刚接钢柱脚的受力分析.docx

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浙江建筑,第 29 卷,第 8 期,2012 年 8 月Zhejiang Construction,V 浙江建筑,第 29 卷,第 8 期,2012 年 8 月 Zhejiang Construction,Vol. 29,No. 8,Aug. 2012 刚接钢柱脚的受力分析 Force Analysis on Steel Column Base with Rigid Connection 赵滇生,潘高洁 ZHAO Dian-sheng,PAN Gao-jie ( 浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310014) 摘 要:采用有限元分析软件 ANSYS 对钢柱脚托板、加劲板、锚栓、基础和底板的相互作用进行了非线性分析,以便了解刚接 钢柱脚的受力性能,可供类似柱脚设计参考。 关键词:非线性有限元; 底板; 加劲板; 锚栓; 基础; 相互作用 中图分类号:TU391 文献标志码:A 文章编号:1008 - 3707( 2012) 08 - 0014 - 05 随着我国社会经济的发展,钢结构大型体育场 馆、工业厂房、工业设备支架、住宅等大量涌现,其中 柱一般都是通过柱脚底板将内力扩散到混凝土基础 上[1]。多年来,柱脚底板均采用基于弹性薄板弯曲 理论下的简化计算方法,但这一假定忽略的有利因 素过多,未考虑底板与钢柱、加劲板、混凝土基础的 相互作用,致使计算结果底板厚度偏大。钢结构柱 脚底板一般可看成是混凝土基础上的受弯构件 - 梁 或板,其变形特征、底面反力和截面内力分布都与柱 脚底板、钢柱、加劲板和混凝土基础的相对刚度有关。 因此,应考虑柱脚底板与钢柱、加劲板、混凝土基础等 部件间的相互作用,合理分析柱脚的整体受力性能。 在目前的普通工业与民用建筑钢结构中,柱脚 一般与混凝土基础采用刚接。本文研究的刚接钢柱 脚构造以及荷载施加方式见图 1。 柱脚非线性有限元模型 1 柱脚模型主要参数 模型 的 钢 材 选 用 Q235-B 钢,屈 服 强 度 f 1. 1 = y 235 MPa,抗拉强度 f = 215 MPa,弹性模量 E = 2. 06 × 105 MPa,泊松比 μ = 0. 3。型钢柱截面尺寸为 H500 × 300 × 12 × 14; 托板与底板的尺寸均为 820 mm × 500 mm × 30 mm; 加劲板厚度均为 12 mm,具体尺寸见 图 1。选用 Q235 牌号的 M30 锚栓[2]。混凝土强度等 级为 C40,抗压强度标准值 fcu,k = 26. 8 MPa,抗拉强度标 准值 ftu,k = 2. 4 MPa,抗压强度设计值 fc = 19. 1 MPa,弹 性模量 Ec = 3. 25 × 10 MPa,泊松比 μ = 0. 2。混凝土基 础尺寸为 1 020 mm × 700 mm × 500 mm。 考虑到基础混凝土的变形主要属于小变形材料 非线性问题( 同时伴有几何非线性问题) ,根据《混 凝土结构设计规范( GB 50010—2010 ) 》规定[3],混 凝土受压应力 - 应变关系曲线见图 2。 4 当 εc ≤ε0 时( 上升段) ,σc = fc ? 1 - ? 1 - 当 ε0 < εc ≤εcu 时 ( 水平段) ,σc = fc 式中: fcu,k —混凝土立方体抗压强度标准值; ? n εc ? ε 0 n—参数,n = 2 - 1 ( f - 50) ≤2. 0; cu,k 60 图 1 刚接钢柱脚构造图 收稿日期:2012 - 03 - 21 作者简介:赵滇生( 1957—) ,男,浙江义乌人,副教授,研究方向为钢结构和空间结构。 ε0 —与峰值 fc 对应的应变值,ε0 = 0. 002 + 0. ε0 —与峰值 fc 对应的应变值,ε0 = 0. 002 + 0. 5 × 面和柔性面为接触面,分别设置接触对。根据接触 原理两者将密切贴紧,计算分析时所有应力分量和 位移分量将协调统一,并取钢与钢之间和钢与混凝 土之间的摩擦系数分别为 0. 35 和 0. 4。 模型中对 H 型钢柱取得相对较短,以避免钢柱 可能出现失稳对底板模型分析的影响。模型的施加 荷载方式采用位移加载,对混凝土基础底部施加节 点约束,在钢柱顶端施加轴向力,并在顶端截面的耦 合节点处施加水平位移荷载。不考虑钢材的强度硬 化,简化为理想的弹塑性材料,因而柱脚节点采用 Von Mises 等效应力强度作为屈服破坏的依据。 ( fcu,k - 50) × 10 - 5 ≥0. 002,当计算值ε0 < 0. 002 时,取 0. 002; εcu —正截 面 混 凝 土 的 极 限 压 应 变,εcu = 0. 003 3 - ( fcu,k - 50 ) × 10 -

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