文摘

钢管混凝土方形钢管(S-CFST)结构已被广泛用作抵抗系统对地震由于其良好的抗震性能。然而,S-CFST结构的应用受限于其复杂联合制定。为了克服这个缺点,袖子半刚性的联合提出了,而其抗震性能没有检查。本研究旨在讨论套管接头的行为与低循环荷载作用下不同的参数。仿真结果的分析结果表明,有限元分析建立的有限元模型是在良好的协议与实验结果,进一步验证了能量耗散套筒接头的性能好,并给不同参数下接头的设计建议,促进工程应用这种类型的关节。

1。介绍

钢管混凝土(钢管)有各种优势,如承载力高、塑性和韧性好,易加工,和方便施工1,2]。然而,梁柱节点的设计和施工的复杂性在一定程度上限制了其应用。另外,几乎所有当前关节设计为刚性关节,但半刚性的联合循环荷载的作用下显示了更好的耗能性能和更稳定的地震特征,这吸引了研究者们的广泛关注3- - - - - -8]。

近年来,研究人员已经进行了大量的研究钢管混凝土半刚性的关节的类型和机械性能的钢管,和一些成就。例如,哦,Ai-Roda9)进行了试验研究钢管混凝土柱的连接和h型的钢梁。T-cleat连接和折弯钢板与中心孔是用来加强连接的刚度,和连接的滞回性能进行了分析。发现联合中心孔的钢板弯曲展示了良好的变形能力。Ricles et al。1010日)进行了低周反复荷载试验全面关节钢管混凝土方形钢管柱和钢梁(钢管)。他们发现t形截面的钢螺栓法兰接头的连接和钢筋混凝土梁的设计原则“强列和弱光束”和终极连接螺栓与螺栓孔可以提高强度,有效地减少滑动和滞回曲线的现象。杨et al。11]研究了接头的力学性能通过膜片的钢管混凝土矩形钢管柱和h型的低循环加载条件下钢板。结果表明,这种类型的接头具有良好的抗震性能,以及楔形板两边的法兰对联合延性有显著影响。Lv和李12)提出了一个联合形成一个八角形的钢管混凝土柱和外环梁设计三个标本研究其力学性能。结果表明,三个标本显示承载力高,延性好,循环荷载下和能量耗散能力。殿下和Uy13)使用试验和有限元方法来研究螺栓梁的性能,列,终极关节和水平。平端接头的力学性能低概率下的复合梁柱,后果严重加载了。高et al。14)研究的机械特性和能量耗散性能不同形式的大型钢管混凝土柱和工字钢梁的连接。他得出结论,接头的承载能力和耗能性能与内部膜片比通过膜片的关节。法国和别克戴维森(15)进行了静载荷测试的终极接头螺栓与钢管混凝土柱和钢梁相比其性能与方钢管柱关节。通过实验分析,发现接头的强度和刚度都显著提高,但联合延性降低,关节是螺栓的失效模式退出。

仿真模型和计算理论的钢管混凝土column-steel梁半刚性的关节,研究的重点主要是螺栓的连接,和变形模型建立连接的元素。黄(16双元素连接器)使用有限元分析建立模拟梁柱接头用于终极连接螺栓。与实验数据相比,该有限元模型(FEM)有效地模拟了高温下的关节上的力。在这样的条件下,轴向力的梁结束对上的力有明显影响关节。胡锦涛et al。(17]研究了t形截面的钢螺栓接头的性能在低循环加载和提出了一种新的力学计算模型等关节。模型图如图1,力学模型模拟t形钢作为一个非线性弹簧元件,和多行段循环刚度模型被用来模拟t形截面的钢构件的滞回性能。通过比较该模型的模拟结果与实验结果,得出该模型能准确地模拟t形截面的钢螺栓接头的力学行为17]。

取得了许多成就在连接半刚性的关节的试验和理论研究钢管混凝土柱与钢梁,但是现有的半刚性的联合形式都有自己的局限性。很难找到一个联合形成的技术和经济优势;因此,有必要选择合适的接头类型的基础上,应用现状,发展优势,避免劣势。摘要套筒接头形式的钢管混凝土方形钢管column-steel光束进行了研究,及其低循环荷载作用下力学性能使用有限元分析研究。这个关节图所示2。

2。模型设计

套筒接头是由衬板钢套筒接头位置的钢管混凝土方形钢管柱,焊接套筒的上下边缘钢管柱,然后完全焊接钢梁与套筒,和联合力量传输清晰和简单的建设。研究钢管混凝土的抗震性能广场钢管column-steel梁袖关节,这种类型的设计的三个联合模型。

2.1。模型尺寸

三套钢管混凝土柱与钢梁共同标本,从CFST-1 CFST-3编号,设计。方钢管柱的大小 毫米(长×宽×厚度)和钢梁是由时间组成的 毫米热轧h型钢。强度等级Q235钢用于光束,列,和袖子,混凝土强度等级C30在广场钢管。与钢板焊接,袖子和电极的类型是E43。上下法兰的一端和web钢梁完全焊接套筒。5毫米焊是在顶部和底部的套筒焊接方钢管柱上的套筒,在充分接触的外围广场钢管柱。变量的厚度和高度的袖子。的主要参数如表所示1,详细的联合结构如图3。

2.2。材料特性

钢是由传统的理想弹塑性模型,模拟和Q235钢在这个模型中,采用的弹性模量 N /毫米²泊松比为0.3,密度为78.5 g /毫米²。

混凝土本构模型的塑性损伤模型提出的方钢管汉et al。18,19),认为内壁之间的交互的方钢管和核心混凝土。

3所示。模型验证

3.1。实验装置

两个MTS致动器被用来应用低循环荷载梁结束两岸的标本,和杰克列前利用施加轴向力,虽然铰链支持被放置在柱底部和柱端模拟铰链边界条件。测试,4 h型的钢是安装限制梁,以确保组件没有出平面扭转和不稳定故障前和限制的侧向位移加载期间标本。测试中指定,推动执行机构方向是积极的,方向是负的,和左右梁被标记。在测试期间,首先,770 kN的垂直轴向力(轴向压缩比为0.23)应用于列上了杰克。然后,利用MTS致动器应用位移循环加载被左右梁同时结束,5毫米的位移增量。当标本了,循环荷载持续三次相同的增量,直到发生下列条件:(1)负载减少到小于80%的峰值负载;(2)钢管接头区域被剪切或局部损坏超过70%的地方焊接裂缝;(3)钢梁有明显的局部屈曲变形或断裂,或钢梁平面外失稳。

应力分布在核心区域的联合测量应变仪和染色莲座状,排列图4。梁的位移是由位移传感器测量和自动同步采集和一台电脑。测试装置如图5。由于坚持和测量,应变仪和染色玫瑰没有工作,所以应变的测量结果是不提供。

3.2。材料机械性能

3.2.1之上。钢

根据金属materials-tensile规定测试方法的测试环境温度(GB / T 228.1 - -2010) [20.)和钢铁和钢铁products-location和机械测试样品和测试部分的准备(GB / T 2975 - 2018) (21),三组每组两个样品相同的批钢被送往材料万能试验机进行拉力测试。性能参数测量如表所示2。

3.2.2。混凝土

C30混凝土浇注时,三个 毫米标准具体测试数据集和三个 毫米的柱状块是捏造的。经过28天的治疗关节标本在相同条件下,混凝土立方体抗压测试,然后是平均值。最终,测量混凝土立方体抗压强度平均为40.59 MPa,平均轴向抗压强度为27.18 MPa,平均弹性模量是31783 MPa。

3.3。有限元模型

固体元素C3D8R有限元分析是用于构建模型,包括钢梁、钢管核心混凝土,钢套管。连接区域的网格加密采用结构化网格和考虑到复杂的连接区域的应力和计算精度。的网格大小关节钢管之间的连接区域和梁是15毫米,剩下的部分60毫米。钢套管接头连接的重要组成部分,这是除以15毫米。核心混凝土的大小是160毫米。

钢管和混凝土之间的正常属性是“硬”接触,切线方向被定义为有限滑动,摩擦系数是0.3。除焊缝区域,钢管和钢衬套之间的联系被定义为“,”这意味着没有沉浸在两个面之间。

3.4。失效模式

故障现象的三个标本在不同加载位移如表所示3,55毫米(1)代表了第一圈加载当梁的位移是55毫米。这些标本的失效模式如图所示6。

测试现象,故障过程和失效模式的三套管接头标本相同,属于半刚性的关节刚度高的故障模式。因此,抗震性能的联合可以提高通过改善设计、焊接过程和顺序或加强强度焊缝的检查和质量检查。

一个完整的有限元模型是由有限元分析如图7。轴向力是应用于顶部的列,和循环荷载梁端的应用模拟试验加载条件。位移约束X和Y方向和旋转约束Y和Z方向是应用于列的顶部,和X,Y,Z位移约束和Y,Z旋转限制被强加的底部的列。

图8显示了之间的联合失效模式标本CFST-1比较模拟结果和实验结果。从图可以看出,模拟套管的失效模式联合实验结果几乎是一样的。样品的失效模式主要是屈曲和撕裂的袖子。然而,由于材料的物质损失是没有财产,撕裂的袖子不是模拟的有限元模型。联合变形大的地方是钢铁的地方是撕裂。本文建立的有限元分析有限元模型能准确地模拟接头的失效模式。

图9(一个)显示了钢梁的应力分布。从图可以看出,光束的法兰是弯曲的。这种现象也发生在标本CFST-1,套筒屈曲是显而易见的,梁的凸缘更容易弯曲。这表明薄套壁厚的标本是更容易失稳下轴向压缩比相同。

应力分布的有限元分析可以模拟钢管列在套筒内,不能在测试中获得。图9 (b)显示了钢管在极限载荷下的应力分布。可以看出,试样时损坏,因为袖子只是与上部和下部焊缝钢管,相应的钢管的一部分也是最大的一部分压力在加载过程中,也是最容易变形和弯曲的部分。

图10显示了一个扩展的失效模式进行比较,终极关节和套筒接头。扩展的终极关节是一个典型的半刚性的关节(22,23),其主要失效模式如图10 ()。一种失败,尽管钢梁上翼缘作为旋转中心,较低的端板法兰也有弯曲变形,这是符合套管接头的失效模式。另一种失败,终板下面的上法兰钢梁基本上是在一条直线;即终板没有明显的弯曲变形,以及失效模式符合套管接头的焊缝撕裂故障模式。从旋转的分析能力和失效模式,套筒接头符合连接半刚性的共同特征。

3.5。滞回曲线

试件梁的荷载位移滞回曲线如图11,在第一和第三象限图左边的滞回曲线梁,在第二和第四象限图是正确的梁的滞回曲线。图都是shuttle-shaped,表明可变形性好,抗震性能,试样的能量耗散能力。自循环荷载两岸的梁,应用相应的滞回曲线对称分布。标本进入屈服状态时,滞回曲线分析表明,一些标本扣。屈服后,第一个循环荷载值的每个位移级别高于第二两个周期,表明联合与加载强度和刚度降低。极限承载力,标本CFST-2与标本CFST-1相比并无太大的变动,建议增加套管高度不会提高承载力。然而,标本CFST-2的滞回曲线的面积大于CFST-1标本。它涉及关节标本CFST-2的能量耗散能力高于关节标本CFST-1。

图12显示模拟滞回曲线是在良好的协议与实验曲线,验证了有限元法的合理性(24,25]。模拟滞回曲线的加载值略高于试验滞回曲线。这是因为有限元模型忽略了套筒之间的焊接质量的影响和钢梁的法兰以及环境的标本。的初始刚度有限元分析的联合比在测试,这是因为焊接的样品基本上出现在部分钢梁的一端与套筒连接,焊接时不被认为是在有限元分析。

3.6。骨架曲线

应用循环荷载时的钢梁,先后获得的骨架曲线可以连接在每个阶段的滞回曲线最大负载。三个关节标本的骨架曲线如图所示13。接头试件的骨架曲线基本上是s形,和套筒接头进行明显的弹性,弹塑性,塑料在加载失败的过程。然而,左翼和右翼的骨架曲线梁不是完全对称的结束。这是因为焊接的质量两岸的梁端不能是相同的,和累积损伤发生在关节。初始刚度、极限承载力和极限位移的标本CFST-3明显高于CFST-1 CFST-2,表明增加套管厚度可以有效地提高套管接头的抗震性能。

如图13、模拟和试验骨架曲线都是s形,和关节标本低循环荷载作用下经历了三个阶段,即弹性、弹塑性、塑性失败。模拟和试验骨架曲线也大致一致的价值观,有一个负载值误差在10%以内,这也进一步说明了有限元方法的合理性。相比之下,使用有限元模拟的骨架曲线比较对称,但试验骨架曲线的对称性是稍差。这是因为在装载有残余变形;因此,积极的和消极的加载方向的骨架曲线略微偏离,但这个影响因素不考虑有限元模拟。

4所示。参数化分析

4.1。轴向压缩比

轴向压缩比的比值的轴压柱的抗压强度的整个部分列。在测试期间,770 kN的轴向压力(0.23)的轴向压缩比是应用于列。由于轴向压缩比的变化不是在测试,在本节中,不同的轴向压缩比的影响关节标本模拟和分析。轴向压缩比n可以根据计算 在哪里N代表的是轴向载荷,N_u是钢管混凝土柱的极限承载力,f_y是钢的屈服强度,f_c混凝土的抗压强度,一个_年代和一个_年代是钢管和核心混凝土的面积,分别。

CFST-1作为一个例子。图14显示关节的荷载位移曲线与不同的轴向压缩比。所有参数分析的荷载位移曲线低于单调加载了。初始刚度的弹性段的斜率计算荷载位移曲线。山坡上(四个曲线的初始刚度)1.116 (n= 0.2),1.246 (n= 0.4),1.408 (n= 0.6),和1.334 (n分别为= 0.8)。从图可以看出,在相同的边界和加载条件下,联合仍然具有良好的承载能力和轴向压缩比是影响的初始刚度的主要因素。轴向压缩比小于0.6时,关节的初始刚度与轴向压缩率呈正相关,但当这个比值超过0.6,的初始刚度与轴向压缩比共同将负相关。因此,可以得出结论,共同达到最优初始刚度,当轴向压缩比n= 0.6。

从图可以看出15滞回曲线的轴向压缩比n= 0.2,n= 0.4几乎是相同的,但轴向压缩比的滞回曲线n= 0.8显示了明显的“捏”现象,这表明它是受滑移的影响。轴向压缩比超过0.6时,能量耗散能力的联合将受到影响。

4.2。混凝土强度等级的影响

不同混凝土强度等级对套管接头的影响进行了分析,结果如图所示16。从图可以看出16较高的混凝土的后期强度熊更多的负载加载以便钢管局部屈曲满墙混凝土高强度小于,充满了普通强度混凝土。因此,可以得出结论,提高混凝土强度具有更好的效果,钢管的屈服以后再发生。

图17显示关节的滞回曲线与不同的具体优势。从图可以看出,与最初的滞回曲线相比,负载的增加20%时,混凝土强度增加。此外,混凝土强度有重要影响对整个试件的弹塑性阶段,但是,在弹塑性阶段,承载力之前不会改变显著提高混凝土强度。

4.3。套管厚度的影响

由于测试条件有限,只有少数标本进行了最优套厚度并没有发现。因此,在有限元分析中,套管的厚度是6毫米,8毫米,10毫米,12毫米,16毫米进行分析和比较,而其他条件保持不变。图18显示关节的荷载位移曲线与套管厚度不同。观察到,当套管的厚度小于10毫米,增加套管厚度可以提高刚度和极限承载力。然而,当套管厚度超过10毫米,关节的yield-bearing能力和极限承载力显著不改变。结果表明,当套管的厚度达到10毫米,关节初始刚度的增加,但增加不明显。

如数据所示18和19当套管厚度超过10毫米,yield-bearing能力和极限承载力显著不改变,和滞回曲线不变化,表明联合的能量耗散性能略有变化。结果表明,接头的抗震性能与套管厚度的增加可以改善,但改善效果不明显时,厚度超过一定值。此外,当套管的厚度小于10毫米,极限荷载增加显著,这也会导致局部屈曲的袖子。因此,不建议增加套管的厚度没有限制在设计关节时,这可能会导致不必要的浪费。

根据试验和有限元分析,为了满足需求,接头强度应高于成员,套管的厚度需要大于钢管的厚度,以确保之前的袖扣不column-steel管。然而,当套管的厚度达到一定程度时,关节的对承载力的影响减少。这个时候,增加套管的厚度会导致浪费材料。因此,建议套管厚度比钢管厚度从1.0到1.25不等。

4.4。袖山高的影响

以2倍梁高度作为初始高度的袖子。1.2倍、1.5倍和1.8倍套筒高度被带到与最初的高度。图20.显示关节的荷载位移曲线与不同的套筒高度。如图,当套管的高度增加套管厚度不变时,套筒接头的初始刚度逐渐增加。此外,与套筒高度的增加,极限荷载和极限位移不显著改变。因此,它不是经济改善关节的承载力增加套管的高度。

图21显示关节的滞回曲线与不同的套筒高度。通过比较关节与每个高度的滞回曲线,发现没有明显的变化。然而,随着高度的套筒高度的增加,航天飞机的形状变得更明显,滞回曲线变得丰满。它表明,增加高度可以提高关节的耗能能力和延性但没有显著的影响改变极限承载力和极限位移。此外,随着高度的增加,套管关节标本的制作变得更加困难。因此,关节的地震需求只能通过适当地增加了套筒的高度。

5。结论

本文数值模拟分析的方法用于钢管混凝土支架设计三个输卵管column-steel梁半刚性的套筒关节。联合组成两个钢板和套筒与钢管柱焊接在一起。上、下法兰和网的钢梁完全由手工电弧焊焊接,焊接套筒。验证了有限元模型的有效性与实验数据相比,和关节受到低循环荷载。不同参数下的力学性能进行了分析。根据本文的分析,可以得出以下结论:(1)半刚性的套筒接头模型建立的有限元分析并与之前的实验的滞回曲线和骨架曲线,验证有限元模型的适用性在模拟联合低循环加载下的抗震性能。(2)轴向压缩比和套筒的高度有什么影响极限承载力的关节和有一个小的影响能量耗散能力。设计的选择应根据经济原则。(3)套管的厚度和混凝土强度等级的主要影响因素是套筒接头的抗震性能。当套管的厚度增加或列的混凝土强度等级增加,关节的延性和极限承载力增加,以及能源消费能力也提高。(4)建议的厚度应该1套连接钢管的厚度的1.25倍。同时,根据经济的原则,建议套筒的高度不应大于2倍的高度连接钢梁。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目得到了黑龙江省自然科学基金(LH2019E005),基础研究基金为中央大学(2572017 cb02)和中国国家科学基金会(51408106),感激地承认。