉强度。根据指数函数[23]，使用张力应力与裂纹位移来定义裂纹，如图7所示,据此确定了试件的混凝土开裂破坏可塑性。混凝土破坏可塑性模型假设一个非相关的潜在塑性流动。Drucker-Prager双曲线函数用作流动电位。在该模型中，混凝土参数相似物膨胀角（Psi;）和流量偏心率（ε）分别为25和0.1。另外，双轴抗压强度与单轴抗压强度（fbo / fco）的比值为1.16。这些值是根据由Zhong T.等人完成的一项研究确定的，目的是用于混凝土填充钢管柱。混凝土芯材的材料密度（gamma;）和泊松比（upsilon;）分别为2350 kg /和0.2. 表3列出了混凝土柱体试件（fc）作为混凝土核心的代表性抗压强度。
图6 混凝土应力 - 应变关系a）压缩，b）张力。
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- 相互作用
本研究中有限元分析结果的准确性依赖于钢与混凝土芯之间的相互作用。基于早期的文献，不同类型的钢和混凝土之间的相互接触作用已被应用于复合连接中，相互作用包括钢和混凝土之间的理想粘结条件、间隙元素、和三维界面元素。作为钢和混凝土之间的界面元素的薄层材料被用于模拟这种相互作用。
在这项研究中，接口部分首先放置并连接到管内的梁以及管的周围。对于界面部分没有考虑厚度，并且由没有刚度和强度的表面元素进行网格化。采用点对面的方法，将绑带约束用来将界面与钢筋相连。该约束包括主表面和附属表面。 钢筋被认为是主表面而界面则作为附属表面。对于附属面应该细化啮合，以获得更为准确的结果。之后，界面和混凝土芯之间的接触相互作用被定义为一般使用接触，其中可以围绕壳单元确定表面元素。为了定义一般接触，在试验程序中定义了一些文本注释，例如“接触间隙分配”和“联系人控制分配”。
采用切向接触和正常接触来界定界面和混凝土芯之间的接触性能, 其他研究人员使用的钢和混凝土之间的不同摩擦系数值为0.2-0.6。由于复合柱对钢和混凝土中摩擦系数的值不敏感，部件之间的摩擦接触是用库仑摩擦定义的，摩擦系数为0.3，与试验结果和连续梁连接的有限元模型一致。几何缩放是一种用软化压力闭合关系的形式来模拟部件之间的正常接触，如图8所示。该模型提供了一个简单的界面，以便在超过临界穿透度时增加默认接触刚度。穿透度（dp）直接定义为接触区域中最小元件长度的一部分。每当当前渗透度超过该穿透度测量值的倍数时，接触刚度按几何比例因子（S）缩放，Ki = S0 sdot; kdflt sdot; Si minus; 1 是每个段的刚度，其中i是段成员，S0是初始比例因子。
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- 破坏类型
为了研究CFCST柱连续梁连接的后故障行为，应该在模型中正确定义基于连接组的故障类型和实验测试结果。如前面第2节所述，本文将研究三种连接行为的破坏：柱破坏、梁破坏以及接头剪切破坏。在组列故障中，由于柱比梁弱，因此破坏发生在柱中。定义梁翼缘和管壁之间的角焊缝断裂和混凝土开裂以及沿着角焊缝的管壁撕裂是该组中最重要的失效标准。在梁破坏组中，应确定梁外缘的梁翼缘和腹板的弯曲，以研究接头的故障。当柱保持弹性范围时，限定混凝土开裂和破碎对连接的行为没有明显的影响。对于接头剪切破坏，接头处的混凝土破碎和管断裂是连接中最重要的失效标准。
图8 软化压力-超量关系
图9 FEA和实验梁尖端力与样品的层间位移比较
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- 分析解决方案
采用Abaqus Explicit进行试件分析，适用于非线材料，大变形，混凝土损伤，接触和不连续部分。可用分析，如Abaqus标准中的一般静态分析用于初步分析。但是，它会导致收敛问题并在第二步开始时使分析停止。 RIKS方法的结果也导致了收敛问题
图10 FEA与试件实验破坏模式的比较
- 数值结果
试件表现的不同特性是根据梁尖端力层漂移，梁尖端力接头变形和面板区域关系的剪切应变，连接刚度以及试件梁翼缘轴向应力分布。验证结果与实验测试结果相一致，试验人员通过比较试件之间的有限元结果，对结果进行了讨论。
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- 梁尖应力与层间漂移的验证
将来自有限元分析的梁尖应力-漂移曲线与实验测试进行了比较，以确保模型的精度如图9所示。在所有样本中，模型和实验结果之间达成了良好的一致性。 该模型准确地预测了样本的最大容量。在分析
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资料编号：[137568]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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