开孔方管柱与工字钢梁连接的试验研究及有限元模拟分析

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方钢管柱-H型钢梁端板连接节点性能的有限元分析

方钢管柱-H型钢梁端板连接节点性能的有限元分析

方钢管柱-H型钢梁端板连接节点性能的有限元分析王烽;翁维素;孙国柱;支宏钰;曹传海;刘宁;潘宏宾【摘要】应用大型有限元软件ABAQUS,建立方钢管柱-H型钢梁端板连接的三维有限元模型,考虑了几何非线性、材料非线性和接触非线性,均采用拟静力加载方式进行分析.试件模型为两个系列,一个为端板加劲肋厚度系列,另一个为在设置端板加劲肋条件下的柱壁厚度系列,通过ABAQUS的分析得到其滞回曲线、骨架曲线、能量耗散系数.模拟结果分析表明:加劲肋的设置与柱壁的厚度对节点性能的影响较大,通过数据分析对比,本文给出此节点的构造设计建议,即端板应设置加劲肋,其厚度稍大于梁的腹板厚度,而柱壁厚度建议8-10 mm.【期刊名称】《河北建筑工程学院学报》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】6页(P7-12)【关键词】ABAQUS;方钢管柱-H型钢梁端板连接;加劲肋厚度系列;柱壁厚度系列【作者】王烽;翁维素;孙国柱;支宏钰;曹传海;刘宁;潘宏宾【作者单位】河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;张家口建筑设计院有限责任公司,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000【正文语种】中文【中图分类】TU30 引言现在,钢框架结构在多层、高层和超高层建筑以及大跨度大空间结构应用方面具有广阔发展前景[1].与其他建筑结构相比,它具有强度大、刚度大、稳定性好、整体性好、重量轻、承载力高、抗震性能稳定、滞回性能好、施工效率高、周期短等优点[2],在现代城市的建设中,其已经成为了目前最热门的结构型式之一.与其他国家相比,我国钢结构的相关方面发展比较慢,也比较晚,所以,我们对于钢结构的技术方面应加大力度研究,包括我们科研的水平、理论的水平、结构设计的技术等方面.目前钢框架梁柱节点连接的研究,许多学者广泛研究工字型梁和H型钢梁与H型钢柱的节点连接,相比之下,对于冷弯方管柱和H型钢梁连接节点研究较少[3-4].H型钢截面的x轴与y轴的刚度有较大的差距,其截面存在弱轴,根据其特点,所以用作柱子不是很经济.而方钢管柱截面的x轴与y轴刚度相同,与H型钢柱相比,其具有更好的抗扭性能,其平面外刚度大,更适合于作为框架柱,而且用钢量会更节省.但由于冷弯方钢管柱截面闭合,传统高强螺栓无法在单侧进行安装,一般需要现场焊接连接,所以本文分析模型为方钢管柱-H型钢梁端板连接,螺栓选用英国hollo-bolt单边螺栓螺栓,以解决闭口截面安装问题.此模型试件与其他连接相比,避免了现场的焊接,减少了焊接残余应力,采用的单边螺栓可以更加方便快捷的进行闭口截面连接,大大提高施工进度.1 模型试件尺寸表1 各试件尺寸试件编号柱壁厚度加劲肋厚度BASE8 mm8 mmJJLT08 mm0 mmJJLT108 mm10 mmZBT66 mm8 mmZBT1010 mm8 mm本试验选取典型的边柱节点作为研究对象,节点选取平面框架中梁柱反弯点间的组合体.模型为两个系列,一个为端加劲肋厚度系列,分别为JJLT0、JJLT8(即BASE)和JJLT10.另一个为设置端板加劲肋条件下的柱壁厚度系列,型号分别为ZBT6、ZBT8(即BASE)和ZBT10.所用加劲肋形式为三角形即63型[5],长度240 mm,高度120 mm,端板厚度为14 mm,螺栓选用英国的Hollo-Bolt单边螺栓,型号为8.8级M16.柱高度定为1750 mm,梁长度定为1550 mm,具体尺寸见下表1,图1为BASE试件尺寸图和图2为JJLT10试件尺寸图.图1 JJLT0试件尺寸图图2 JJLT10试件尺寸图2 材料本构模型2.1 钢材本构关系模型图3 钢材的本构关系模型中所用的钢材(即钢管柱、H型钢梁与外伸端板)均采用Q235B钢材,在建模过程中,本文采用的本构关系模型为双线性强化模型,如图3所示,所以在节点的应力-应变曲线中不会出现下降段.ABAQUS中必须用真实应力和真实应变定义塑性数据,根据钢材拉伸实验的数据进行计算得到梁、柱、加劲肋和端板的本构关系数据,相关的数值见下表2,钢材弹性模量均取=2.06×105N/mm2,泊松比取0.3.表2 钢材本构关系数据试件部位屈服强度(N/mm2)极限强度(N/mm2)梁245380方钢管290410端板270390加劲肋3004202.2 螺栓本构关系模型螺栓选用英国的Hollo-Bolt单边螺栓,型号为8.8级M16普通型,螺栓屈服荷载110 kN,极限荷载137 kN,弹性模量2.1×105 N/mm2,泊松比0.3.模型中的螺栓进行简化建模,在建模过程中采用双线性强化模型作为螺栓的本构关系模型,如图4所示.图4 螺栓的本构关系3 建立模型的其他条件3.1 模型的约束边界条件模拟应该尽可能反应真实的受力情况.本文在柱顶设置一个参考点,然后将参考点与柱顶截面进行耦合,通过对柱顶的参考点来施加对柱子顶部的约束.柱底不再设置参考点,直接约束柱底的截面,柱底设置为铰接.3.2 加载方案加载的方式分为三步,第一个步骤:对螺栓施加螺栓预紧力;第二个步骤:对柱顶施加轴向力,其值取410kN;第三个步骤:对梁端施加竖向位移荷载.梁端的拟静力加载采用采用位移控制加载的方式,加载的前期,每级加载的增量步取5 mm,当梁端位移加载到30 mm的级别时,后续的加载,每级增量步为10 mm,一直加载到90 mm.3.3 网格划分在有限元模拟过程中,单元的类型和单元的疏密是对模拟精度和模拟耗费时长的很重要的因素.如果采用尺寸过大的网格,模型的计算结果精度就会较低,但若采用很小的网格尺寸,这就会导致软件花费更多的试件来计算,因此应综合考虑两者,选择合理网格密度.ABAQUS提供多种单元簇类型,本文模型采用其中的三维实体线性缩减积分单元C3D8R.其中以JJLT0试件和JJLT10试件的网格划分为例,如下图5和下图6所示.图5 JJLT0试件网格划分图6 JJLT10试件网格划分4 有限元分析数据4.1 滞回曲线在反复作用下结构的荷载-变形曲线,又称恢复力曲线.它反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗,是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据.它的形状取决于结构和材料性能以及受力状态.这种曲线具有滞回性能并呈环状,称其滞回曲线[6].通过分析得到的节点滞回曲线,我们可了解节点在拟静力加载作用下的相关力学性能.本文节点的加劲肋厚度系列试件的滞回曲线对比图见下图7,柱壁厚度系列的滞回曲线对比图见下图8.图7 加劲肋厚度系列滞回曲线对比图图8 柱壁厚度系列滞回曲线对比图4.2 骨架曲线滞回环曲线上连接各轮循环加载峰值点的曲线称为骨架曲线,即滞回曲线的包络线.骨架曲线综合反映了模型承载力和变形的关系,是结构抗震性能的综合表现.加劲肋厚度系列的骨架曲线对比图见下图9,柱壁厚度系列的骨架曲线对比图见下图10.图9 加劲肋厚度系列骨架曲线对比图图10 柱壁厚度系列骨架曲线对比图4.3 耗能能力结构的耗能一般被认为是其延性的能量表达.当结构遭遇到地震时,地震能量就会输入结构,结构会对地震能量进行处理,结构通过材料摩擦,变形和局部损坏的方式对其吸收和耗散.所以结构吸收和耗散的能量越多,结构就会越安全,就不会轻易地被破坏.结构的滞回曲线越饱满,其所包围面积越大,则说明结构吸收和耗散的能量也就越多,结构的耗能能力也就强.为了判断结构的耗能能力,本文引用能量耗散系数E[7]和等效粘滞阻尼系数ξe,以图11为例,计算公式如下:能量耗散系数E:等效粘滞阻尼系数ξe:由公式处理得到加劲肋厚度系列和柱壁厚度系列的耗能能力两个指标,见下表3. 图11 荷载-变形滞回曲线表3 节点的耗能指标试件编号状态EξeBASE破坏状态2.1550.343JJLT0破坏状态2.3900.380JJLT10破坏状态2.1330.339ZBT6破坏状态1.9310.307ZBT8破坏状态2.5130.400 4.4 模拟结果分析两个系列试件的P-Δ曲线大体发展一致,随着加载位移的不断增加,结构的反力也在持续增大.加载的初期,滞回曲线基本上沿着直线上升,卸载时也基本上没有残余应变,该阶段内位移与荷载呈线性关系,表明结构各部分均处于弹性阶段.随着加载的位移增加,滞回曲线不再保持直线状态,但卸载时的残余应变仍然不是很大,但从此时开始,结构的刚度开始降低,节点进入了弹塑性阶段.位移荷载继续增大,结构的变形也越来越大,而结构的反力却出现增加很慢的现象,说明了节点进入塑性阶段.最后达到加载最大位移而停止,即为破坏.数据表明,两个系列试件的滞回曲线均呈现梭形,较为饱满,具有良好的抗震性能.设置加劲肋的试件JJLT8(即BASE)和JJLT10的滞回曲线比不设置加劲肋的试件JJLT0承载力提高较大,但是JJLT8(即BASE)与JJLT10模型的滞回曲线相差不多.ZBT12、ZBT14(即BASE)和ZBT16的承载力有较大的变化.从骨架曲线来看,加劲肋厚度系列试件中,JJLT0的极限承载力为51kN,JJLT8(即BASE)的极限承载力为73kN,JJLT10的极限承载力为75kN.相比于BASE,JJLT0的极限承载力下降了30.1%,JJLT10的极限承载力提高了2.7%.研究表明:设置端板加劲肋比不设置加劲肋的承载力提高较大,初始转动刚度也有较明显的增加.但是,节点端板的加劲肋设置后,改变加劲肋的厚度对节点承载力和刚度影响不明显.在柱壁厚度系列试件中ZBT6的极限承载力为58kN,ZBT8(即BASE)的极限承载力为73kN,ZBT10的极限承载力为85kN.相比于ZBT8试件,ZBT6的极限承载力下降了20.5%,ZBT10的极限承载力提高了16.4%.研究分析表明:设置端板加劲肋的柱壁厚度系列试件,其柱壁厚度的变化对节点承载力和初始刚度有较大影响.从耗能能力指标来看,加劲肋厚度系列试件中,无加劲肋的试件JJLT0的能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数都比设置加劲肋模型的大,在设置端板加劲肋后,随着加劲肋厚度的增加,其耗能的两个指标也随之降低,但降低较小.在柱壁厚度系列的试件中,耗能能力的两个指标都随柱壁厚度的增加而增大.5 结论本文运用ABAQUS软件,建方钢管柱-H型钢梁的连接节点模型,研究两个变量对此节点的影响,一个为端板加劲肋厚度系列,另一个为在设置端板加劲肋后的柱壁厚度系列.根据分析数据,两个系列试件都有较好的抗震性能,并得到以下结论: (1)加劲肋厚度系列:设置端板加劲肋的节点比不设置加劲肋的节点性能更好,明显提高了节点的承载力与初始刚度,但加劲肋厚度的改变对节点的无明显影响,所以建议此类节点设置端板加劲肋,厚度稍大梁腹板厚度.(2)柱壁厚度系列:柱壁厚度的变化对节点性能影响较大,由分析可知,柱壁不能过薄,但也不能一味增厚,在本文条件下,本文建议柱壁厚度取8 mm~10 mm. 参考文献【相关文献】[1]刘林,陈晓光.我国钢结构产业现状及发展趋势浅析[J].建筑与结构计,2010,3(19):19~22[2]陈云波.我国钢结构现状与发展途径[J].建筑技术,1997,28(7):477~479[3]C.Málaga-Chuquitaype,ponent-based mechanical models forblind-bolted angle connections[J].Engineering Structures,2010:3048~3067[4]Huu-Tai Thai,Brian Uy.Finite element modelling of blind bolted compositejoints[J].Journal of Constructional Steel Research,2015:339~353[5]赵伟.梁柱外伸端板螺栓连接中若干问题研究[D].浙江:浙江大学,2006[6]顾强等著.钢结构滞回曲线及抗震设计.北京:中国建筑工业出版社,2008[7]中华人民共和国行业标准.建筑抗震试验方法规程(JGJ 101-96)[S].北京:中国建筑工业出版社,1997。

方钢管混凝土柱与钢梁半刚性连接三维有限元分析

方钢管混凝土柱与钢梁半刚性连接三维有限元分析
6 3
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管与端板 、 垫板之间的摩擦系数为 03 [ .3 。取模 型的一半进
衡此拉力 , 需要借 助 于螺 帽承压来 抵抗 剩余 的轴力 , 因此 在 柱 的另一侧 ( 无梁侧 ) 帽附近 的管内混凝土 VnMs 应 力 螺 o is e 比较大 ( 3b)荷载继续增加 , 图 (); 螺帽承受的压力愈大 , 且螺 帽的面积较 小 , 帽 附 近 的管 内混 凝 土很容 易产 生 局部 压 螺
选用 Cn 4 混凝 土与钢管之间的摩擦系数取 02[。钢 ot1 , a7 .5 l 4
*国家 自然科学基金资助项 目( o 5385 ) N: 7 8 0 0
收稿 日期 :0 6 70 20- -5 0
作者 简介 : 邵广森 , , 男 广东电 自县人 , 主要从事工业与 民用建筑及水利工程设计工作 。
不被过早 压碎 , 在钢 管 的 另一 侧 设 置 螺栓 垫 板 , 度 为 2 厚 【 )
m m O
结果 , 因此钢管 与钢 梁采用 六面体八 节点 实体单元 Sl , o i4 d5
每个节点 具 有 3个 自由度 。螺 栓 帽 近似 按 圆形 考虑 , 采用 Sl 5单元 , od4 i 螺栓为楔形体 ( Sl 5 化而成 ) 由 o i4 退 d 。考虑钢
碎, 因此需 在螺帽 与钢 管之 间加设 垫板 , 增加 管 内混凝 土 的 受力面积 。中间位 置 穿芯 螺栓受 到 的拉力较 上部螺 栓 的拉 力小 , 其螺栓孔附近的混凝 土应力也 比较 小( 3 c ) 图 ( ) 。底部
行非线性分析, 网格划分情况见图 2 。整个模型具有 1 91 12
1 有 限元模型介绍
图 l 模 型试件 尺寸 有限元计算模 型中 , 混凝土采用能 够反映混凝 土特性 的

方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点承载力与变形的有限元分析

方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点承载力与变形的有限元分析

方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点承载力与变形的有限元分析摘要:目的研究方钢管混凝土柱-钢梁外加强环式节点在单调荷载作用下的破坏机理和受力性能.方法通过有限元软件ANSYS对梁柱节点进行非线性有限元分析,分析了轴压比、套箍指标等参数对节点承载力与变形的影响.结果构件最后破坏时,节点区的钢管壁产生了严重的扭曲变形,模型的实体单元遭到严重破坏.结论方钢管混凝土柱—钢梁外加强环式节点具有优良的刚度及耗能能力,且加强环的设置有效地降低了节点区的应力集中。

关键词:梁柱节点;钢管混凝土;有限元;非线性Abstract: Objective To study the CFRT column - steel beams outside to strengthen the ring node failure mechanism under monotonic loading and mechanical properties of the beam-column joints by finite element software ANSYS nonlinear finite element analysis, analysis of the axis pressure ratio, sets the hoop indicators and other parameters to the bearing capacity and deformation of the final destruction of the results of component, the nodes of the steel pipe wall to produce a serious distortion of the solid elements of the model have been seriously damaged. conclusion CFRT column -the outer steel beams to strengthen the ring node with excellent stiffness and energy dissipation capacity, and the strengthening ring setting effectively reduces the stress concentration of the node area.Keywords: beam-column joints; concrete filled steel tube; finite element; nonlinear钢管混凝土结构的基本原理是借助方钢管对核心混凝土的套箍约束作用,使核心混凝土处于三向受压状态,从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。

方钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

方钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析
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第3 4卷 第 4期

9 ・ 6
2 008年 2月
山 西 建 筑
S HANXI ARCH I TECTURE
Vo. 4 No 4 13 . Fe b. 2 0 O8
文 章 编 号 :0 96 2 (0 8 0 0 60 10 —8 5 20 )40 9 —3
3 计算 结果及 分析

文 中分析
限制其 发生水平 位移。此次分 析 的柱 下端采用 全约束 , 上 2 钢材的本构关系及强度准则。对钢管 、 T型加劲板及钢 由度 , ) 双 5 " 梁 同 梁 的强 化 准 则 均 采 用 经 典 的 多 线 性 随 动 强 化 本 构 模 型 ( l s a 端 约束 3, 方 向 自由度 , 采 用 两 种 方 式 加 载 , 时 在 柱 顶 施 加 Ca i l sc N Bl er ie t adn )使 用一 个多线 性来 表示 应 力应 变 曲 5k 的 面 荷 载 。 i a nmai H ri , i K b c g
1钢材的材性。文中的钢材选用 e 3 钢 , ) 5 弹性模量取 2 0 力 、 .6× 压力 , 同时还可以模拟 钢的弹 塑性 性 质。混凝土 选用 Sl6 od 5 i 1 rm , 0 N/ 2泊松 比取 0 3 屈服强度取 2 5N/ m2 a ., 3 r 。钢材 的材性 单元建模 。 a
应 变 /t te
图 1 节 点 实 体
图 2 钢 管 内 混凝 土 应 力一 应 变 关 系 图
2 定义材 料属 性和单 元类 型
2 1 钢材 .
2 3 材 料模 型 .
划分单 元时 , 管及 钢梁 采用 8节点 的 Sl 4 钢 oi 5单 元 , d 选用

方钢管混凝土柱_钢梁外隔板式节点非线性有限元分析

方钢管混凝土柱_钢梁外隔板式节点非线性有限元分析
有关的研究表明 ,加入粘结单元对钢管混凝土 性能的影响不明显 [ 14 ] ,本次分析中 ,假设钢材与混 凝土之间完全粘结 。
2 有限元结果分析
2. 1 荷载 —位移曲线
图 6为有限元分析所得的 SJ - 01C, SJ - 02C荷
载 —位移曲线与试验骨架曲线比较 ,表 2为有限元
分析所得的试件性能与试验结果对比 。
60
四川建筑科学研究
第 35卷
1 有限元分析模型的建立
1. 1 钢材本构关系和屈服准则 常用的钢材本构关系有双折线模型 、多折线模
型等 ,这些本构关系模型虽然定义简单 ,但精度不 高 ,难以精确地描述钢材
在非线性阶段的应力 —
应变关 系 。本 文钢 材本
构关 系 根 据 钢 材 拉 伸 试
(N /mm2 ) (N /mm2 ) (N /mm2 ) / (N /mm2 )
φ
φ f
1. 95
19. 5
20000
2. 57
60. 6° 60. 6°
1. 3 边界条件的模拟与加载方式
有限元分析时 ,采用约束柱顶端的 x, y 两个方
向线位移和柱底端的 x, y, z三个方向线位移的方法
模拟柱上下端的铰结 。与试验一致 ,柱顶施加 400
/mm 38. 7
48. 3
SJ - 02C
试验 有限元
82. 1 96. 7
Nonlinear ana lysis on connection w ith outer d iaphragm s between square concrete f illed steel tube columns and steel beam s
HUAN G B ingsheng, DU Peiyuan, FAN J ianhui

方钢管混凝土柱-钢梁组合节点试验研究的对比分析

方钢管混凝土柱-钢梁组合节点试验研究的对比分析

方钢管混凝土柱-钢梁组合节点试验研究的对比分析【摘要】本文介绍了方形钢管混凝土柱-钢梁隔板式连接节点在国内外的研究现状,对比分析了方钢管混凝土柱-钢梁组合节点试验试件的破坏模式以及加载制度,并对今后的试验研究需要进一步解决的问题进行了探讨。

【关键词】方钢管混凝土柱-钢梁; 节点试验;破坏模式;加载模式【abstract 】this paper introduces the concrete filled steel tube column-square steel partition type connected node in the domestic and foreign research status, comparison and analysis of the concrete filled steel tube column-the party steel beam combination node test specimen failure mode and loading system, and future research needs further testing to solve the problems are discussed.【keywords 】party CFST column-steel beam; Node test; Failure mode; Loading mode方钢管混凝土结构具有强度高、延性好、耐火强、抗震性能优越等特点,连接节点设计及施工简便,成为钢结构住宅、多高层建筑发展的一个重要方向。

一、国外的试验研究现状1985年,Mastui首次提出并研究了外隔板式和隔板贯通式节点,进行了6个方钢管混凝土柱-宽翼缘钢梁外隔板和隔板贯通节点试件的静力试验研究,提出了两种节点的容许抗弯承载力计算公式,被日本建筑学会AIJ(1987)规范所采用。

1995年,Koji Morita 等通过对水平和竖直内隔板式节点的拟静力试验研究,首次利用了屈服线理论得出了节点的抗拉及抗剪承载力计算公式。

方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析

方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析

第23卷第11期 V ol.23 No.11 工程力学2006年11 月Nov. 2006 ENGINEERING MECHANICS 99 文章编号:1000-4750(2006)11-0099-11方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析*聂建国1,2,秦凯1,2,肖岩3(1. 清华大学土木工程系,北京 100084;2. 清华大学结构工程与振动教育部重点实验室,北京 100084;3. 南加州大学土木工程系,洛杉矶 90089)摘要:基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验,在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。

有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。

在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析,研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响,结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。

关键词:方钢管混凝土柱;内隔板式节点;外加强环式节点;有限元分析;参数分析中图分类号:TU317.1 文献标识码:AEXPERIMENTAL INVESTIGATION AND NONLINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS ON THE BEHA VIOR OF CONCRETE-FILLED SQUARE STEELTUBULAR COLUMN CONNECTIONS*NIE Jian-guo1,2 , QIN Kai1,2 , XIAO Yan3(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3. Department of Civil Engineering, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, U. S.)Abstract:Based on the experiments of concrete-filled square steel tubular column connections with interior or exterior diaphragms under cyclic loading, 3-D nonlinear finite element models were used to analyze the mechanical properties of these two types of connections using ANSYS. Based on appropriate material stress-strain relations and failure criteria, finite element analyses were conducted under monotonic loading and cyclic loading. The load - deflection curves and shear force - deformation curves by finite element analyses show good agreement with those of the experiments. Parametric analyses were conducted on the connections with exterior diaphragms to investigate the influences of compression ratio, width to thickness ratio, strength of the concrete in the square steel tube and concrete slab height. It is found that compression ratio and width to thickness ratio are more important to the connections.Key words:concrete-filled square steel tubular column; connections with interior diaphragms; connections with exterior diaphragms; finite element analysis; parametric analysis———————————————收稿日期:2005-03-02;修改日期:2005-06-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(50438020)作者简介:*聂建国(1958),男,湖南衡阳人,教授,博士,博导,从事结构工程研究(E-mail: niejg@);秦凯(1979),男,山西太原人,博士生,从事结构工程研究;肖岩(1961),男,内蒙古呼和浩特人,教授,博士,从事结构工程研究。

钢框架梁柱刚性连接节点抗震性能的有限元分析比较的开题报告

钢框架梁柱刚性连接节点抗震性能的有限元分析比较的开题报告

钢框架梁柱刚性连接节点抗震性能的有限元分析比较的开题报告一、研究背景随着近年来我国城市化进程的加速,越来越多的高层建筑和大型构筑物涌现出来。

而在建筑物中,梁柱刚性连接节点是承受重大外力的重要部位,其抗震性能对建筑物整体稳定性具有至关重要的影响。

因此,对于这类节点抗震性能进行深入研究是非常必要的。

目前,研究者们通常采用有限元方法,对梁柱刚性连接节点进行数值模拟分析。

该分析方法利用计算机软件,将结构分成若干个小单元进行计算,可高精度地预测梁柱刚性连接节点的受力情况和应变分布等。

同时,由于工程实际中常常受到时间、经费等因素的限制,研究者们又往往采用了快速分析与设计的需求,使得使用有限元分析的研究成为越来越流行的方法。

二、研究目的本研究旨在采用有限元分析方法,探讨钢框架梁柱刚性连接节点(包括角钢节点、嵌板节点、板-板连接节点)在地震作用下的受力特性、变形特点以及破坏机理等方面的问题,并比较它们之间地震响应的异同情况,以为建筑抗震设计和构造设计提供科学的参考。

三、研究内容和方法1.建立有限元模型:根据实际钢框架梁柱刚性连接节点的设计方案,采用计算机辅助设计软件建立有限元模型。

2.进行静力分析:采用新标准下的等效静力法,对有限元模型进行静力分析,确定其承载力。

3.进行动力分析:采用增量动态分析方法,将地震荷载转化为等效静力荷载进行分析,确定结构在地震作用下的动力响应。

4. 分析结果对比:对3种类型的连接节点,基于其在地震下动力响应表现的不同,在受力特性、变形特点以及破坏机理等方面进行分析和对比。

四、预期成果1.掌握钢框架梁柱刚性连接节点抗震性能的数值分析方法,能够进行快速的抗震设计和分析。

2.详细分析探究角钢节点、嵌板节点、板-板连接节点在地震作用下的受力特性、变形特点以及破坏机理等问题,为钢结构的构造设计提供理论支持。

3.为相关行业提供科学的建筑安全评估以及钢架结构的优化设计方案。

五、参考文献1.孙士光. 动力分析与设计. 机械工业出版社, 2014.2.高圣利,钢框架结构设计详解. 上海科技教育出版社,2005.3.曹光华,林青,钢结构建筑物抗震设计规范. 中国建筑工业出版社,2008.。

方钢管混凝土柱卡扣机械连接试验及有限元分析

方钢管混凝土柱卡扣机械连接试验及有限元分析

compared with the test data. The test results show that the clamping mechanical connection device of
concrete filled square steel tubular column is convenient to constructꎬ has high bearing capacityꎬ and
随着我国城市化进程及建筑工业化的快速发
钢和混凝土两种材料的特性ꎬ已在实际建筑工程
批量生产、节能环保、造价低廉、施工速度快等众
土柱连的连接性能对整体结构性能至关重要ꎬ目
展ꎬ钢管混凝土柱以其承载力高、适合工厂预制化
多优 点ꎬ 得 到 建 筑 行 业 及 专 家 学 者 的 高 度 重

[1]
ꎮ 并且钢管混凝土柱能够最大程度的发挥
( 华北理工大学 a. 建筑工程学院ꎻ b. 河北省地震工程研究中心ꎬ 河北 唐山 063210)
摘 要: 针对方钢管混凝土柱设计了一种新型卡扣机械连接装置ꎬ为了研究其连接性能ꎬ设计了单卡扣和双卡
扣两种机械连接试件ꎬ分别进行单向力学性能试验ꎬ对比分析了两种机械连接装置试件的破坏形态和承载力ꎮ
is safe and reliable. The failure of the specimens is that the welded steel plate at the joint of square
steel pipe and sleeve has greater stressꎬ which leads to weld cracking. The strength and welding quality

一种方钢管柱与工字钢梁的套管式连接节点[实用新型专利]

一种方钢管柱与工字钢梁的套管式连接节点[实用新型专利]

专利名称:一种方钢管柱与工字钢梁的套管式连接节点专利类型:实用新型专利
发明人:刘锋,王新
申请号:CN201620336290.1
申请日:20160420
公开号:CN206233377U
公开日:
20170609
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本实用新型涉及一种方钢管柱与工字钢梁的套管式连接节点,包括:方钢管柱、工字钢梁和套管式连接件,工字钢梁由两个相互平行的盖板以及垂直连接于两盖板之间的中心腹板组成,所述的连接件包括套管和定位板,所述的套管与所述方钢管柱的外形相配合并套在方钢管柱的外周壁上,套管与方钢管柱的间隙处经膨胀水泥浆填充并膨胀粘接,定位板由连接板和与连接板垂直的翼板组成,定位板的截面呈T字形,两个平行相对的定位板经连接板焊接在套管的管壁上,两个定位板的翼板之间形成卡合口,所述工字梁的中心腹板卡合在卡合口中,所述翼板上分别设有相配合的通孔,定位螺栓贯穿上下两侧的翼板和中心腹板使连接件与工字梁固定连接。

申请人:文登蓝岛建筑工程有限公司
地址:264499 山东省威海市南海新区金海路
国籍:CN
代理机构:威海科星专利事务所
代理人:于涛
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不规则开孔梁试验及有限元参数化分析

不规则开孔梁试验及有限元参数化分析

beam -2 的应力/M Pa
最大应力
孔边最大应力
最大应力
孔边最大应力
237.78
97.31
220.12
113.18
1.3F
320.83
F 为实际设计荷载的等效荷载
126.46
302.14
146.32
荷载/kN 荷载/kN
4 有限元分析
4.1 有限元建模 本文采用 ABAQUS/Standard 进行有
②对钢梁进行有限元参数化分析表 明 ,开不规则巨型孔钢梁相较普通未开孔 钢梁 ,开孔后若不对孔边进行加强 ,可使 梁跨中变形刚度减小约 13%;若对孔边进 行加强措施 ,则梁跨中变形刚度约增加 10%。由于通过对孔洞加强 ,增加了远离 中心轴两侧钢材面积和钢梁的惯性矩。
参考文献
[1] GB 50017—2017. 钢结构设计标准[S]. [2] Chung K F, Lawson R M. Simplified
1.3 倍 设 计 荷 载 下 梁 上 的 应 力 分 别 为
205.1MPa 、268.3MPa 。
通过理论计算及试验表明 ,型钢梁开
不规则巨型孔后 ,对孔边进行加强则梁上
最大应力增量小于 20% ,并且钢梁强度能
满足钢结构设计要求。
○ 数字化与信息化 ○
荷载 F
表 1 梁上最大应力
beam -1 的应力/M Pa
with open holes is about 12% higher than that of the girder without open holes. However, the stress distribution on the steel beam is affected

方钢管混凝土组合柱的轴压工况有限元模拟

方钢管混凝土组合柱的轴压工况有限元模拟

安徽建筑中图分类号:TU528.571文献标识码:A 文章编号:1007-7359(2021)11-0060-02DOI:10.16330/ki.1007-7359.2021.11.0240前言方钢管混凝土柱具有较高的抗压承载力,梁柱节点处易于施工等特点,因此在工程中常作为受压构件被广泛使用。

丁发兴[1]采用实验和ABAQUS 有限元模拟分析相结合的方法,根据极限平衡理论,提出了新的方钢管混凝土短柱实用承载力计算公式。

程高[2]、齐浩等[3]基于ABAQUS 软件采用S4四节点完全积分的壳体单元模拟钢管,采用C3D8八节点线性六面体单元模拟混凝土,建立了方钢管混凝土的完整模型。

而卢方伟[4]采用ABAQUS 中的20节点减缩积分的六面体二次单元C3D20R 建立核心混凝土模型,钢管模型采用8节点三维非协调单元C3D8I ,建立了八分之一柱体模型,研究钢材与混凝土接触面的压力与荷载的关系。

三者建模中的混凝土材料的本构模型皆采用ABAQUS 软件中的塑性损伤模型。

李海峰[5]采用有限元分析软件ABAQUS 建立了9根方钢管混凝土柱的有限元分析模型,混凝土采用损伤塑性模型和实体单元C3D8R ,钢板采用壳单元S4R ,综合分析不同轴压比、钢板强度、混凝土强度对方钢管混凝土柱轴压性能的影响,得出提高混凝土强度等级可以有效提高柱的承载力这一结论。

曹君尧[6]通过有限元软件ABAQUS 采用实体建模,用8节点线性减缩积分格式的六面体单元C3D8R,对模拟的12个不锈钢方钢管混凝土轴压短柱进行变形能力、承载能力数值的对比分析,提出了不锈钢方钢管混凝土轴压短柱承载力的建议公式。

李帼昌[7]采用ABAQUS 有限元软件对内置CFRP 工字形型材的方钢管混凝土偏压短柱进行模拟,建立4个部分有限元单元。

两端盖板、钢管以及核心混凝土均选用8节点缩减积分的三维实体单元(C3D8R )。

采用结构化网格划分技术,将两端盖板视为弹性体,CFRP 型材选用4节点缩减积分壳单元(S4R )。

开孔钢板的平面弹性抗拉刚度研究

开孔钢板的平面弹性抗拉刚度研究

开孔钢板的平面弹性抗拉刚度研究开孔钢板的平面弹性抗拉刚度研究周超肖红飞(东莞理工学院城市学院城市与环境科学系,广东东莞523419) 摘要:在螺栓连接的钢结构中,对钢板进行开孔是不可避免的,例如方钢管柱与工字形梁的端板螺栓连接。

钢板的开孔会影响板的性能,特别是对于节点而言,基于组件法的思想,钢板的开孔使得节点中某一组件的性能减弱,从而影响到节点的性能。

主要通过建立有限元模型研究了开孔的位置、孔径、数量以及孔间距对板的抗拉刚度的影响,进而得到了一个能够计算开孔板抗拉刚度的经验算式。

此经验算式计算结果与有限元计算结果相接近,验证了计算式的正确性。

关键词:有限元模型;开孔板;抗拉刚度;经验计算式1 概述在螺栓连接钢结构中,钢板的开孔是不可避免的,例如方钢管柱与工字形梁的端板螺栓连接。

钢板由于开孔会使得板本身的性能削弱,特别是在螺栓连接的节点中,钢板的开孔降低了板本身的承载力以及平面内的刚度,进而影响了节点的整体性能。

因此,有必要对板开孔后的性能进行研究,以便能应用到结构的性能分析中去。

目前关于开孔板的性能研究大都是国外学者在做,而国内学者研究的较少。

国外学者对于开孔板性能的研究主要集中在受不同形式、不同位置的荷载作用及开孔孔径大小、位置及形状的影响,板的弹性屈曲性能和承载力的分析[1-9]。

国内季小莲对开孔抗剪板的受力性能进行了试验研究和分析,提出了抗剪板的设计建议[10-11]。

而本文受欧洲规范[12]采用组件法计算节点的初始转动刚度的启发,板件的受拉、受压以及受剪刚度是节点初始转动刚度的主要组成部分,因此有必要研究钢板开孔后其平面刚度的变化。

本文主要通过建立有限元模型研究了开孔的位置、孔径、数量以及孔间距对板的抗拉刚度的影响,并得到了一个能够计算开孔板抗拉刚度的经验计算式。

2 有限元分析的有效性2.1 板刚度问题描述本文主要研究开孔钢板的抗拉刚度,但是基于目前对开孔钢板的刚度研究甚少,故先从未开孔板进行分析,进而延伸到开孔板的刚度研究。

压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究

压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究

压力容器开孔接管区的有限元分析和实验研究摘要:为了揭示压力容器开孔接管区的受力特性和应力分布规律,笔者对某压力容器开孔接管区进行了有限单元法分析并对其进行了应力强度评定。

其分析过程和计算结果可为试验和生产提供一定的参考和依据。

关键词:压力容器;开孔接管区;有限元分析;实验研究前言:容器开孔接管区的应力状况非常复杂,这是因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性,削弱了原有的承载面积,在开孔边缘附近必定会造成应力集中;另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区,壳体与接管在内压作用下自由变形不一致,在变形协调过程中将产生边缘应力。

因此,对这类应力的求解是相当复杂的,工程上常采用应力集中系数法、数值解法、实验测试法和经验公式来计算局部应力。

应力数值计算的方法比较多,如差分法、变分法、有限单元法和边界元法等。

近年来,在计算机技术和数值分析方法的支持下发展起来的有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)方法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。

有限单元法的基本思路是将连续体离散为有限个单元的组合体,以单元节点的参量为基本未知量,单元内的相应参量用单元节点上的数值插值,将一个连续体的无限自由度问题变成为有限自由度的问题,再利用整体分析求出未知量。

显然,随着单元数量的增加,解的近似程度将不断改进,如单元满足收敛要求,近似解也最终收敛于精确解。

ANSYS软件是集结构、流体、电场、磁场和声场分析为一体的大型通用有限元分析软件,拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器,在合理的边界条件下可获得问题的精确求解。

1模型的有限元分析1.1问题描述压力容器筒体内径D i=2 0 0 0 m m,壁厚c=30mm,接管外径do=530mm,壁厚tn=15mm,压力容器与接管的材料为16MnR。

接管内伸长度Li=195mm,外侧过渡圆角r1=30mm,内侧过渡圆角r2=15mm;内压p=1.2MPa。

组合工字钢结构钢梁受力性能试验研究与分析

组合工字钢结构钢梁受力性能试验研究与分析

组合工字钢结构钢梁受力性能试验研究与分析
任轶蕾;石鑫朔;任小强;孟蕾;王森林
【期刊名称】《山东农业大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(53)2
【摘要】为解决轻钢结构螺栓连接节点现场施工较难定位安装的问题,本文对自攻螺钉连接的组合工字钢钢梁进行了受力性能试验,研究了不同自攻螺钉间距对钢梁极限承载力和挠度变形的影响,分析了组合工字钢在实际设计过程中的抗弯刚度等效系数问题,并采用ABAQUS有限元分析软件对试验过程进行了数值模拟分析,分析结果验证了试验的有效性。

研究结果表明,自攻螺钉间距对组合工字钢结构钢梁的极限承载力影响不大,而对挠度变形有一定影响,自攻螺钉呈现剪切破坏。

【总页数】6页(P320-325)
【作者】任轶蕾;石鑫朔;任小强;孟蕾;王森林
【作者单位】河北农业大学土木工程系;河北农业大学工程结构实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU392.5;TU323.3
【相关文献】
1.方钢管混凝土柱-工字型钢梁节点受力性能的非线性有限元分析
2.莱钢产轧制H 型构件受力性能的理论与试验研究(Ⅴ)轧制H型钢梁整体稳定性能研究
3.波形钢腹板工字钢梁抗弯性能试验研究
4.钢梁高度对双工字钢板组合梁的力学性能影响分析
5.方管柱与工字型钢梁半刚性连接性能的试验研究
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主要集中在梁柱端板连接 、 T型钢连接 、顶底角钢 连接以及带双腹板顶 、 底角钢连接, 但对于开孔方 管柱 与工 字钢梁 的端板连接还未见报道 . 文献[】 3
对 H 型钢 梁柱 外 伸端 板螺 栓连 接 节点 陛能 进 行 了
异, 这些理论不能直接照搬. 我国现行 《 钢结构设
计规范 》( B 0 ) G 5 0 也只针对半刚性高强螺栓连接 1 7
M — 拟合 曲线, r O 且结果表 明利 用幂函数模 型拟合节点的M — 曲线是 可行的, r o 而且在相 当大
的转 角范 围 内与试 验 结果相 当吻合 ,拟合 结 果 为 实际应 用提供 了可供 参 考 的数 学表 达 式. 关键 词 :开孔 方 管;半 刚性 连接 ;有 限元模 拟 ;数 学拟合 中图分 类号 : U3 1T 1 T 9 ; U3( 理工版 )
2 l OO
1 试验方案
图 1 4组方管柱与工字钢梁端板连接( 为 分别 记为 J 1 J 2 D 、J 4的构造详图. D 、 D 、J 3 D ) 钢梁 、钢 柱采用 Q 3B 螺栓为 1 锰钢, 25 , 6 均为 M8 级摩擦 . 8 型高强螺栓. 端板与工字钢梁的连接均为熔透焊,
第 2 卷第 2 3 期
宁 波 大 学 学 报 (理 工 版 )
J UR O NALO NGB U VE S T NS E) FNI O NI R I Y( E
Vb . O2 I N . 23 Ap . 01 r2 0
2 1 4月 0 0年
文章 编 号 : 0 .12( 00) 20 0—5 1 153 2 1 0 —190 0
2 有 限元模 拟 分 析
考虑到连接 的对称性, 分析时采用了对称结
构. 梁、 柱材质为 Q 3 B钢材, 25 屈服强度取实测平
均值 , 5 a 弹性模量为 E= . ×1 a =25 MP , 2 7 0MP , 0
泊松比 v . 分析 中所采用的高强螺栓等级为 =0 . 3
8 级,厂 = 6 MP , . 8 , 60 a 弹性模量取为 E= . ×1 26 0 0
目前 国 内对 钢结 构 梁 柱 节 点 的半 刚性 连 接 开 展 了一 系列 试 验 研 究 和模 拟 分 析 ¨ 】 之,且研 究 内容
步 较 早 ,并 开展 了较 多 的试 验 研 究和 理论 分 析 【 j 5, 并 建 立 了初 步 的设 计理 论 ,但 由于 规 范之 间 的差 】
开孔方 管柱 与工 字钢梁连接 的试验 研 究及 有 限元模 拟分析
王 剑 平 ,王 雪娇 2 ,王新 堂 2
(. 1 浙江二建 钢结 构有 限公司,浙江 宁 波 3 50 ; . 大学 建筑工程与环境 学院, 12 7 2宁波 浙江 宁波 3 5 11 12 l
摘 要 :针 对 工程 中应 用 广泛 的 方管柱 与 工 字型 钢 梁的端 板连 接 ,对 1 不 同构 造 的节 点进行 了静 组 力试 验研 究及 有 限元模 拟 分 析 ,试 验 结 果 不仅 得 到 了连接 点 的 M —O 关 系曲线 ,而 且也 得 到 了 r

研究, 出用节点尺寸来计算节点初始转动刚度 岛 提
的计算公式, 通过与试验结果 比较, 验证 了初始转 动刚度 k 计算公式的正确性, i 并对节点的破坏形 式、 抗震性能及影响节点初始转动刚度的因素进行
了分 析 讨 论 . 献 [] 行 了 螺 栓 角钢 连 接 节 点 的 文 4进
方管柱开孔周 围的应力分布,为分析此类连接点的力学特性提供 了理论依据. 试验 结果 同时表
明:端 板厚 度 的 增加 及 外伸 端板 的连接 螺 栓 至上 下翼缘 板 距 离的增加 均 会提 高连接 的初 始 刚度 .
此 外 ,在 对 试 验 结 果 与 有 限 元 模 拟 分 析 进 行 比较 的 基 础 上 ,还 得 到 了与 试 验 结 果 相 对 应 的
侧开设了手孔, 能更好地反映实际情况. 研究所
三维 非线性 有限元分析, 讨了螺栓 角钢连接 的 探 受 力性 能. 国外学者对半 刚性 连接性 能的研究起
得 出的 M — 曲线和几 点结 论可供具有该类节点 r O 的整体结构分析与实际设计参考.
收稿 日期 :20 —01 . 091.5 宁 波大 学 学报 ( 工版 )网址 : t :3bn ueu n 理 ht / x . . . p/ b dc 基 金项 目: 江省 科技 计划 项 目 ( 0 8 20 3); 波市 自然 科 学基 金 ( 0 9 1 18 浙 20 C 3 1 宁 20 A60 3 ). 第一作者:王剑平 ( 9 0 16 一),男, 浙江l海人, I 缶 工程师,主要研究方向:钢结构与施工技术管理. — i z g g@ma . p .. Emal  ̄gb s : in nz c lb jn + 通讯作者:王新堂 ( 93一),男,陕西凤翔人, 16 教授, 主要研究方向:钢结构与结构抗火. - i wag it g b uc Ema : n xna @nue . l n d n
MP . 的腹 板 、翼缘 、端板 、螺栓 头 、螺杆 、螺 a梁
端板与方管柱则通过 高强螺栓连接. 方管柱上均
开设 ql0的手孔 ,以方便现 场安装 . b0
母、方形柱均采用八结点各向同性的 S LD 5实 O I4 体单元, 采用非协调模式和完全积分, 并且沿厚度 板方向定义为 2 层单元. 因为在整个加载过程中螺 杆和螺栓头 、 螺母及其所接触的板件始终紧紧压在
规定了 “ 梁柱半刚性连接是有 限的转动刚度, 在承 受 弯矩 的同时会产生相应 的转 角, 内力分析时 在 必 须确定连接矩 一转 角特性,以便考虑变形的影 响”, 但并没有给 出M — r O关系的具体数值 . 笔者 所研究 的对象为具有一定工程应用前景 的方管柱 与工 字型钢梁 的连接 问题,且试验模 型的方管柱
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