滨海文化中心图书馆关键节点研究与分析
1 工程概况
1.1 结构体系
该图书馆位于天津滨海新区, 长度约110m, 宽度约60m, 为超大跨度连体结构, 主体采用组合钢框架-支撑结构体系, 支撑为中心支撑。中间连接体由4榀54m跨双层高的平面桁架及楼面梁、板、水平支撑组成。结构整体模型如图1所示。
1.2 关键节点位置
常见的组合结构刚接节点主要有4种形式:内隔板节点、外环板节点、外肋环板节点和隔板贯通节点[1,2,3,4]。该工程节点复杂、焊缝较多且板厚较大, 梁柱连接节点主要采用隔板贯通节点与外环板节点两种形式。经过专家论证, 该结构有三处节点的位置至关重要且受力复杂, 为结构的关键节点, 如图2所示, 分别是大跨度桁架与单柱连接的隔板贯通节点 (节点1) 、大跨度桁架与组合柱连接的隔板贯通节点 (节点2) 、两层桁架连接节点 (节点3) 。
图1 结构整体模型
同时由图2可知, 节点1处钢桁架与支撑结构没有直接相连, 而是通过钢框架连接。这是应图书馆实际功能的要求, 此开间需畅通、人可穿行, 故将支撑结构外移一个开间, 相应节点经过仔细设计, 可保证刚接与力的传递。相关分析表明, 这种做法也可体现支撑体系对整体结构的作用, 且通过专家评审, 就现场实际情况来看, 此种处理方式效果良好。
图2 大跨桁架与组合柱连接节点
2 有限元方法正确性验证
本结构节点主要特点是板件厚度较大, 普遍为60mm。为验证有限元方法的正确性, 对天津大学陈志华、秦颖等完成的天津泰达广场隔板贯通节点拟静力试验进行有限元模拟, 相似之处是其板件也较厚, 最厚达35mm。通过采用ABAQUS有限元软件对试验试件1进行模拟, 以验证有限元方法的正确性, 为以下各节点的分析奠定理论经验与基础。试件1矩形钢管柱截面为□700×500×30×35, 梁截面为H700×300×13×24, 隔板厚度为24mm。试验加载图示如图3所示[5,6]。
图3 试验加载装置示意图
根据试验加载制度, 采用ABAQUS对试件进行模拟, 严格按照试件尺寸与材性试验结果建立有限元模型, 钢管与混凝土之间、螺栓与钢板之间建立摩擦接触, 同时给螺栓施加预紧力, 采用结构网格划分技术对结构进行网格划分, 单元类型选用C3D8R, 考虑几何非线性与材料非线性对节点进行分析[7,8]。有限元模型应力云图 (因螺栓应力较大, 隐藏螺栓) 如图4所示, 可见模型最大应力394MPa, 出现在梁上下翼缘与隔板连接处, 这与试验时首先在梁上下翼缘与隔板连接处出现裂缝, 继而扩大相一致。
图4 模型应力云图 (隐藏螺栓) /MPa
试验与有限元模拟的滞回曲线与骨架曲线对比如图5所示。由图可知, 有限元模拟滞回曲线比试验曲线较饱满, 骨架曲线基本一致, 模拟效果较好。
3 关键节点有限元分析
3.1 大跨桁架与单柱连接节点形式与分析
3.1.1 节点形式
节点形式与构造如图6所示。该节点板件较厚, 最厚达60mm (柱壁、隔板与部分腹板) , 均采用Q420GJCZ15钢, 屈服强度较高, 且Z向性能较好。所有箱形梁施工完毕后其工艺切割口均需用8mm厚小板封口, 节点区焊缝均采用一级焊缝。
3.1.2 节点有限元分析
选取同类型受力最大的节点, 采用有限元软件ABAQUS建立足尺有限元模型对该节点进行分析, 由于该节点的抗震性能目标为中震弹性, 故于MIDAS Gen中提取与该节点相连杆件中震下的内力, 输入ABAQUS中进行分析。混凝土强度等级为C70, 本构采用塑性损伤模型, 钢材本构选用三折线模型。采用静态通用分析步对模型进行分析, 考虑几何非线性, 钢材与混凝土之间建立摩擦接触进行模拟, 根据相关文献与经验[9,10], 切向摩擦系数取为0.3, 法向采用硬接触, 采用结构网格划分技术对结构进行网格划分, 单元类型选用C3D8R。有限元分析模型应力云图如图7所示。由图可知, 节点存在应力集中现象, 最大应力为387.6MPa, 小于钢材屈服强度, 出现在下隔板截面突变处。故实际施工时, 应在该处采用倒角以减小应力集中情况, 大部分钢材应力在300MPa以下, 小于强度设计值。混凝土最大应力30MPa, 小于强度设计值。
图5 有限元与试验曲线对比
图6 节点形式与构造
3.2 大跨桁架与组合柱连接节点形式与分析
3.2.1 节点形式
节点形式与构造如图8所示。该节点钢材与构造形式均同大跨桁架与单柱连接节点。
3.2.2 节点有限元分析
选取同类型受力最大的节点, 采用ABAQUS对该节点进行分析, 有限元模型应力云图如图9所示。具体参数设置同3.1节。由图9可知, 节点存在应力集中现象, 最大应力377.7MPa, 小于钢材屈服强度, 出现在下隔板截面突变处, 故在实际施工时, 应在该处采取倒角以减小应力集中情况;大部分钢材应力在300MPa以下, 小于强度设计值。混凝土最大应力45MPa, 出现在应力集中的尖角处, 大部分混凝土应力在强度设计值以下。
图7 大跨桁架与单柱连接节点有限元模型应力云图/MPa
图8 节点形式与构造
3.3 两层桁架连接节点形式与分析
3.3.1 节点形式
两层桁架连接节点形式与构造如图10所示。该节点板件较厚, 最厚达60mm, 均采用Q420GJC钢, 屈服强度较高。所有箱形梁施工完毕后其工艺切割口均需用8mm厚小板封口, 节点区焊缝均采用一级焊缝。节点设计思想:斜腹杆重要性突出, 其前后腹板穿过节点区, 保证该板件有一半的截面完整传力, 上下盖板与柱身和梁身相连, 将拉力传给梁柱, 上下腹杆拉力互相平衡;两榀桁架之间的连梁上下翼缘板穿过节点区域 (在葫芦形盖板的相应位置开洞, 后焊牢) , 其腹板直接焊于葫芦形盖板之上, 传递剪力;桁架直腹杆和弦杆在节点区外连接, 因它们的板件以受压为主, 不存在层状撕裂问题, 故不需要采用保证Z向性能的钢材;葫芦形盖板受力复杂, 承受面内压力与斜腹杆传来的拉力。此节点为全楼最复杂也是最关键的节点, 需采用有限元仔细分析其力学性能。
3.3.2 节点有限元分析
选取同类型受力最大的节点, 采用ABAQUS软件对该节点进行分析, 具体参数设置同3.1节。有限元模型应力云图如图11所示。节点存在应力集中现象, 最大应力为399.9MPa, 小于钢材屈服强度, 出现在下斜腹杆上翼缘板截面弯折处;葫芦形盖板最大应力为342.1MPa, 出现在下开槽角部, 应力集中;桁架间连梁最大应力为344.6MPa, 出现在上翼缘弯折处, 应力集中, 大部分钢材应力在300MPa以下, 小于强度设计值。
图9 大跨桁架与组合柱连接节点有限元模型应力云图/MPa
图1 0 两层桁架连接节点节点形式与构造
图1 1 两层桁架连接节点有限元模型应力云图/MPa
4 结语
大跨度桁架与单柱连接节点、大跨度桁架与组合组连接节点和两层桁架连接节点均为本结构关键节点, 这三种节点构造复杂、板件厚度大且焊缝较多, 采用ABAQUS有限元软件对这三种节点进行非线性足尺模拟分析, 提取MIDAS Gen中节点相连杆件在中震下的内力施加于ABAQUS模型之中进行计算。计算结果表明, 三种节点均存在应力集中现象, 应采取倒角措施予以解决, 同时模型应力集中处应力均小于钢材的屈服强度, 除此之外的绝大部分钢材应力小于钢材设计强度, 总体上满足中震弹性的要求。
[2]张梁, 陈以一.方钢管柱与H型钢梁连接形式评述[J].结构工程师, 2009, 25 (4) :129-137.
[3]陈志华, 苗纪奎, 赵莉华, 等.方钢管混凝土柱-H型钢梁节点研究[J].建筑结构, 2007, 37 (1) :50-59.
[4]庄磊.方管柱-H型钢梁隔板贯通式节点抗震性能的研究[J].建筑结构, 2008, 38 (9) :120-123.
[5]QING YING, CHEN ZHIHUA, YANG QIANGYUE, et al.Experimental seismic behavior of through-diaphragm connections to concrete-filled rectangular steel tubular columns[J].Journal of Constructional Steel Research, 2014, 93 (1) :88-96.
[6] 秦颖, 陈志华.矩形钢管混凝土梁柱节点试验研究[C]//第十五届全国现代结构工程学术研讨会.开封, 2015:1143-1153.
[7]韩林海, 陶忠, 王文达.现代组合结构和混合结构——试验、理论和方法[M].北京:科学出版社, 2009.
[8]罗松.方钢管混凝土柱-H型钢梁全螺栓连接隔板贯通节点抗震性能研究[D].天津:天津大学, 2014.
[9]丁永君, 尚奎杰, 万方贵, 等.矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点抗震性能试验研究及有限元分析[J].建筑结构学报, 2012, 33 (2) :93-99.
[10] 王元清, 曹宇龙, 丁大益, 等.国家金融信息大厦钢结构关键节点试验承载力有限元分析[J].天津大学学报 (自然科学与工程技术版) , 2014, 47 (增刊) :118-123.