钢柱脚节点二次包浇混凝土有限元分析.docx

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1、钢柱脚节点（二次包浇混凝土）有限元分析现代规模化畜禽养殖舍、屠宰场、农产品加工车间等建筑常采用门式刚架轻型钢结构体系,钢柱脚往往采用简易外露式柱脚。这类建筑室内湿度较大,有时还有一定的腐蚀性,出于对钢柱脚的保护和提高结构耐久性的目的,常采用二次包浇混凝土的做法。因包浇混凝土通常为素混凝土,因此结构受力分析与设计中,忽略了二次包浇混凝土对节点抗弯承载力、转动刚度以及延性的影响,使分析结果与实际工况有一定差异,可能带来设计上浪费或安全隐患。同时,门式刚架设计时按较接柱脚设计往往会和包浇混凝土柱脚的受力不一致而不安全。因此,以此类建筑的轻型钢结构为工程背景,针对门式刚架二次包浇混凝土柱脚节点,在轴压

2、和弯矩共同作用下,考虑Ioomm、150mm、200mm三种包浇混凝土厚度,发现包浇混凝土能明显提升柱脚的抗弯承载力和延性,且厚度越大提升幅度越大,同时对转动刚度也有一定提高的规律。进一步在包浇厚度15Omm的情况下,考虑在包浇混凝土内不加钢筋网、加一层钢筋网和加两层钢筋网三种情况,在包浇混凝土段加4mm和6mm外包钢的两种情况,用通用商业有限元软件模拟分析,共对比了8种情况对钢柱脚受力性能的影响,重点关注抗弯承载力、转动刚度与延性。结果表明:包浇混凝土受拉侧与受压侧均存在塑性应力集中,受压侧下部较上部更为集中,受拉侧上部较下部更集中;随着包浇混凝土厚度的增加,对柱脚的抗弯承载力和延性系数的提

3、升越来越大。两种钢筋网的加入对转动刚度均有一定的提升,其中铺设两层钢筋网的提升效果更为明显。上部附加一层钢筋网使得包浇混凝土的上部塑性应变区域变小;上、下部各附加一层钢筋网使得混凝土上、下部的塑性应变区域均变小,说明钢筋网对混凝土提供了有效约束,可延缓包浇混凝土的裂缝开展;上、下两层钢筋网均承担一定的拉应力,尤其上部钢筋网承担更大的拉应力。包浇混凝土段外加一层外包钢,对于柱脚的抗弯承载力提升效果不显著,但对柱脚的转动约束刚度有一定提升。因此,建议门式刚架结构受力分析时计入二次包浇混凝土对柱脚抗弯承载力、转动刚度和延性的贡献,可使设计更为精准。若包浇混凝土厚度较厚、附加钢筋网或外包钢,则应考虑柱

4、脚的转动约束,不宜再用较接分析,可使门式刚架结构分析更为合理。引言现代规模化畜禽养殖舍、屠宰场、农产品加工车间等建筑常采用门式刚架轻型钢结构体系,钢柱脚往往采用简易外露式柱脚。这类建筑室内往往湿度较大,对柱脚节点中裸露在外的锚栓、底板等钢材的锈蚀作用较强,材料性能被降低,结构的耐久性和安全性都受到了很大挑战。出于对钢柱脚的保护和提高结构耐久性的目的,常采用二次包浇混凝土的做法。其做法与传统外包式钢柱脚有较大差别,主要是二次包浇混凝土内一般不配钢筋,其厚度一般在IOO-200mm之间,高度在150300mm之间。但这种做法仅仅是从防止钢材锈蚀、提高节点耐久性的角度出发,未考虑二次包浇混凝土可能对

5、柱脚节点抗弯承载力、转动刚度以及延性的贡献,使分析结果与实际工况有一定差异,可能带来设计上浪费或安全隐患。同时,门式刚架设计时按较接柱脚设计往往会和包浇混凝土柱脚的受力不一致而不安全。因此,结合这类建筑的轻型钢结构为工程背景,针对门式刚架二次包浇混凝土柱脚节点,在轴压和弯矩共同作用下,分析包浇混凝土对柱脚节点抗弯承载力、转动刚度以及延性的影响,旨在为这类建筑的结构设计和优化提供一定参考。1有限元模型的建立1.1 模型设计本文研究对象为门式刚架二次包浇混凝土柱脚节点,柱高为7.2m,跨度为16m,长度为IOom,柱距为4m,坡度为I1Oo共设计了8个试件模型,承台尺寸均为1000mmX1000m

6、m500mm（长X宽X高）,钢管柱高度按照柱脚刚接时柱的反弯点高度取为300Omm,方钢管柱尺寸为30OmmX20OmmX6mm（长X宽X厚），底板尺寸40OmmX32OmmXI6mm卜长X宽X厚）,底板与钢管柱刚接,钢管柱、底板、锚栓和外包钢等钢材材料等级均为Q235B,承台和二次包浇混凝土均采用C30混凝土。其它几何参数见表Io承台顶部和剖面图见图1,模型整体示意图见图2c表1*赛型几何参数试件编号外包高度外包厚度锚栓底板厚度钢筋网外包钢W114M2416WB2-w1OO300IOO4M2416WB3-w1503001504M2416WB4-w2003002004M2416WB5-w150

7、-1rm3001504M2416一层WB6-w150-2rm3001504M2416两层WB7-w150-rs43001504M24164mm厚WB8-w150-rs63001504M24166mm厚1.2 注:为便于描述,对试件名称进行简化,简化为WB（W1）+数字。其中,W1”表示外露式柱脚,“WB”表示二次包浇混凝土柱脚,W1OO表示包浇厚度为IOOmmnrm”表示为附加一层由直径为IOmm的钢筋组成的钢筋网,布置在包浇段上部一定高度;“rs4”表示附加一层厚度为4mm的外包钢;螺栓采用双螺母。1.3 本构关系及单元选取1.3.1 钢材的本构关系钢管柱及锚栓钢材采用双折线模型,该模型认为

8、钢材的应力一应变曲线可分为弹性段和强化段两段。钢材在达到屈服强度后,应力仍会有一定的增长,此时应力增长较为缓慢。其中强化段E产OQ1E”钢材的弹性段弹性模量和泊松比分别取206GPa和0.3,屈服强度和极限强度分别取2分MPa和420MPao1.3.2 混凝土的本构关系在本文中,混凝土采用GB50010-2010混凝土结构设计规范中推荐的混凝土单轴受压、单轴受拉应力-应变关系来描述混凝土的受压、受拉行为,在有限元软件中常用混凝土塑性损伤模型来进行计算,如图3所示。其中/J=23.56MPa=2.49MPazc,r及其他数据用线性差值在规范表C2.4中取值。对于受压损伤因子及受拉损伤因子,采用基

9、于高斯积分求解的经典损伤理论法。在基于高斯积分求解的经典损伤理论法建立在Najar损伤理论的基础上,通过能量面积比确定损伤因子,能够较好地适用于该软件。损伤因子d公式为：；EOF-1/（）（1d=（D式中：()de为混凝土应力应变曲线与坐标轴围成的面积,即应变能;&表示混凝土的初始弹性模量,取23027MPao1.3.31.3.4 单元选取钢管柱、底板、混凝土采用So1id单元,钢筋和锚栓采用三维二节点的T3D2桁架单元,外包钢厚度较薄,采用壳单元。其中,钢管柱与底板由同一个SoIid单元切削而成,不设置接触。考虑到计算模型的精度和效率问题,承台和承台内部的钢筋网格尺寸控制在50-80mm之间

10、,二次包浇段网格尺寸控制在3050mm之间。1.4 接触与加载1.4.1 界面模拟和接触通过埋入(embeded)将钢筋笼和锚栓内置于承台之内,锚栓与底板之间设置共同节点。由于承台混凝土和二次包浇段混凝土是分两次浇注形成的,因此在这两者之间不设置共同节点,而是设置接触单元,用于模拟真实情况。钢管柱-混凝土、混凝土-混凝土以及外包钢-二次包浇混凝土界面均采用面面接触。在设置过程中,法向采用“硬接触,二次包浇段与承台界面接触时能够传递压力,分离时能够模拟裂缝的产生与发展,不允许侵入。切向采用库伦摩擦接触,界面接触时能够传递剪力,且与轴压力成正比。对于摩擦系数的取值,参照ACI建议将摩擦系数值取1.

11、0o13.2边界条件与加载过程为防止过度约束,在底部设置参考点,将承台底面耦合,以模拟试验的真实约束。试验的加载过程分为两步,第一步为在钢柱顶面施加轴压荷载,第二步为在钢柱顶面施加水平荷载,第二步一般采用力与位移控制加载。但由于在实际操作过程中,力与位移同时施加,结果不易收敛。因此,第二步全部采用位移控制加载。由于结构在受到竖向荷载的同时还受到了侧向荷载,且侧向变形较大,故需考虑P-效应。在软件中考虑P-A效应是通过建立耦合点来实现的,即先建立参考点,而后将立柱顶面与参考点耦合,将6个自由度全部约束住,再对耦合点施加与轴压荷载等效的竖向集中荷载,同时取消“跟随转动2有限元计算结果分析2.1应力

12、云图及破坏模式分析根据混凝土的损伤云图可知,混凝土的损伤值越大,能量耗散越大。因此,通过混凝土的损伤云图可以判断出混凝土构件宏观裂缝最先产生的位置及发展趋势。由图4图10可得到,包浇高度相同,包浇厚度不同的三个试件WB2-w100WB3-W150、WB4-w200破坏模式基本相同(由于版面有限,这里只展示部分图),均包括:柱身与底板屈服破坏,锚栓屈服破坏,同时二次包浇混凝土多处出现塑性应变集中。随着二次包浇厚度的增加,二次包浇混凝土受拉侧与底板接触部分也开始出现应变集中,这是因为受拉侧底板翘曲变形严重,对二次包浇混凝土的上撬力加大,同时二次包浇混凝土与基础混凝土黏结作用增强,导致受拉侧混凝土底

13、部开始出现塑性应变集中区域,进而容易产生裂缝。1受压侧混凝土受压损伤明显a寻压他混滞土弯压揭伤明显a-WB2-w1OO;b-WB4-w2000图4WB2-w1和WB4-w200二次包浇混凝土损伤云图塑性应变集中区域0000*831210,*7o19IU69271,菖茸俱*4S441561O34631。：2771|n:21178IO；13851O6927IO,塑性应变集中区域ba-WB2-w100;b-WB4-w200,图5WB2-w100和WB4-w200二次包浇混凝土塑性应变云图图6WB3-w150截面应力云图7WB3-w150承台峰值点法向应力云49387*60581469245567r7

14、85-71538,19753178899622222III1IC1OS10101010102I()1O受拉侧锚栓顶部屈服图8WB2-w1OO螺栓应变云图2?-2r11?IIII10.0OOoO0.00-Oooo+钢管柱根部受压屈服图9WB2-w1OO钢管柱应变云+2II61(1.9391O21.7631O-+1587104+141。，IO+12341O2+1.05810-SX15d(17.O521O,I。35261O+1763IO,*0.000受拉侧塑性应变集中区域+2662(尸+2440XIO-3221SI.1.996X1(T1.775X1(尸-1.5531(H1.331X1(H11O91O

15、28873x1(尸*6.65510,4436*IOJ-221XIO,*O.(XX)a一受拉侧截面;b受压侧截面。图10WB3-w150截面塑性应变云由图11图12可知,上部附加一层钢筋网后,试件WB5-w150-1rm包浇混凝土的上部塑性应变较小,下部塑性应变较大;而当上、下部各附加一层钢筋网后，试件WB6-w150-2rm包浇混凝土上、下部的塑性应变区域均较小,表明钢筋网对混凝土提供了有效约束,可延缓包浇混凝土的裂缝开展。由图13可知,对比试件WB6-w150-2rm上下两层钢筋网应变,发现上部钢筋网应变较大,可见上部钢筋网在柱脚受力过程中承担了主要应力。混凝土受压侧顶部与底部受压损伤明显OoooavooooOooa混凝土受压侧顶部与侧面损