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基于ABAQUS的装配式钢结构灌浆锚固节点力学性能研究

基于ABAQUS的装配式钢结构灌浆锚固节点力学性能研究

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引言


钢结构建筑自重轻、抗风及抗震性好、保温隔热、隔声效果好,符合可持续化发展的方针[1]。与其它住宅建筑结构形式相比,钢结构住宅是最符合“绿色建筑”概念的结构形式之一。钢结构建筑设计、生产、施工、安装可通过平台实现一体化,变“现场建造”为“工厂制造”,钢结构住宅自重轻,基础造价低,其施工安装便捷,施工周期短,且现场可实现干作业,环境污降低,材料可回收利用[2]。


装配式建筑核心问题是连接,如何将传统现浇结构的梁、柱、墙、板等构件在工厂加工后在现场连接起来。装配式建筑要在连接问题上有所突破,关键还是需要处理好节点,也就是处理好梁柱节点、柱柱节点、板梁节点等。然而,目前我国现阶段的几种装配式建筑在这些连接问题处理上还存在较多缺陷。


其中对于钢结构梁柱连接,笔者经多年钢结构施工总结及研究,提出一种钢结构梁柱灌浆锚固节点连接方法。这种新型灌浆锚固节点,利用高强混凝土或水泥基灌浆料将钢梁与钢柱锚固连接,充分发挥混凝土或水泥基灌浆料抗压性能较好与钢材抗拉性能较好的优点,可解决钢结构制作加工、安装过程中存在误差的问题,使钢结构连接节点优于其他连接形式。分别建立该灌浆锚固节点连接与传统焊接连接的构件仿真分析模型,并对两种不同连接方式下构件在静力荷载和低周往复荷载作用下的受力性能进行对比分析。为后期装配式钢结构建筑设计及施工提供一定参考意义。


1 工程背景


本文以某装配式钢结构建筑为研究对象,楼面、墙面采用自重较小的轻质复合材料,承重柱、主梁、暗柱、次梁等均采用Q345型钢,各部件具体尺寸如下:


(1)核心筒:在建筑平面设立混凝土核心筒,用作楼梯、电梯、设备井道等。核心筒外围墙体厚度为0.3m,内部分隔墙体厚度为0.2m。


(2)柱与梁:承重柱为450x450x16x16的方形钢柱,暗柱为200x100x10x10的方柱,其中暗柱布置于墙体内部。主梁与次梁均为H型钢,其中主梁尺寸为450x300x10x12,次梁尺寸300x200x8x10。


为保证室内空间的完整性,承重柱间距6.6m布置于建筑四周,主梁横纵交叉布置于平面内。


(3)楼板:若要承担次结构传来的竖向荷载,必须保证楼板具有足够的刚度与强度,楼板厚度为0.3m。核心筒内每层为混凝土楼盖,楼板厚度0.12m。


(4)建筑层高:标准层层高6m,共六层。


2 整体框架结构力学性能分析研究


2.1 结构有限元模型建立


为保证有限元结构模拟的精准性且便利建模,利用三维建模软件proe建立整体框架结构几何模型后,导入hypermesh对几何模型进行精细化网格划分,再将有限元模型导入ABAQUS进行后处理分析。其具体步骤如下所示:


(1)ProE软件是强大的三维建模软件,首先利用ProE5.0软件建立巨型框架结构的几何模型,见图1;


(2)利用前处理软件Hypermesh对几何模型完成高质量的网格划分,保证计算结果的准确性,网格划分后有限元模型见图2;


(3)将在Hypermesh中划分好网格的模型输出为inp文件,导入ABAQUS中进行后续分析。


整体框架结构有限元模型采用实体单元C3D8R单元模拟梁柱,壳单元S4R模拟楼板与剪力墙,将核心筒底部与承重柱底部固结以模拟真实的边界条件。模型中采用共节点方式将梁柱连接,核心筒区域与楼板及次梁固结。



2.2 有限元结果分析


对如上框架结构进行静力性能分析,结构荷载由自重、竖向活载及水平风荷载构成。竖向活载取为7 kN/m2,水平风荷载根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)第八章相关规定选取为6 kN/m2,计算结果如图4与图5所示:



由图4可知,水平与竖向荷载共同作用下,结构的最大等效位移为2.843mm,最大等效应力为109.7MPa。在荷载作用下,结构的最大等效应力与最大等效位移均出现于边柱的梁柱节点处,现对边柱的梁柱节点进行局部模型建立,并对不同连接方式下各荷载工况作用下受力性能进行对比研究。


3 梁柱灌浆锚固节点力学有限元建模


鉴于结构梁柱节点连接处局部受力极为复杂,整体结构尚不能对其进行精准模拟,现特对灌浆锚固与传统焊接两种工况的力学性能进行对比分析,以验证灌浆锚固方法在受力性能方面的可行性,两种不同梁柱节点连接工况具体如下。


工况1:传统焊接形式。


工况2:灌浆锚固形式,方柱外包裹截面为450x450mm,厚度为12mm加强环。在钢柱一侧通过焊接的形式连接若干块12mm厚钢板形成半封闭式空间,在该空间内放置H型钢,型钢腹板设置6mm厚L型加劲肋板,然后使用C60混凝土灌注填满剩余空间,形成装配式钢结构梁柱灌浆锚固节点,灌浆材料采用C60高强混凝土。


两种工况的有限元模型如图3与图4所示:




3.1 边界条件


柱子顶面与底面设置参考点,参考点与柱端面采用“运动耦合”,柱顶参考点约束x、y方向的自由度,柱底参考点约束x、y、z三个方向的自由度。在梁端面设置参考点,参考点与梁端面耦合,同时为了避免梁在加载过程中发生平面外失稳而导致整个结构失效,有限元模型对钢梁端部采用了侧向约束。


3.2 荷载工况分析


本节拟对模型进行两种方式的加载,具体如下所示:


加载方式A:在柱顶参考点上施加竖向力N=30kN及两个方向的弯矩Mx=50kN*m,My=50kN*m。


加载方式B:在梁端面参考点施加低周往复荷载,往复荷载持续32s,以位移控制加载,如图5所示。



3.3 本构模型


当钢材沿一个方向加载进入塑性阶段后,随着荷载的增加,屈服应力提高,当反方向加载时屈服应力会随着位移的增加而降低,这种现象称为钢材的包辛格效应。韩林海教授通过大量试验研究提出了一种可以模拟钢材包辛格效应的本构关系模型,所采用的钢材的本构模型是在此基础上将钢材的塑形变形阶段与强化阶段用一条斜直线代替,如图6所示。



混凝土采用塑性损伤本构模型,在ABAQUS中混凝土塑性损伤模型作有如下假定:


(1)以受拉开裂和压碎来表示模型失效,材料在单轴拉伸或压缩时,分别表现为受拉损伤和受压损伤,塑性损伤取值可从0到1(0表示材料完好,而1表示完全丧失强度);


(2)单轴应力-应变曲线可以转化为对应的塑性应力-应变曲线,ABAQUS 程序会根据用户提供的非线性应变数据而自动完成转化。混凝土材料由于损伤引起刚度退化在宏观上主要表现在拉压屈服强度不同,拉伸屈服后材料表现为软化,压缩屈服后材料先硬化后软化。模型中拉伸和压缩采用不同的损伤因子来描述这种刚度退化,详见图7与表1。




4 静力作用下各工况受力性能分析


以加载方式A进行加载时,得出工况1及工况2的Mises应力云图及位移云图如图8~图11所示:






由图8与图9可知,工况1即焊接形式在静力荷载作用下的最大等效位移为4.379mm,最大位移出现在柱顶部。工况2即灌浆锚固形式在静力荷载作用下的最大等效位移为4.249mm,最大位移同样出现于柱顶部,相比焊接形式,灌浆锚固节点最大等效位移减小0.127mm,占比为2.9%。


由图10与图11可知,静力荷载作用下工况1与工况2的最大等效应力分别为157.2MPa与162.2MPa,灌浆锚固方式相比传统焊接最大等效应力增加5MPa,占比为3.18%。


上述可知,灌浆锚固方式与传统焊接方式在静力荷载作用下的受力性能基本一致。


5 低周往复荷载作用下各工况受力性能分析


工况1与工况2在低周往复荷载作用下的荷载-位移曲线如图12所示。上图纵坐标为反力的绝对值,由图形可知,灌浆锚固与传统焊接形式达到破坏失效时的位移分别为:9.0mm,9.6mm,对应的反力值为3801.6kN、4147.7kN。传统焊接形式相比灌浆锚固形式的屈服时的反力值增加了346.1kN,占比为8.34%。



虽然在低周往复荷载作用下,灌浆锚固节点的屈服时反力小于传统焊接形式,但减小幅度仅8.34%,且考虑到模拟误差及实际施工中焊接时的损耗,使用灌浆锚固代替传统焊接形式在受力性能角度并无不妥,且可以大大提高现场安装的效率,提高建造速度,降低成本。


6 结论


本文提出了一种钢结构梁柱灌浆锚固节点连接方法。这种新型灌浆锚固节点,利用高强混凝土或水泥基灌浆料将钢梁与钢柱锚固连接,充分发挥混凝土或水泥基灌浆料抗压性能较好与钢材抗拉性能较好的优点。并借助有限元模型对两种不同连接方式下构件在静力荷载和低周往复荷载作用下的受力性能进行了对比分析。分析结果如下:


(1)传统焊接形式在静力荷载作用下的最大等效位移为4.379mm,最大位移出现在柱顶部。灌浆锚固形式在静力荷载作用下的最大等效位移为4.249mm,最大位移同样出现于柱顶部,相比焊接形式,灌浆锚固节点最大等效位移减小0.127mm,占比为2.9%。


(2)传统焊接形式与灌浆锚固形式在静力荷载作用下的最大等效应力分别为157.2MPa与162.2MPa,灌浆锚固方式相比传统焊接最大等效应力增加5MPa,占比为3.18%。因此灌浆锚固方式与传统焊接方式在静力荷载作用下的受力性能基本一致。


(3)在低周往复荷载作用下,灌浆锚固节点的屈服时反力小于传统焊接形式,但减小幅度仅8.34%,且考虑到模拟误差及实际施工中焊接时的损耗,使用灌浆锚固代替传统焊接形式在受力性能角度并无不妥。且可以大大提高现场安装的效率,提高建造速度,降低成本。


分析结果表明,两种不同的连接方式下,结构构件受力性能基本一致,所提出的新型灌浆锚固节点连接方式可完美解决钢结构制作加工、安装过程中存在误差的问题,使钢结构连接节点优于其他连接形式。可在实际工程中参考应用。


参考文献

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[2] 叶之皓.我国装配式钢结构住宅现状及对策研究[D].南昌大学,2012.

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[11] JGJ 3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010

[12] 章萍.反复荷载下钢筋与高性能混凝土粘结本构关系的试验研究[D].同济大学,2003

[13] 王传志.钢筋混凝土结构理论[M].中国建筑工业出版社,1989.


(编辑:奚雅青)


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