带有芯钢管的圆钢管混凝土中节点抗震性能有限元分析
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摘要
钢管混凝土节点是钢管混凝土结构设计中一个关键的技术问题,特别是钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接的节点仍存在诸多问题,节点刚度较弱,传递梁中弯矩与剪力的能力较低,以及节点外形冗重、构造复杂等问题亟待解决。一种在节点区中断外钢管设置芯钢管的新型节点有效的提高了节点的刚度,简化了节点外形和构造。本文对这种节点在水平地震作用下的受力性能进行有限元分析。
     本文设计了两个带有芯钢管的圆钢管混凝土中柱节点模型,利用ANSYS大型有限元分析软件对其进行仿真分析,研究节点模型在水平地震作用下的破坏过程、破坏形态,分析模型试件各组成部分的荷载-位移关系、应力云图、滞回曲线等性状,并将有限元分析结果与试验结果进行了详细对比,单调加载性能、滞回性能及破坏形态的对比研究结果表明单调加载曲线试验结果、破坏形态图形及在弹性范围内滞回曲线的形状特性与有限元分析结果吻合良好。试验与数值分析结果均证明节点具有良好的力学性能,完全满足“强柱、弱梁、节点更强”的抗震设计要求。
     本文通过试验结果验证了有限元模型的正确性后,继续使用该模型,扩大了试验模型的轴压比范围,分析轴压比对节点试件的影响规律。分析表明:随着轴压比的增大,单调加载曲线的极限承载力逐渐增大,但当轴压比超过一定的限值,极限承载力会急剧减小。单调加载曲线计算得出的延性系数比较结果也表明,在一定范围内随着轴压比的增大而增大,当轴压比增大到一定程度,又随着轴压比的增大而减小,其影响规律与钢筋混凝土节点有相似之处,根据分析结果,给出了带有芯钢管的梁通柱断式钢管混凝土节点轴压比限值的控制建议。
The design of the joints of the concrete filled steel tubular (CFST) is one of the critical technical issues of the CFST structure. There are still many problems to be settled in the joint of CFST column and reinforced concrete (RC) beam, such as weak joint stiffness, inferior capability of transmitting section moments and shear forces, fussy shape, complex conformation and so on. Hence a new joint pattern, which improves the joint stiffness effectively and simplifies the joint shape and conformation, was presented with the core steel tube placed in the joint zone where the outer steel tube is broken off. The paper performs the numerical research for the mechanical performance of the new joint pattern under level seismic effect.
     Two mid-point models of CFST with core steel tube inserted were analyzed using the finite element software ANSYS. The failure process and failure mode of the models under level earthquake action were developed, moreover the hysteretic curves, the stress nephograms and the displacement-force relations were deduced. Comparisons were made between the numerical results and the experimental data. The outcomes revealed that the monotonic loading performance, hysteretic characteristics in the elastic phase and failure mode all tallied perfectly. The better mechanical performance of the new joint pattern was approved by the experimental and numerical results. The new joint conformation satisfied the criterion for seismic design totally, which are stronger columns, weaker beams and stiffer joints.
     On the basis of the validated numerical model, the effects of the axial compressive ratio on the joint performance were analyzed. It is found that the ultimate bearing capacity for monotonic loading increases with the increasing of the axial compressive ratio, however it will reduce rapidly when the axial compressive ratio exceeds a upper bound, so does the effect of the axial compressive ratio within certain bounds on the ductility factor, which is similar to the effect of the axial compressive ratio on the ultimate bearing capacity of the reinforced concrete joint. Suggestions are given on the bounds of the axial compressive ratio for the new joint conformation, which is beneficial for seismic design.
引文
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