鋼筋混凝土柱鋼梁組合節(jié)點力學性能初探

1、鋼筋混凝土柱鋼梁組合節(jié)點力學性能初探 摘要: 設計 6 種不同構(gòu)造形式的鋼筋混凝土柱-鋼梁( RCS) 組合節(jié)點。通過以往的試驗研究，鋼筋混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點具有較好的受力性能，國外對此類結(jié)構(gòu)進行了較多研究，但國內(nèi)對此種結(jié)構(gòu)的研究較少。該文研究 6 種不同構(gòu)造形式的 RCS 組合節(jié)點的受力性能及破壞模式。其中有面承板，擴展面承板，扁鋼箍，正交短梁，柱面鋼板和 X交叉鋼筋等 6 種剪切件。采用 ABAQUS 通用有限元軟件對 6 種不同構(gòu)造形式的組合節(jié)點進行分析，對節(jié)點核心區(qū)受力情況進行研究。關(guān)鍵詞: 鋼筋混凝土柱; 鋼梁; 組合節(jié)點; 有限元; 數(shù)值模擬 1 鋼筋混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點設計鋼

2、筋混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點形式多樣，一般可分為柱貫通型和梁貫通型兩種。梁貫通型組合節(jié)點由于翼緣的存在，不利于澆灌混凝土的澆灌。為了研究柱貫通型 RCS 節(jié)點的受力特點與破壞模式，設計了 6種不同構(gòu)造形式的鋼筋混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點，對其進行研究分析。本文主要研究不同構(gòu)造形式下構(gòu)件承載力，為真實反應節(jié)點的受力性能，試件選用型號 Q235 常用鋼材，鋼筋選用 HPB335 級鋼筋，混凝土強度選用 C40 混凝土( a) RCS-J1 ( b) RCS-J2( c) RCS-J3 ( d) RCS-J4( e) RCS-J5 ( f) RCS-J6圖 1 RCS 節(jié)點詳圖Fig 1 Details o

3、f joint表 1 試件材性參數(shù)表Table 1 Details of specimens試件號 構(gòu)造形式 節(jié)點核心區(qū)構(gòu)造 面承板厚度 擴展面承板 扁鋼箍 正交短梁 交叉鋼筋 柱面鋼板RCS-J1 面承板 面承板 + 箍筋 10mm RCS-J2 擴展面承板 面承板 + 擴展面承板 + 箍筋 10mm高 60mm，截面尺寸同鋼梁 RCS-J3 扁鋼箍 面承板 + 扁鋼箍 + 箍筋 10mm 60mm 6mm RCS-J4 正交短梁 面承板 + 正交短梁 + 箍筋 10mm 截面尺寸同鋼梁 RCS-J5 X 交叉鋼筋 面承板 + X 交叉鋼筋 + 箍筋 10mm 4B12 RCS-J6 柱面鋼

4、板 面承板 + 柱面鋼板 10mm 4mm注: 鋼梁屈服強度 fyb為235、鋼筋屈服強度 fyc為335 和混凝土立方體強度 fcu為40，單位均為 N/mm2; 柱截面尺寸 350mm 350mm，梁截面 350mm 175mm 9mm 11mm，柱縱筋 12B20; 3 柱箍筋為井字復合箍 B8 100 /200，節(jié)點核心區(qū)箍筋箍為雙肢箍 B8 60。2 建立有限元模型采用有限元軟件 ABAQUS( Hibbitt 等)進行數(shù)值分析。2 1 材料的本構(gòu)關(guān)系模型本文鋼材應力-應變關(guān)系模型采用二次塑流模型?；炷羻屋S受壓應力-應變關(guān)系模型，暫忽略箍筋對混凝土的約束作用。采用 Attard 和

5、 Setunge 等模型。其單軸應力( c) -應變( c) 關(guān)系如式( 1) :Y =AX + BX21 + CX + DX2( 1)式中，Y = c/ fc ; X = c/ co; c和 c分別為混凝土的應力和應變，fc 和 co分別為混凝土圓柱體軸心抗壓強度及其對應的應變。具體參數(shù)詳見文獻。本文混凝土受拉采用應力-斷裂能模型。斷裂能 Gf參考歐洲的模式規(guī)范( CEB-FIP MC90) 的建議，混凝土斷裂能 Gf可按式( 2) 計算。Gf= fc( )100 7 103( 2)其中: = 1 25dmax+ 10; dmax為粗骨料的粒徑; fck為混凝土抗壓強度?；炷练逯道瓚?t

6、0參考沈聚敏等中提供的混凝土抗拉強度計算公式計算，混凝土峰值拉應力按式( 3) 計算:t0= 0 26 ( 1 5fck)2 /3( 3)2 2 單元類型及網(wǎng)格劃分在 ABAQUS 有限元模型中，混凝土、鋼梁和加載板采用 8 節(jié)點完全積分格式的三維實體單元 C3D8。鋼筋采用 Truss 單元。采用映射網(wǎng)格。為兼顧計算精等鋼筋混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點力學性能初探度與計算成本，網(wǎng)格單元尺寸為 50mm。2 3 邊界條件及荷載施加方式本文的邊界條件為柱底部及梁端鉸接。加載方式是，先在柱頂施加軸向荷載，之后再施加水平荷載。采用全模型建模。與邊界條件如圖 2 所示。在鋼筋混凝土柱底部為鉸接，梁左右端為鉸

7、接。在柱頂端施加2 方向的位移約束，以防止柱發(fā)生側(cè)移。在 ABAQUS 中設置兩個加載步，第一個荷載步是以集中力形式施加于柱頂端的加載板。第二個荷載步是在柱頂端施加水平荷載，以位移形式加載。2 4 界面接觸模型鋼梁和混凝土的界面模型處理是合理模擬鋼筋混凝土柱-鋼梁節(jié)點力學性能的關(guān)鍵。鋼梁與混凝土的界面模型由界面法線方向的接觸和切線方向的粘結(jié)滑移構(gòu)成。法線方向的接觸采用硬接觸，垂直于接觸面的界面壓力可以完全在界面間傳遞。本文鋼管與混凝土界面切向力模擬采用庫侖摩擦模型。其中， 為界面摩擦系數(shù)，建議取 = 0 25。鋼梁和面承板的接觸，鋼梁自身翼緣與腹板的接觸，鋼梁與扁鋼箍( 柱面鋼板) 的接觸，鋼

8、梁與 X 筋以及加載板與柱端混凝土的接觸，均采用綁定約束( TIE) 來模擬。3 RCS 組合節(jié)點工作機理3 1 RCS 組合節(jié)點的算例驗證通過以上方法對文獻中的試驗進行了驗證，計算結(jié)果良好。3 2 RCS 組合節(jié)點的計算結(jié)果對 6 種不同構(gòu)造的 RCS 組合節(jié)點的結(jié)算，RCS-J2 節(jié)點由于擴展面承板的存在，節(jié)點區(qū)腹板高度增加和其包裹的混凝土體積增圖 3 節(jié)點網(wǎng)格劃分與邊界條件示意圖Fig 3 Comparisons of predicted versus experimentalP- curves圖 4 6 種節(jié)點 V-曲線對比Fig 4 Comparisons of six predic

9、ted V- curves( a) RCS-J1 ( b) RCS-J2( c) RCS-J3 ( d) RCS-J4( e) RCS-J5 ( f) RCS-J6大對節(jié)點抗剪承載力提高; RCS-J3 和 RCS-J2 相比，承載力差不多，部分扁鋼箍參與可抗剪; RCS-J4 相當于十字型鋼，其兩側(cè)的翼緣平行于腹板方向，提供部分抗剪承載力; RCS-J5 柱面鋼板相當于增加面承板寬度和兩側(cè)柱面鋼板參與抗剪; RCS-J6 在節(jié)點區(qū)增加了交叉鋼筋，節(jié)點區(qū)腹板提供了主拉應力方向的拉力，從而提供抗剪。4 RCS 組合節(jié)點抗剪承載力以往美國 ASCE1994、我國 JGJ 1382001 和日本AI

10、J 中都有 RCS 組合節(jié)點抗剪承載力公式，各抗剪承載力公式不太相同，通過各個公式和計算的結(jié)果進行對比分析。4 1 ASCE 計算公式ASCE1994 年制定的 RCS 框架節(jié)點設計指南，規(guī)定了 RCS 節(jié)點抗剪強度計算公式( 4) :Vj= 0 6Fysptspjh+ 1 7 fc槡bph + 0 4 fc槡b0h +0 9AshFyshh / sh( 4)式中: Fysp為鋼梁腹板屈服強度; tsp為腹板厚度; jh為節(jié)點區(qū)長度; fc 為混凝土圓柱體抗壓強度; bp為內(nèi)部混凝土寬度; bo為外部混凝土寬度; Fysh為箍筋屈服強度; Ash為一個間距內(nèi)各肢的全部截面積; h 為柱截面高度

11、; sh為箍筋間距。4 2 JGJ 1382001 計算公式JGJ 1382001為我國 2001 年制定的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，其中 RCS 節(jié)點抗剪強度計算公式( 5) 計算:Vj= 0 58fatwhw+ 0 25fcbjhj+ fyvAsvs( h0 as) ( 5)式中: fa為腹板抗拉強度; tw為鋼梁腹板的厚度; hw為節(jié)點區(qū)貫穿長度; fc為混凝土抗壓強度; bj為節(jié)點的有效寬度，按下式取值，bj= bi+ bo/2 ，其中 bi，bo分別是節(jié)點核心區(qū)內(nèi)、外混凝土的寬度; hj為節(jié)點水平截面高度; fyv為箍筋抗拉強度; Asv為節(jié)點寬度范圍同一截面箍筋各肢的全部截面積;

12、 s 為箍筋的間距; h0為混凝土有效高度; as縱筋中心到混凝土保護層之間距離。4 3 AIJ 計算公式根據(jù)日本建筑學會的鐵骨混凝土結(jié)構(gòu)計算標準，RCS 連接節(jié)點受剪承載力計算方法如式( 6)所示:QP= Qw+ Qf+ Qh+ Qc( 6)式中: Qw為型鋼腹板抗剪承載力; Qf為柱面鋼板抗剪承載力; Qh為箍筋抗剪承載力; Qc混凝土抗剪承載力; 其余詳細參數(shù)詳見文獻。計算可知，通過軟件計算得到的抗剪承載力與 AIJ 公式計算的承載力除 RCS-J6 外，其余較為吻合，原因是 AIJ 計算公式中未考慮 X 交叉鋼筋的作用。而通過 ASCE 和 JGJ 1382001 公式計算得到的結(jié)果比

13、軟件計算結(jié)果偏大，偏于不安全。JGJ 1382001 為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，公式適用于型鋼混凝土柱-鋼梁節(jié)點，ASCE 也是綜合考慮了小鋼柱等構(gòu)造，所以其值較計算結(jié)果偏大。以上承載力計算公式可簡單分為兩種，其中 JGJ1382001 和 ASCE 以強度考慮的 RCS 組合節(jié)點抗剪承載力公式，AIJ 是以變形為因素考慮的 RCS 組合節(jié)點的抗剪承載力公式。以變形為因素的 AIJ 抗剪承載力公式可以更好地反應節(jié)點的受力情況。各公式計算結(jié)果對比Table 2 Comparison of results節(jié)點JGJ1382001ASCEAIJVp( 0 002)計算Vp計算Vp( 0002)R

14、CS-J1 1152 1094 697 953 754RCS-J2 1152 1094 737 981 821RCS-J3 1152 1094 737 1001 828RCS-J4 1152 1094 697 954 754RCS-J5 1152 1094 832 994 799RCS-J6 1152 1094 697 1038 857注: Vp( 0002) 為剪切變形為 0 002 是對應的節(jié)點抗剪承載力; Vp節(jié)點極限抗剪承載力。5 結(jié)論通過對鋼筋混凝土柱-鋼梁節(jié)點組合節(jié)點的介紹可知:( 1) ABAQUS 有限元軟件可以較好的模擬鋼筋混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點。對六種不同構(gòu)造的 RCS 組

15、合節(jié)點進行了抗剪承載力分析，分析結(jié)果表明，各抗剪承載力計算公式所得計算結(jié)構(gòu)有很大不同，JGJ 1382001 和 ASCE 不能準確的計算 RCS 組合節(jié)點抗剪承載力，基于變形的 AIJ 計算公式較為準確。( 2) 現(xiàn)有計算公式不能滿足鋼筋混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點抗剪承載力計算，更加完善的計算公式及計算原理需要繼續(xù)研究。參 考 文 獻1 Isao N，Hiroshi K，Hiroshi N Seismic design of compositereinforced concrete and steel buildings J Journal ofStructural Engineering，20

16、04( 2) : 336-3422 Deierlein G G，Shiekh T M Beam-column moment connectionfor composite frames: Part 2 J Journal of StructuralEngineering，1989，115( 11) : 2877-28963 Shiekh T M，Deierlein G G Beam-column moment connectionfor composite frames: Part1 J Journal of StructuralEngineering，1989，115( 11) : 2858-28754 The ASCE Task Committee on Design Criteria for CompositeStructures in Steel and Concrete Guidelines for design ofjoints between steel beams and rei