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钢管混凝土新型筒仓柱节点的有限元分析

发布于:2020-09-07 18:35
有限元分析

       钢管混凝土结构具有良好的抗震性能,但对于钢管混凝土结构在筒仓中的应用研究不多。本文针对筒仓结构的特点,设计一种新型节点型式,对节点的传力机理和力学性能进行分析,提出了新型节点的初步设计方法,为工程设计人员提供参考。并采用通用有限元软件中的ANSYS对节点进行非线性有限元分析,验证所建议节点的承载力。
       钢管混凝土结构中节点的连接至关重要,文献总结出下列节点设计原则:必须满足强柱、弱梁、节点更强的原则,要求节点具有比柱子更大的刚度和整体性;节点构造必须符合计算中采用的简图,刚接必须保证构件间的夹角不变,铰接只传支座压力;节点中传力明确、简捷,能可靠地传递内力;构造简单,便于制作、安装和管中硅的浇注、振捣;尽可能节约钢材;建筑外形简洁等。
       所设计节点主要应用于钢管混凝土柱与筒仓下环梁的连接,由环形顶板、钢筋箍、插筋组成,插筋锚人环梁内。
       从结构空间受力分析可知,钢管混凝土柱顶端与筒仓下环梁连接处有轴力N,弯矩M、剪力V等多种复杂内力。钢管混凝土柱受到竖向轴压力、地震作用时水平剪力以及柱端弯矩、梁端剪力由环形顶板承担,节点构造设计必须要确保能可靠传递上述各种内力,又要构造简单合理,便于施工。
       设计中根据钢管柱顶的各种内力,按等截面的普通钢筋混凝土压弯构件计算出所需要的纵向钢筋,然后把这些钢筋下部插人钢管柱核心混凝土中,上部伸人筒仓下环梁中锚固,并配置箍筋形成钢筋笼。为了改善筒仓下环梁底部与钢管壁连接处的局部承压,在钢管顶端焊接一个钢筋箍及钢板圆环。环形顶板厚度,顶板面积决定于筒仓下环梁混凝土的局部承压强度;一般环板顶板上的圆孔直径D,具体由计算确定,环板与钢管焊接,D是钢管外直径;焊缝强度按混凝土的全部局压力计算,际是环板面积,fc是筒仓下环梁混凝土的抗压强度设计值;插筋在筒仓下环梁中的锚固长度按钢筋混凝土环梁的设计要求,插筋下部插人钢管柱核心混凝土中的长度按钢筋混凝土柱计算锚固长度留置。
       绕钢管柱钢管一周焊一直径的钢筋,对钢管端部进行加强,以提高钢管端部在各种作用力下的抗撕裂能力。同时,环形顶板的设置,不仅可以增加钢管混凝土柱柱端的承压面积,而且可以增强钢管与核心混凝土的共同受力。必要时,可在环形顶板下部沿钢管柱周长设置加劲肋,以承担梁端剪力。
       混凝土和钢管采用ANSYS单元库中的8节点Solid45单元,每个节点有X,Y,Z方向的3个自由度。钢筋采用2节点LINK8单元,每个节点有X,Y,Z方向的3个自由度。钢管、钢筋与混凝土之间的粘结假定为完全粘结。材料特性选各向同性材料,弹性模量和泊松比是基本参数。由于要进行非线性计算,还要选塑性选顶,对于混凝土选Drucker-Prager材料,对于钢管与钢筋选BKIN(双线性随动强化)材料。


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