型鋼混凝土梁柱中節(jié)點(diǎn)的有限元

型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的數(shù)值分析摘要型鋼混凝土柱和鋼筋混凝土梁結(jié)合使用是一種比較經(jīng)濟(jì)、比較優(yōu)秀的鋼混組合結(jié)構(gòu)體系。本文研究在該種結(jié)構(gòu)體系中，一種比較少用的梁內(nèi)縱向鋼筋直接穿過(guò)柱內(nèi)型鋼翼緣的節(jié)點(diǎn)形式。該種節(jié)點(diǎn)制作簡(jiǎn)單，施工方便，但其性能尚有待于進(jìn)一步研究。本文利用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)該種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)加載下的受力分析，為其在工程中應(yīng)用提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析FEMAnalysisofBeam-ColumnJointofSRCAbstractStructurewhichismadeofsteelreinforcedconcrete(SRC)columnandreinforcedconcrete(RC)beamiseconomicandalsostrongenough.Inthispaper,inthiskindofstructure,anewtypeofless-usedjoint,inwhichthesteelbarofbeamgothroughtheflanksofsectionsteelincolumn,isstudied.,Thejointiseasyforconstruction,buttheresearchworkdoneonitisstillnotenough.Usingthefiniteelementanalysis,theforce-displacementcurvesundermonotonicloadinghasbeenobtained,andsomeconclusionsaredrawninthispaper,whichcanprovidereferencefordesigners.KeywordsSteelreinforcedconcreteBeam-columnjointNumericalanalysis1引言型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)的一種主要形式，由于其承載能力高、剛度大及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多地應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)和地震區(qū)的高層建筑以及超高層建筑。與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的配鋼率可比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的配鋼率大很多，因此可以在有限的截面面積中配置較多的鋼材，所以型鋼混凝土構(gòu)件的承載能力可以高于同樣外形的鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力一倍以上，從而可以減小構(gòu)件的截面積，避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的肥梁胖柱現(xiàn)象，增加建筑結(jié)構(gòu)的使用面積和空間，減少建筑的造價(jià)，產(chǎn)生較好的綜合效益。同時(shí)，由于SRC結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，延性性能好等優(yōu)點(diǎn)，能大大改善鋼筋混凝土受剪破壞的脆性性質(zhì)，使結(jié)構(gòu)抗震性能得到明顯的改善。梁柱節(jié)點(diǎn)是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。它處于壓彎剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，受力比較復(fù)雜。同時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，原則上梁鋼筋避免或減少穿過(guò)型鋼腹板，也不宜與型鋼焊接，且不宜穿過(guò)型鋼翼緣；當(dāng)縱向鋼筋必須穿過(guò)型鋼腹板或型鋼翼緣時(shí)，可采用控制開(kāi)孔率、型鋼補(bǔ)強(qiáng)等方法處理，在一定程度上影響了節(jié)點(diǎn)的承載能力。目前，我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138-2001）[1]對(duì)型鋼混凝土的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造僅作了原則性的規(guī)定。因此研究并明確節(jié)點(diǎn)的受力性能和破壞機(jī)理，使節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)傳力明確，安全可靠，構(gòu)造合理是十分必要的。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同,型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的形式主要有五種:1)鋼筋混凝土梁－型鋼混凝土柱的連接；2)型鋼混凝土梁－型鋼混凝土柱的連接；3)型鋼梁－型鋼混凝土柱的連接；4)型鋼混凝土梁－鋼筋混凝土柱的連接；5)型鋼混凝土梁－型鋼柱的連接。由于鋼筋混凝土的造價(jià)較低,將型鋼混凝土柱和鋼筋混凝土梁配合使用，既發(fā)揮型鋼混凝土的優(yōu)點(diǎn)，又降低了成本，是一種比較優(yōu)秀的方案。本文重點(diǎn)研究型鋼混凝土柱和鋼筋混凝土梁連接的一種新型節(jié)點(diǎn)。它與傳統(tǒng)的型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)區(qū)別在于，它允許鋼筋混凝土梁的縱向鋼筋直接穿過(guò)型鋼翼緣以保持連續(xù)性，以保證節(jié)點(diǎn)區(qū)梁彎矩傳遞的連續(xù)性。鑒于該新型節(jié)點(diǎn)屬于一種嶄新設(shè)計(jì)思路下的節(jié)點(diǎn)型式，其結(jié)構(gòu)受力性能具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性。本文運(yùn)用通用有限元分析軟件模擬整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行非線(xiàn)性有限元分析，以期進(jìn)一步明確節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理。2節(jié)點(diǎn)有限元模型本文研究的節(jié)點(diǎn)模型來(lái)源于上海西郊賓館工程，如圖1所示，柱采用型鋼混凝土柱，梁為普通鋼筋混凝土梁,柱為型鋼混凝土柱。型鋼翼緣開(kāi)孔，梁內(nèi)縱向鋼筋穿過(guò)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的柱截?cái)辔恢眠x擇在反彎點(diǎn)處，故可以用鉸接模擬柱的邊界條件。模擬荷載為集中單調(diào)荷載，加在梁懸臂截?cái)嗵帯D1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造2．1ABAQUS簡(jiǎn)介ABAQUS是功能非常強(qiáng)的非線(xiàn)性有限元軟件[2]，能夠分析非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線(xiàn)性問(wèn)題。它不但可以做單一構(gòu)件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析及研究。ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使其被各國(guó)的工業(yè)領(lǐng)域和研究領(lǐng)域廣泛采用，在大量的高科技產(chǎn)品研究中發(fā)揮著巨大的作用。2．2參數(shù)選取根據(jù)設(shè)計(jì)要求，型鋼采用Q235鋼材，材料應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為雙折線(xiàn)本構(gòu)關(guān)系，屈服強(qiáng)度取235N／mm，彈性模量E=200000N／mm；鋼筋采用Φ22，彈性模量E=200000N／mm，材料應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系也為雙折線(xiàn)本構(gòu)關(guān)系，屈服強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值335N／mm?；炷敛捎肅30，其本構(gòu)關(guān)系按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]（GB50010-2002）附錄中的單軸抗拉抗壓本構(gòu)關(guān)系確定。2．3有限元模型飾根據(jù)對(duì)稱(chēng)性原斯理辮，掘取偏壓試件的歇1/4亡進(jìn)行建模針，施如圖層2更所示圾。順?lè)治龀绦蚴褂媚车▉?lái)求解灰單元?jiǎng)偠染仃嚭?，境且每一個(gè)荷載雪子步在求解完銀成進(jìn)入下一個(gè)淺子鍬步的計(jì)算前壟，妙程序自行修免正近剛度矩陣以反詠映單元材料的滾非線(xiàn)性特征脾，陷逐級(jí)加載直至謠計(jì)算竿無(wú)法盟收斂為止片。布為了對(duì)比此類(lèi)泉節(jié)點(diǎn)的工作性位能，還按相同吉尺寸另建一裹節(jié)點(diǎn)詠模型夢(mèng)，其鞭鋼筋焊接于型擦鋼上的節(jié)點(diǎn)（經(jīng)即梁內(nèi)禽縱向鋼筋督在節(jié)點(diǎn)內(nèi)截?cái)鄡H，不穿過(guò)節(jié)點(diǎn)下），報(bào)以呼與新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)判行對(duì)比分析。長(zhǎng)2毛．茶4咱網(wǎng)格的劃分及毀分析步驟支ABAQU痰S妹／訪(fǎng)CA經(jīng)E椅包含了一維、脊二維和三維區(qū)態(tài)域網(wǎng)格劃分的擺各種方法，且擴(kuò)不同的部曉件義(Part息)宵的網(wǎng)格之間不娘需要協(xié)調(diào)。根題據(jù)趙節(jié)點(diǎn)威的具體情況，摔為簡(jiǎn)化建模方修法，結(jié)構(gòu)中各畝類(lèi)型單元最大陪網(wǎng)格尺寸均確太定為稍50詢(xún)mm者，節(jié)點(diǎn)異的分析步疲驟酷STE壺P六采共用便ABAQU刃S賓中激的根Genera以l失類(lèi)型，并選擇度其中曬的蔥Stati旅c垃，濃Riks敵項(xiàng)，且考慮非懷線(xiàn)性。床3劈計(jì)算結(jié)果分析洽3群．濕1返整體變形圖喊節(jié)點(diǎn)損模型木是按實(shí)際工程樣制作的最“換強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件鋒”慶設(shè)計(jì)的，開(kāi)裂洋和破壞都集中屬在梁端，最終籌梁端出現(xiàn)塑性痛鉸，并表現(xiàn)出愚很好的延性。脾圖潤(rùn)2堡為飯節(jié)點(diǎn)在接近承誕載力極限狀態(tài)津時(shí)的整體變形脆圖兼與拋Mises驅(qū)應(yīng)力圖烤。匠破壞時(shí)梁端出受現(xiàn)塑性絞，芽可以看出試件像梁端產(chǎn)生怕明顯的豎向工變形捉。斜柱身受正彎矩鮮區(qū)段有明顯的首彎曲變形，型咱鋼也隨柱身產(chǎn)府生變形，通過(guò)于對(duì)比分析，由忍于型鋼的存在餓，柱身變形明倘顯減小。頌節(jié)點(diǎn)在極限狀峰態(tài)時(shí)的主Mises泉應(yīng)力燕見(jiàn)圖診2脫，該應(yīng)力是根許據(jù)潮第四強(qiáng)度理論屬屈服條件計(jì)算育而得：僵妄謹(jǐn)蓋(1)訪(fǎng)圖抵2華奔節(jié)摩點(diǎn)甲Mise練s廢應(yīng)力扯3申．蠢2囑荷載與位移曲鍵線(xiàn)國(guó)將由欲A纏baqus屆程序計(jì)算得到庸的臭單調(diào)荷載作用既下的翅荷載酒－葉位移曲線(xiàn)兩見(jiàn)圖輕3猜。寒該曲線(xiàn)描述的閃是梁懸臂截?cái)酀?rùn)處害集中荷載作用獸下產(chǎn)生的米該點(diǎn)比豎向位移。鵲圖哲3肢蜂荷載－位移曲查線(xiàn)幣從圖中可以看閘出猾,喜節(jié)點(diǎn)受剪和破活壞過(guò)程與一般爺梁柱節(jié)點(diǎn)類(lèi)似迅，可分為彈性農(nóng)，屈服軟化，蒸極限，下降破烏壞四個(gè)階段握[客4都]許。達(dá)到極限荷撞載時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)扭混凝土與型鋼門(mén)均達(dá)到屈服強(qiáng)賺度。魯當(dāng)荷載作用初汪始階段慎,棒計(jì)算曲線(xiàn)瓣都川呈乒彈性，角但隨著荷載增已加篩,舊曲線(xiàn)況斜率逐漸減小掛,共呈現(xiàn)出塑性性喉質(zhì)，這是梁內(nèi)全鋼筋屈服的表遺現(xiàn)。舌在荷載作用的彈晚期，曲線(xiàn)呈彩下降趨勢(shì)，這迎是欠受柿壓區(qū)混凝土被柿壓碎的表現(xiàn)。虛同時(shí)，秩縱向鋼筋逮穿過(guò)節(jié)點(diǎn)的承武載力在相同位三移時(shí)比不穿過(guò)迅的要高，敲說(shuō)明楊縱向鋼筋穿過(guò)賣(mài)節(jié)喉點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)傳力央機(jī)理死要優(yōu)于后者，渣梁內(nèi)彎矩能更遍好的姻傳晉到支座上，以重便于混凝土梁短內(nèi)彎矩傳遞到投柱中混凝土部浴分澇[絡(luò)5扇]煉。偉3末．凱3墨節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混析凝土袖應(yīng)力頓從混凝土的受米力分析中得知肥，混凝土對(duì)節(jié)粘點(diǎn)抗剪也起作隔用。在接近極倘限狀態(tài)時(shí)，沿舅對(duì)角線(xiàn)方向形衫成斜裂縫，將腫核心混凝土分賢割成斜壓桿，體混凝土的抗剪殊能力取決于斜鐵壓桿的抗壓強(qiáng)形度。從極限狀洗態(tài)的圈Mises些應(yīng)力圖芽2負(fù)中得知，混凝勇土核心區(qū)沿對(duì)顆角線(xiàn)方向應(yīng)力倘較大，這與普深通乓鋼筋夠混凝土劉節(jié)點(diǎn)幼是相同的。橫3繞．碑4橫醫(yī)梁內(nèi)率縱向鋼筋聲圖抽4問(wèn)的兩條曲線(xiàn)分專(zhuān)別表示為鋼筋絕穿過(guò)節(jié)點(diǎn)與在插節(jié)點(diǎn)處截?cái)鄡稍惴N情況下，在范梁端部分縱向俗鋼筋的曲線(xiàn)。腸從圖中可以看益出，穿過(guò)節(jié)點(diǎn)雕的鋼筋，受力圓良好，在荷載舊達(dá)到極值左38kN奏時(shí)，開(kāi)始屈服諷；而不穿節(jié)點(diǎn)宏的縱向鋼筋，引應(yīng)力－應(yīng)變曲閉線(xiàn)發(fā)展慧緩慢，而且在王荷載作用后期席，仍沒(méi)達(dá)到屈寨服，此時(shí)節(jié)點(diǎn)駝已喪失承載力不。所以，鋼筋肢穿過(guò)節(jié)點(diǎn)的情隔況下，梁內(nèi)受廣力鋼筋充分發(fā)普揮作用，有利扒于彎矩傳遞。往圖殘4綿輝鋼筋應(yīng)力－應(yīng)詠?zhàn)兦€(xiàn)瞞3拌．愚5梁型鋼較腹板腎在型鋼混凝土竹節(jié)點(diǎn)中，鋼骨罩承擔(dān)著部分軸健力，剪力和彎冤矩垮[駛6線(xiàn)]慎，由于鋼骨腹豐板的抗側(cè)剛度殺比其翼緣大很扎多，我國(guó)常用應(yīng)的建筑工字鋼紀(jì)翼緣承擔(dān)的剪拉力僅是腹板承窗擔(dān)的剪力答5%饞左右社[兔7桐]景，為此，節(jié)點(diǎn)表核心區(qū)鋼骨承隨擔(dān)的剪力主要泳由腹板承擔(dān)。牽在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極借限狀態(tài)以前鵲，由于掩有取混凝土的存在喊，陸能桂保證節(jié)點(diǎn)達(dá)到伶極限狀態(tài)前，鄙鋼骨腹板不發(fā)向生局部屈曲陸。炒圖新5若為在極限狀態(tài)怠下，型鋼腹板慎的應(yīng)力圖?？杀O(jiān)以看出，在核吹心區(qū)，型鋼已思經(jīng)屈服。氏圖談5欄運(yùn)型鋼腹板應(yīng)力包圖蒸3禿．腰6慕型鋼翼緣配圖扔6日舟型鋼翼押緣喝Mise端s銜應(yīng)力與正應(yīng)力冠圖接型鋼翼緣青mises誠(chéng)應(yīng)力與截面內(nèi)切正應(yīng)力晃見(jiàn)圖法6近。從圖中可以尼看出，與遠(yuǎn)離閃開(kāi)孔的位置相叨比，開(kāi)孔位置擠較早進(jìn)入屈服嘩階段，而且沒(méi)誕有達(dá)到材料屈蔬服值時(shí)，構(gòu)件春承載力就已經(jīng)鼻喪失。堪通過(guò)計(jì)算應(yīng)力偉集中系數(shù)，可慌以看出，由于決截面受開(kāi)孔的咬影響，指孔周?chē)囊砭墐r(jià)產(chǎn)生應(yīng)力集中蛾現(xiàn)象嚴(yán)重，所殖以應(yīng)限制開(kāi)孔踐的大小，使之冰不降致嗚影響整個(gè)構(gòu)件姑的承載力。惹圖夸7柔為在極限狀態(tài)激下，型鋼翼緣祥的應(yīng)力圖，可竄見(jiàn)孔邊應(yīng)力集厘中現(xiàn)象嚴(yán)重。廉圖勢(shì)7消型鋼翼緣應(yīng)力式圖4結(jié)論攪本文根據(jù)某實(shí)屢際工程，用有逮限元分析軟件玉Abaqus旦對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行砍了數(shù)值分析，請(qǐng)得出如下結(jié)論射：急（炸1?。鹦弯摶炷量蛳都芄?jié)點(diǎn)工作性咸能與普通混凝敢土節(jié)點(diǎn)陽(yáng)類(lèi)似，裁經(jīng)歷價(jià)彈性，屈服軟邁化，極限，下攔降破壞四個(gè)階萌段黃。北但絞由于有型鋼的袋存在，柱身變沫形較小，洋型鋼腹板能承魯擔(dān)一部分剪力境，階承載力有相應(yīng)蹈提高，并且避憤免了脆性破壞國(guó)的發(fā)生。玩（蚊2腳）國(guó)梁內(nèi)齡縱向鋼筋融穿過(guò)節(jié)點(diǎn)有利皂于劣梁彎矩的傳遞伴。挽（勇3懂）在型鋼混凝摧土柱中，鋼骨錦承擔(dān)的剪力大違部分由型鋼腹基板承擔(dān)。型鋼麥腹板屈服后，療由于混凝土的島存在，不會(huì)局深部屈曲。駐（狂4掩）燭型鋼翼緣的開(kāi)掠孔，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)查重的應(yīng)力集中?，F(xiàn)象，不利于監(jiān)翼緣受彎。鼻因此，應(yīng)將念截面霸的碎削弱限制在一雞定范圍內(nèi)，以際避免構(gòu)件差的診受彎紅能力漿受到影響。參考文獻(xiàn)珠[鋸1碎]蓮型鋼混凝土組的合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)禾程齒,壽JGJ13登8-2001脖[矩2絞]誼莊茁等譯斷,隔ABAQU隊(duì)S/Ssan罪dard瞞有限元軟件入銳門(mén)指南輩