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    一種裝配式鋼結構梁柱灌漿錨固節點有限元研究

    時間:2020-04-15 來源:上海鋼結構

    裝配式建筑核心問題是連接,如何將傳統結構的梁、柱、墻、板等構件在工廠加工后在現場連接起來,這是裝配式建筑的最核心的問題。裝配式建筑要在連接問題上有所突破,關鍵還是需要處理好節點,也就是處理好梁柱節點、柱柱節點、板梁節點等。然而,目前我國現階段的幾種裝配式建筑在這些連接問題處理上還存在較多缺陷。

    鋼結構構件的連接方法有三種方式:①焊接;②螺栓連接;③鉚釘連接。第一種焊接方式,由于被連接構件局部受熱和焊后不均勻冷卻,會使鋼結構母材產生焊接殘余應力和焊接變形。焊接連接時,對焊工技術要求高,現場施工效率低下,現場施工安全風險較高。第二種螺栓連接方式,又分普通螺栓連接和高強度螺栓連接。采用螺栓連接時,構件定位、校正、連接對施工作業人員技術要求較高,且費時、費工。在施工現場違反設計及施工規范進行切割、擴孔、補焊等現象屢禁不止。第三種鉚接方式由于工藝復雜一般工業與民用建筑很少采用。
     2 鋼結構連接節點解決辦法與思考

    對于鋼結構梁柱連接,筆者經過多年鋼結構施工總結及研究,提出了一種鋼結構梁柱灌漿錨固節點連接方法?,F已通過國家專利局實用新型專利審核。

    這種新型灌漿錨固節點,采用高強混凝土或水泥基灌漿料把鋼梁與鋼柱錨固連接,充分發揮混凝土或水泥基灌漿料抗壓性能較好與鋼材抗拉性能較好的優點,使鋼結構連接節點優于其他連接形式。這種新型灌漿錨固梁柱節點有利于鋼柱與鋼梁之間力的傳導,鋼梁上的錨固件插入鋼柱牛腿中的灌漿箱體錨固的方式不僅可實現鋼柱與鋼梁的可靠連接,同時可有效約束鋼梁的端部。梁柱節點核心區整體性加強,符合現階段結構設計和抗震設計的基本要求,即“強柱弱梁”、“強節點”。這種新型灌漿錨固梁柱節點解決了鋼結構制作加工、安裝過程中存在誤差的問題。把制作加工、安裝的誤差在灌漿箱體內消耗吸收,大大提高現場安裝的效率,提高了建造速度,成本大大降低。
     第二章
     某二層框架主體結構力學性能分析

     1 工程概況

    該項目位于某市,建筑功能為兩層臨時性辦公建筑,層高3米,典型房間為3.3mX6m,南側二層走廊寬度1.2m,屋面雙坡坡度5%,屋面設置雨棚。建筑高度6m,建筑面積為118.8。樓面、墻面采用自重較小的輕質復合材料。
     2 有限元模型的建立

    利用有限元軟件盈建科建立主體框架結構的分析模型,如圖1所示。

    圖1 主體框架結構三維有限元模型

    1、構件選型

    其中,框架柱選用方柱150*150*6*6,暗柱選用方柱75*75*6*6,采用Q345鋼,一層所有梁選用H150*100*5*8,二層屋面梁選用H100*50*5*8,采用Q235鋼,樓板為輕質樓板,具體梁柱布置和選型見圖2-1和圖2-2。

    圖2-1 二層梁柱布置和選型圖
    圖2-1 屋面梁柱布置和選型圖

    2、荷載取值

    根據樓面屋面的具體做法和建筑的使用性質,二層樓面恒載取值為2.5KN/㎡(1.5kN/㎡樓板自重+1KN/㎡附加恒載),活載取值為2.0KN/㎡;二層屋面恒載取值為0.75KN/㎡,(0.5KN/㎡輕質屋面 +0.25KN/㎡屋面保溫),不上人屋面活載取0.5KN/㎡,隔墻荷載取1.8KN/m。風荷載根據《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)第八章相關規定選取。由于該建筑為臨時性建筑,所以不考慮地震荷載的作用。
    3 有限元分析結果

    在上述荷載取值和梁柱截面選型的條件下,利用有限元軟件對主體結構的承載力進行計算,結算結果表明該結構體系是安全可靠的,梁柱的應力比簡圖如圖3-1和圖3-2所示。
    圖3-1 第一層梁柱應力比簡圖
    圖3-2 第二層梁柱應力比簡圖

    為給下文驗算裝配式鋼結構梁柱灌漿錨固節點的力學性能提供荷載依據,此處在各種荷載組合中,選取了最不利荷載作為下文節點的加載荷載。通過比對,得出最不利荷載對應的荷載組合為恒載+活載+風載的荷載組合,在這個工況的作用下,框架梁的內力圖如圖4-1和圖4-2所示,梁端彎矩為20.9kN.m,剪力為24.7kN。

    圖4-1 一層框架梁彎矩圖
    圖4-2 一層框架梁剪力圖
     第三章 節點力學性能分析

     1 有限元概述

    有限元法是現代產品及其結構設計的重要工具,它的基本思想是將連續的物理模型離散為有限的單元體,使其只在有限個指定的節點上相互連接,然后對每個單元選擇一個比較簡單的函數,近似模擬該單元的物理量,如單元的位移或應力,并基于問題描述的基本方程建立單元節點的平衡方程組,再把所有單元的方程組集成為整個結構力學特性的整體代數方程組,最后引入邊界條件求解代數方程組而獲得數值解,如結構的位移分布和應力分布。有限元仿真和優化設計方法可以貫穿整個產品的全部過程,平行于每一個設計環節的精確分析及優化,減少了設計過程中的缺陷和不足,大大提高了產品的質量和可靠性。

    ANSYS Workbench不但繼承了ANSYS Mechanical APDL界面在有限元仿真分析上的大部分強大功能,并提供CAD雙向參數鏈接互動、項目數據自動更新機制、全新的參數、無縫集成的優化設計工具等, 并且提供了強大的三維實體建模功能。其結構靜力分析功能不僅可以進行線性分析,而且可以進行非線性分析,包括材料非線性、幾何非線性、單元非線性問題。復雜系統的仿真和高性能計算的創新驅動,為本文研究的裝配式鋼結構梁柱灌漿錨固節點靜力仿真提供了更高的計算效率和可靠的精度。

    基于該構件形式復雜的特點,本次模擬使用ANSYS Workbench作數值模擬的工具。本次分析主要涉及四種工況,每種工況的主要組成構件有鋼柱、型鋼梁、牛腿、外圍固定鋼板、肋板等。各個構件的裝配關系為:在鋼柱一側通過焊接的形式連接若干塊6mm厚鋼板形成半封閉式空間,在該空間內放置長180、截面尺寸為150*100*5*8的型鋼,型鋼腹板設置6mm厚加勁肋板,然后使用C60混凝土灌注填滿剩余空間,形成裝配式鋼結構梁柱灌漿錨固節點。第一類節點構造形式如下圖所示,本次模擬所采用的的構造形式均是在該節點上進行修改。
    圖1 第一類節點裝配示意圖

     2 有限元模型的建立

    2.1 材料本構

    材料本構模型反映了材料的特性,直接關系到有限元實體模型在荷載作用下的反應是否與實際相符。材料的本構模型一般是指材料的應力張量與應變張量的關系,即材料本身固有的物理方程,它是受荷載過程中材料內部微觀變形機理的宏觀體現。對于任何類型、體系和荷載作用情況的結構,非線性本構模型的準確性是構件受力狀態的計算可靠性和精度的前提條件。按照工況不同,本次有限元分析中采用的鋼構件分為Q235與Q345兩類,混凝土均采用C60高強混凝土。在現有研究中,鋼材基于屈服強度的本構模型研究已經相當成熟,為有限元分析提供了完備的理論基礎。

    一般認為,鋼材的受壓應力-應變關系曲線與受拉曲線相同,至少在屈服前和屈服臺階相同。鋼材的本構模型主要有:理想彈塑形模型如圖2.1(a)所示,此模型最簡單,一般結構破壞時鋼筋的應變(≯1)尚未進入強化段,此模型適用;彈性強化模型,即二折線模型,如圖2.1(b)所示,屈服后的應力-應變關系簡化為很緩的斜直線,可取Es'=0.01E,其優點是應力和應變關系的唯一性;彈-塑形強化模型較為復雜一些,如圖2.1(c)所示,但可以較為準確的描述鋼材的大變形性能。

    本文采用理想彈塑形模型模擬鋼材的力學性能,力學性能參考GB/T700-2006建議的屈服強度取值,Q235選取為235MPa,Q345選取為345MPa,彈性模量均為2MPa,泊松比取0.3。C60混凝土按照《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)軸心抗壓強度取38.5MPa,軸心抗拉強度取2.85MPa,彈性模量取3.6MPa,泊松比取0.167.

    (a)理想彈塑性模型 (b)彈性強化模型 (c)彈塑性強化模型
    圖2.1 本構模型
    2.2 單元類型及網格劃分

    在ANSYS Workbench中,從簡便的自動劃分網格到高級劃分網格,ANSYS Meshing都有完美的解決方案,其網格劃分技術繼承了ANSYS Mechanical、ANSYS CFD、ANSYS ICEM CFD和CADOE等ANSYS各結構網格劃分程序的相關功能。ANSYS Meshing根據所求解的問題的物理類型設定了相應的、智能化的網格劃分程序。

    裝配式鋼結構梁柱灌漿錨固節點模型中主要考慮各個構件的應力應變分布情況,模型按照實際構件尺寸進行建模。ANSYS Workbench對于實體單元的默認單元類型是10節點的四面體單元(Solid187)和20節點的六面體單元(Solid186),對于殼體是4節點的四邊形單元(Shell181),對于梁是2節點的梁單元(Beam188)。本模型中的規則鋼構件主要采用六面體單元,不規則鋼構件和薄件選用四面體單元,混凝土單元則采用經典Solid65單元。3維固體結構單元具有的二次位移模式可以很好的模擬不規則的網格,單元每個節點有沿著xyz方向平移的自由度,同時具有任意方向的空間各向異性,支持塑性、大變形和大應變能力。對于構件形式多樣、接觸較為復雜的問題,具有較高的分析精度。

    在彈塑性力學問題中,單元的質量和數量對求解結果和求解過程的影響較大。但是對于大變形問題的求解,過于密集的單元容易出現錯誤或者不收斂的情況,同時計算機資源占用量顯著增加。因此,有限元數值模擬試驗中應當嘗試多種單元尺寸,從而在計算結果收斂的前提下獲得較為合適的單元尺寸,本次研究中根據情況適當增加連接件組件和潛在破壞面的網格密度。

    ANSYS Workbench按網格劃分手段提供了自動劃分法、掃掠法、多域法三種網格劃分方法。自動網格劃分法為默認的網格劃分方法,依賴ANSYS強大的自動化能力,通過實用智能的默認設置簡化一個新幾何體的網格初始化,對可以掃掠的實體采用掃掠方法劃分六面體網格,對不能掃掠劃分的實體采用協調分片算法劃分四面體網格。在導入多體部件后,相互獨立的構件之間在網格劃分中就能拓撲共享,在Mesh中就表現為接觸面上的網格是相互匹配的,能夠較好的模擬實際工況中構件的傳力情況。在自動網格劃分的基礎上,通過相關性和相關中心、曲率控制、跨度角中心和最大單元尺寸等工具對曲率較大或接觸面發生突變的線與面進一步網格劃分,具體劃分參數此處不再贅述。網格劃分結果示例如圖2.2所示。
    圖2.2 網格劃分示意圖

    2.3 邊界條件及接觸條件

    2.3.1 邊界條件

    有限元模型的約束條件應當與實際工程應用情況保持一致。本次主要為了研究在設計最不利荷載條件下錨固節點的力學性能,為了能夠還原實際的安裝條件,并且能夠保持構件在分析過程中能夠保持穩定,不發生劇烈的剛體轉動而導致分析不收斂,在鋼柱上下兩個截面設置全自由度約束(Fixed to ground),約束情況如圖2.3.1所示。
    圖2.3.1 某工況約束情況示意圖

    2.3.2 接觸條件

    有限元模型中的接觸條件主要有三種:無摩擦接觸、摩擦接觸和接合接觸。本次分析中鋼構件之間采用接合接觸(Bonded)的方式模擬鋼構件的焊接情況;鋼構件與混凝土之間則采用摩擦接觸(Frictional),摩擦系數取0.2。

    2.4 分析步及加載方式定義

    此次有限元數值模擬僅考慮在某個最不利荷載下的構件應力和應變的分布情況,是一個靜態加載的過程,因此在求解器中只設置一個靜態分析步。經整體結構的分析計算,在1.3(恒載)+1.5(活載)+0.9(X風)條件下第一標準層出現了彎矩(20.9kN*m)與剪力(24.7kN)最大的梁柱節點。為模擬該最不利荷載工況,加載方式如下圖所示。
    圖2.4 加載方式

     3 有限元分析結果

    本項目重點研究在最不利荷載組合作用下,四種構造形式的裝配式鋼結構梁柱灌漿錨固節點的應力與應變分布情況,從而為實際工程應用提出參考性建議。

    3.1 構造形式一

    第一類錨固節點的構造形式如下圖所示,其中鋼材均為采用Q235的線性強化本構模型,型鋼截面為150*100*5*8,在混凝土外圍鋼板的末端采用封閉式結構,且牛腿外圍鋼板除上蓋板外其余部分與柱焊接。

    圖3.1.1 構造形式一示意圖

    該構造形式在最不利荷載組合下的應力云圖與變形云圖如下所示。
    圖3.1.2 von-Mises應力云圖
    圖3.1.3 變形云圖

    經分析,構造形式一在節點上蓋板的內側拐角處出現了應力集中的情況,由于材料本構模型采用的是線性強化模型,因此等效應力達到665MPa,遠超Q235的屈服強度值;該形式的豎向變形較為明顯,最大值出現在牛腿末端,變形值為1mm。

    3.2 構造形式二

    第二類錨固節點的構造形式如下圖所示,其中鋼材均為采用Q345的理想彈塑性本構模型,型鋼截面為150*100*5*8。在構造形式一的基礎上取消牛腿末端的封閉擋板,將外圍鋼板上蓋板與柱焊接,并在上下靠近鋼柱側分別設置4個50*50*8的三角形加勁肋板。
    圖3.2.1 構造形式二示意圖

    該構造形式在最不利荷載組合下的應力云圖與變形云圖如下所示。

    圖3.2.2 von-Mises應力云圖
    圖3.2.3 變形云圖

    經分析,構造形式二整體受力較為均勻,混凝土與鋼構件協同承載外力,整個錨固節點的應力值普遍低于200MPa,雖然在三角形加勁肋的角點處出現了應力集中的現象,但最大等效應力僅為301MPa,低于Q345的屈服強度值;節點的最大變形仍然出現在外伸牛腿的末端,最大變形值為0.5mm,作為懸臂梁滿足相關撓度要求。

    3.3 構造形式三

    第三類錨固節點的構造形式如下圖所示,其中鋼材均為采用Q235的線性強化本構模型,型鋼截面為150*100*5*8。在構造形式二的基礎上減少兩個三角形加勁肋板,并將三角肋板的厚度減少至6mm。

    圖3.3.1 構造形式三示意圖

    該構造形式在最不利荷載組合下的應力云圖與變形云圖如下所示。
    圖3.3.2 von-Mises應力云圖
    圖3.3.3 變形云圖

    經分析,構造形式三整體受力較為均勻,但在三角形加勁肋的角點處出現了應力集中的現象,最大等效應力達到了474MPa,遠高于Q235的屈服強度值;節點的最大變形仍然出現在外伸牛腿的末端,最大變形值為0.7mm。

    3.4 構造形式四

    第四類錨固節點的構造形式側視圖和剖面圖如下所示,其中鋼材均為采用Q345的理想彈塑性本構模型,H型鋼截面為200*100*6*8。型鋼腹板兩側設置四個通長加勁肋,另外通過焊接的形式沿著型鋼腹板與中間的肋板的輪廓將鋼板向下延伸130mm插入下部的混凝土之中,在牛腿上側焊接兩個100*100*8的三角形加勁肋。
    圖3.4.1 構造形式二示意圖

    該構造形式在最不利荷載組合下的應力云圖與變形云圖如下所示。

    圖3.4.2 von-Mises應力云圖
    圖3.4.3 變形云圖

    經分析,該構造形式上部鋼梁與下部混凝土牛腿之間錨固良好,整體受力較為均勻,整個錨固節點的應力值普遍低于200MPa。由于加大了三角加勁肋的尺寸與厚度,因此該處不會像構造形式二與構造形式三在該處出現應力集中的現象。外部的剪力與彎矩先是由H型鋼承載,因此在型鋼梁的荷載施加面下側出現了較大的應力,等效應力為308MPa,低于Q345的屈服強度值。另外,節點的最大變形出現在剛度較低的型鋼梁上翼緣局部,最大變形值為1mm,而下部的牛腿并為出現明顯變形,作為懸臂梁滿足相關撓度要求。

     4 結論

    本章通過采用ANSYS workbench有限元軟件,建立了由H型鋼、鋼板與混凝土組成的裝配式鋼結構梁柱灌漿錨固節點,對四種不同類型的構造節點在最不利荷載下的應力與變形做了詳細的分析,分析結果表明:

    (1)采用有限元軟件ANSYS workbench,按照本項目建模分析步驟,計算得到的應力分布與潛在破壞形態等與工程經驗吻合良好,可以滿足實際應用的研究要求。

    (2)通過提高鋼材強度、增加鋼板厚度、設置加勁肋、采用合適的節點構造形式能夠有效提高節點的承載能力。

    (3)在本次采用有限元分析的四類節點構造形式中,構造形式二與構造形式四在最不利荷載工況下的靜力響應較為良好,應力分布均勻、變形較小,滿足相關設計要求。

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