鋼管混凝土新型筒倉柱節(jié)點(diǎn)的有限元分析

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，但對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在筒倉中的應(yīng)用研究不多。本文針對筒倉結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型節(jié)點(diǎn)型式，對節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理和力學(xué)性能進(jìn)行分析，提出了新型節(jié)點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)方法，為工程設(shè)計(jì)人員提供參考。并采用通用有限元軟件中的ANSYS對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性有限元分析，驗(yàn)證所建議節(jié)點(diǎn)的承載力。
鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的連接至關(guān)重要，文獻(xiàn)總結(jié)出下列節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則：必須滿足強(qiáng)柱、弱梁、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)的原則，要求節(jié)點(diǎn)具有比柱子更大的剛度和整體性；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造必須符合計(jì)算中采用的簡圖，剛接必須保證構(gòu)件間的夾角不變，鉸接只傳支座壓力；節(jié)點(diǎn)中傳力明確、簡捷，能可靠地傳遞內(nèi)力；構(gòu)造簡單，便于制作、安裝和管中硅的澆注、振搗；盡可能節(jié)約鋼材；建筑外形簡潔等。
所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于鋼管混凝土柱與筒倉下環(huán)梁的連接，由環(huán)形頂板、鋼筋箍、插筋組成，插筋錨人環(huán)梁內(nèi)。
從結(jié)構(gòu)空間受力分析可知，鋼管混凝土柱頂端與筒倉下環(huán)梁連接處有軸力N，彎矩M、剪力V等多種復(fù)雜內(nèi)力。鋼管混凝土柱受到豎向軸壓力、地震作用時(shí)水平剪力以及柱端彎矩、梁端剪力由環(huán)形頂板承擔(dān)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)必須要確保能可靠傳遞上述各種內(nèi)力，又要構(gòu)造簡單合理，便于施工。
設(shè)計(jì)中根據(jù)鋼管柱頂?shù)母鞣N內(nèi)力，按等截面的普通鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件計(jì)算出所需要的縱向鋼筋，然后把這些鋼筋下部插人鋼管柱核心混凝土中，上部伸人筒倉下環(huán)梁中錨固，并配置箍筋形成鋼筋籠。為了改善筒倉下環(huán)梁底部與鋼管壁連接處的局部承壓，在鋼管頂端焊接一個(gè)鋼筋箍及鋼板圓環(huán)。環(huán)形頂板厚度，頂板面積決定于筒倉下環(huán)梁混凝土的局部承壓強(qiáng)度；一般環(huán)板頂板上的圓孔直徑D，具體由計(jì)算確定，環(huán)板與鋼管焊接，D是鋼管外直徑；焊縫強(qiáng)度按混凝土的全部局壓力計(jì)算，際是環(huán)板面積，fc是筒倉下環(huán)梁混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;插筋在筒倉下環(huán)梁中的錨固長度按鋼筋混凝土環(huán)梁的設(shè)計(jì)要求，插筋下部插人鋼管柱核心混凝土中的長度按鋼筋混凝土柱計(jì)算錨固長度留置。
繞鋼管柱鋼管一周焊一直徑的鋼筋，對鋼管端部進(jìn)行加強(qiáng)，以提高鋼管端部在各種作用力下的抗撕裂能力。同時(shí)，環(huán)形頂板的設(shè)置，不僅可以增加鋼管混凝土柱柱端的承壓面積，而且可以增強(qiáng)鋼管與核心混凝土的共同受力。必要時(shí)，可在環(huán)形頂板下部沿鋼管柱周長設(shè)置加勁肋，以承擔(dān)梁端剪力。
混凝土和鋼管采用ANSYS單元庫中的8節(jié)點(diǎn)Solid45單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X，Y，Z方向的3個(gè)自由度。鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)LINK8單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有X，Y，Z方向的3個(gè)自由度。鋼管、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)假定為完全粘結(jié)。材料特性選各向同性材料，彈性模量和泊松比是基本參數(shù)。由于要進(jìn)行非線性計(jì)算，還要選塑性選頂，對于混凝土選Drucker-Prager材料，對于鋼管與鋼筋選BKIN(雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化)材料。

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