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凝土柱和鋼筋筋混凝土梁結(jié)結(jié)合使用是一一種比較經(jīng)濟(jì)濟(jì)、比較優(yōu)秀秀的鋼混組合合結(jié)構(gòu)體系。本本文研究在該該種結(jié)構(gòu)體系系中，一種比比較少用的梁梁內(nèi)縱向鋼筋筋直接穿過柱柱內(nèi)型鋼翼緣緣的節(jié)點(diǎn)形式式。該種節(jié)點(diǎn)點(diǎn)制作簡單，施施工方便，但但其性能尚有有待于進(jìn)一步步研究。本文文利用有限元元分析軟件ABAQUUS，對該種節(jié)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)調(diào)加載下的受受力分析，為為其在工程中中應(yīng)用提供理理論依據(jù)。關(guān)鍵詞型鋼混凝凝土梁柱節(jié)點(diǎn)數(shù)數(shù)值分析FEMAnallysisofBeeam-CoolumnJointtofSSRCAbstracctStruuctureewhicchismadeofstteelrreinfoorcedconcrrete((SRC)colummnanddreinnforceedconncretee(RC))beammiseeconommicanndalssostrrongeenoughh.Intthisppaper,,intthiskkindoofstrructurre,anewttypeooflesss-useedjoiint,iinwhiichthhesteeelbaarofbeamgothhroughhtheflankksofsectiionstteeliincollumn,,issstudieed.,TThejoointiiseassyforrconsstructtion,buttthereesearcchworrkdonneonitissstilllnottenouugh.UUsingtheffiniteeelemmentaanalyssis,tthefoorce-ddisplaacemenntcurrvesuundermonottonicloadiinghaasbeeenobttainedd,anddsomeeconcclusioonsarredraawninnthisspapeer,whhichccanprrovideerefeerenceefordesiggners..KeyworddsSteeelreiinforccedcooncretteBeeam-coolumnjointtNumerricalanalyysis1引言型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)是鋼－混凝凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)的一種主要要形式，由于于其承載能力力高、剛度大大及抗震性能能好等優(yōu)點(diǎn)，已已越來越多地地應(yīng)用于大跨跨結(jié)構(gòu)和地震震區(qū)的高層建建筑以及超高高層建筑。與與普通鋼筋混混凝土結(jié)構(gòu)相相比，型鋼混混凝土結(jié)構(gòu)中中的配鋼率可可比鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)中的的配鋼率大很很多，因此可可以在有限的的截面面積中中配置較多的的鋼材，所以以型鋼混凝土土構(gòu)件的承載載能力可以高高于同樣外形形的鋼筋混凝凝土構(gòu)件的承承載能力一倍倍以上，從而而可以減小構(gòu)構(gòu)件的截面積積，避免鋼筋筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)中的肥梁胖胖柱現(xiàn)象，增增加建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的使用面積積和空間，減減少建筑的造造價，產(chǎn)生較較好的綜合效效益。同時，由由于SRC結(jié)構(gòu)整體性性強(qiáng)，延性性性能好等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，能大大改改善鋼筋混凝凝土受剪破壞壞的脆性性質(zhì)質(zhì)，使結(jié)構(gòu)抗抗震性能得到到明顯的改善善。梁柱節(jié)點(diǎn)是型鋼鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)的關(guān)鍵部位位。它處于壓壓彎剪復(fù)合應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)，受受力比較復(fù)雜雜。同時，梁梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造造復(fù)雜，原則則上梁鋼筋避避免或減少穿穿過型鋼腹板板，也不宜與與型鋼焊接，且且不宜穿過型型鋼翼緣；當(dāng)當(dāng)縱向鋼筋必必須穿過型鋼鋼腹板或型鋼鋼翼緣時，可可采用控制開開孔率、型鋼鋼補(bǔ)強(qiáng)等方法法處理，在一一定程度上影影響了節(jié)點(diǎn)的的承載能力。目目前，我國行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《型型鋼混凝土組組合結(jié)構(gòu)技術(shù)術(shù)規(guī)程》（JGJ1138-20001）[1]對型鋼鋼混凝土的節(jié)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造僅作作了原則性的的規(guī)定。因此此研究并明確確節(jié)點(diǎn)的受力力性能和破壞壞機(jī)理，使節(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)傳力力明確，安全全可靠，構(gòu)造造合理是十分分必要的。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的的不同,型鋼混凝土土梁柱節(jié)點(diǎn)的的形式主要有有五種:1)鋼筋混凝土土梁－型鋼混混凝土柱的連連接；2)型鋼混凝土土梁－型鋼混混凝土柱的連連接；3)型鋼梁－型型鋼混凝土柱柱的連接；4)型鋼混凝土土梁－鋼筋混混凝土柱的連連接；5)型鋼混凝土土梁－型鋼柱柱的連接。由由于鋼筋混凝凝土的造價較較低,將型鋼混凝凝土柱和鋼筋筋混凝土梁配配合使用，既既發(fā)揮型鋼混混凝土的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，又降低了了成本，是一一種比較優(yōu)秀秀的方案。本本文重點(diǎn)研究究型鋼混凝土土柱和鋼筋混混凝土梁連接接的一種新型型節(jié)點(diǎn)。它與與傳統(tǒng)的型鋼鋼混凝土節(jié)點(diǎn)點(diǎn)區(qū)別在于，它它允許鋼筋混混凝土梁的縱縱向鋼筋直接接穿過型鋼翼翼緣以保持連連續(xù)性，以保保證節(jié)點(diǎn)區(qū)梁梁彎矩傳遞的的連續(xù)性。鑒于該新型節(jié)點(diǎn)點(diǎn)屬于一種嶄嶄新設(shè)計(jì)思路路下的節(jié)點(diǎn)型型式，其結(jié)構(gòu)構(gòu)受力性能具具有相當(dāng)?shù)膹?fù)復(fù)雜性和不可可預(yù)見性。本本文運(yùn)用通用用有限元分析析軟件模擬整整個試驗(yàn)過程程進(jìn)行非線性性有限元分析析，以期進(jìn)一一步明確節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的受力機(jī)理理。2節(jié)點(diǎn)有限元模模型本文研究的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)模型來源于于上海西郊賓賓館工程，如如圖1所示，柱采采用型鋼混凝凝土柱，梁為為普通鋼筋混混凝土梁,柱為型鋼混混凝土柱。型型鋼翼緣開孔孔，梁內(nèi)縱向向鋼筋穿過節(jié)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的的柱截?cái)辔恢弥眠x擇在反彎彎點(diǎn)處，故可可以用鉸接模模擬柱的邊界界條件。模擬擬荷載為集中中單調(diào)荷載，加加在梁懸臂截截?cái)嗵?。圖1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造造2．1ABAAQUS簡介介ABAQUS是是功能非常強(qiáng)強(qiáng)的非線性有有限元軟件[[2]，能夠夠分析非常龐龐大復(fù)雜的問問題和模擬高高度非線性問問題。它不但但可以做單一一構(gòu)件的力學(xué)學(xué)和多物理場場的分析，同同時還可以做做系統(tǒng)級的分分析及研究。ABAQUUS優(yōu)秀的分析析能力和模擬擬復(fù)雜系統(tǒng)的的可靠性使其其被各國的工工業(yè)領(lǐng)域和研研究領(lǐng)域廣泛泛采用，在大大量的高科技技產(chǎn)品研究中中發(fā)揮著巨大大的作用。2．2參數(shù)選選取根據(jù)設(shè)計(jì)要求，型型鋼采用Q235鋼材，材料料應(yīng)力－應(yīng)變變關(guān)系為雙折折線本構(gòu)關(guān)系系，屈服強(qiáng)度度取235N／mm，彈性模量E=2000000N／mm；鋼筋采用Φ22，彈性模量E=2000000N／mm，材料應(yīng)力力－應(yīng)變關(guān)系系也為雙折線線本構(gòu)關(guān)系，屈屈服強(qiáng)度取設(shè)設(shè)計(jì)值335N／mm。混凝土采采用C30，其本構(gòu)關(guān)關(guān)系按照《混混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范》[[3]（GB500010-22002）附錄中的單單軸抗拉抗壓壓本構(gòu)關(guān)系確確定。2．3有限元元模型根據(jù)對稱性原理理，取偏壓試試件的1/4進(jìn)行建模，如如圖2所示。分析析程序使用迭迭代法來求解解單元剛度矩矩陣，且每一一個荷載子步步在求解完成成進(jìn)入下一個個子步的計(jì)算算前，程序自自行修正剛度度矩陣以反映映單元材料的的非線性特征征，逐級加載載直至計(jì)算無無法收斂為止止。為了對比比此類節(jié)點(diǎn)的的工作性能，還還按相同尺寸寸另建一節(jié)點(diǎn)點(diǎn)模型，其鋼鋼筋焊接于型型鋼上的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)（即梁內(nèi)縱縱向鋼筋在節(jié)節(jié)點(diǎn)內(nèi)截?cái)?，不不穿過節(jié)點(diǎn)），以以與新型節(jié)點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行對比分分析。2．4網(wǎng)格的的劃分及分析析步驟ABAQUS／／CAE包含了一維維、二維和三三維區(qū)域網(wǎng)格格劃分的各種種方法，且不不同的部件(Partt)的網(wǎng)格之間間不需要協(xié)調(diào)調(diào)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的具體情況況，為簡化建建模方法，結(jié)結(jié)構(gòu)中各類型型單元最大網(wǎng)網(wǎng)格尺寸均確確定為50mm，節(jié)點(diǎn)的分分析步驟STEP采用ABAQUUS中的Generral類型，并選選擇其中的Statiic，Riks項(xiàng)，且考慮慮非線性。3計(jì)算結(jié)果分分析3．1整體變變形圖節(jié)點(diǎn)模型是按實(shí)實(shí)際工程制作作的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)構(gòu)件”設(shè)計(jì)的，開開裂和破壞都都集中在梁端端，最終梁端端出現(xiàn)塑性鉸鉸，并表現(xiàn)出出很好的延性性。圖2為節(jié)點(diǎn)在接接近承載力極極限狀態(tài)時的的整體變形圖圖與Mises應(yīng)力圖。破破壞時梁端出出現(xiàn)塑性絞，可可以看出試件件梁端產(chǎn)生明明顯的豎向變變形。柱身受受正彎矩區(qū)段段有明顯的彎彎曲變形，型型鋼也隨柱身身產(chǎn)生變形，通通過對比分析析，由于型鋼鋼的存在，柱柱身變形明顯顯減小。節(jié)點(diǎn)點(diǎn)在極限狀態(tài)態(tài)時的Mises應(yīng)力見圖2，該應(yīng)力是是根據(jù)第四強(qiáng)強(qiáng)度理論屈服服條件計(jì)算而而得：(11)圖2節(jié)點(diǎn)Miises應(yīng)力3．2荷載與與位移曲線將由Abaquus程序計(jì)算得得到的單調(diào)荷荷載作用下的的荷載－位移移曲線見圖3。該曲線描描述的是梁懸懸臂截?cái)嗵幖泻奢d作用用下產(chǎn)生的該該點(diǎn)豎向位移移。圖3荷載－位位移曲線從圖中可以看出出,節(jié)點(diǎn)受剪和和破壞過程與與一般梁柱節(jié)節(jié)點(diǎn)類似，可可分為彈性，屈屈服軟化，極極限，下降破破壞四個階段段[4]。達(dá)到到極限荷載時時，節(jié)點(diǎn)區(qū)混混凝土與型鋼鋼均達(dá)到屈服服強(qiáng)度。當(dāng)荷荷載作用初始始階段,計(jì)算曲線都都呈彈性，但但隨著荷載增增加,曲線斜率逐逐漸減小,呈現(xiàn)出塑性性性質(zhì)，這是是梁內(nèi)鋼筋屈屈服的表現(xiàn)。在在荷載作用的的晚期，曲線線呈下降趨勢勢，這是受壓壓區(qū)混凝土被被壓碎的表現(xiàn)現(xiàn)。同時，縱縱向鋼筋穿過過節(jié)點(diǎn)的承載載力在相同位位移時比不穿穿過的要高，說說明縱向鋼筋筋穿過節(jié)點(diǎn)，節(jié)節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理理要優(yōu)于后者者，梁內(nèi)彎矩矩能更好的傳傳到支座上，以以便于混凝土土梁內(nèi)彎矩傳傳遞到柱中混混凝土部分[[5]。3．3節(jié)點(diǎn)核核心區(qū)混凝土土應(yīng)力從混凝土的受力力分析中得知知，混凝土對對節(jié)點(diǎn)抗剪也也起作用。在在接近極限狀狀態(tài)時，沿對對角線方向形形成斜裂縫，將將核心混凝土土分割成斜壓壓桿，混凝土土的抗剪能力力取決于斜壓壓桿的抗壓強(qiáng)強(qiáng)度。從極限限狀態(tài)的Mises應(yīng)力圖2中得知，混混凝土核心區(qū)區(qū)沿對角線方方向應(yīng)力較大大，這與普通通鋼筋混凝土土節(jié)點(diǎn)是相同同的。3．4梁內(nèi)縱縱向鋼筋圖4的兩條曲線線分別表示為為鋼筋穿過節(jié)節(jié)點(diǎn)與在節(jié)點(diǎn)點(diǎn)處截?cái)鄡煞N種情況下，在在梁端部分縱縱向鋼筋的曲曲線。從圖中中可以看出，穿穿過節(jié)點(diǎn)的鋼鋼筋，受力良良好，在荷載載達(dá)到極值38kN時，開始屈屈服；而不穿穿節(jié)點(diǎn)的縱向向鋼筋，應(yīng)力力－應(yīng)變曲線線發(fā)展緩慢，而而且在荷載作作用后期，仍仍沒達(dá)到屈服服，此時節(jié)點(diǎn)點(diǎn)已喪失承載載力。所以，鋼鋼筋穿過節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的情況下，梁梁內(nèi)受力鋼筋筋充分發(fā)揮作作用，有利于于彎矩傳遞。圖4鋼筋應(yīng)力力－應(yīng)變曲線線3．5型鋼腹腹板在型鋼混凝土節(jié)節(jié)點(diǎn)中，鋼骨骨承擔(dān)著部分分軸力，剪力力和彎矩[66]，由于鋼鋼骨腹板的抗抗側(cè)剛度比其其翼緣大很多多，我國常用用的建筑工字字鋼翼緣承擔(dān)擔(dān)的剪力僅是是腹板承擔(dān)的的剪力5%左右[7]，為此此，節(jié)點(diǎn)核心心區(qū)鋼骨承擔(dān)擔(dān)的剪力主要要由腹板承擔(dān)擔(dān)。在節(jié)點(diǎn)達(dá)達(dá)到極限狀態(tài)態(tài)以前，由于于有混凝土的的存在，能保保證節(jié)點(diǎn)達(dá)到到極限狀態(tài)前前，鋼骨腹板板不發(fā)生局部部屈曲。圖5為在極限狀狀態(tài)下，型鋼鋼腹板的應(yīng)力力圖。可以看看出，在核心心區(qū)，型鋼已已經(jīng)屈服。圖5型鋼腹板板應(yīng)力圖3．6型鋼翼翼緣圖6型鋼翼緣緣Mises應(yīng)力與正應(yīng)應(yīng)力圖型鋼翼緣misses應(yīng)力與截面面內(nèi)正應(yīng)力見見圖6。從圖中可可以看出，與與遠(yuǎn)離開孔的的位置相比，開開孔位置較早早進(jìn)入屈服階階段，而且沒沒有達(dá)到材料料屈服值時，構(gòu)構(gòu)件承載力就就已經(jīng)喪失。通通過計(jì)算應(yīng)力力集中系數(shù)，可可以看出，由由于截面受開開孔的影響，孔孔周圍的翼緣緣產(chǎn)生應(yīng)力集集中現(xiàn)象嚴(yán)重重，所以應(yīng)限限制開孔的大大小，使之不不致影響整個個構(gòu)件的承載載力。圖7為在極限狀狀態(tài)下，型鋼鋼翼緣的應(yīng)力力圖，可見孔孔邊應(yīng)力集中中現(xiàn)象嚴(yán)重。圖7型鋼翼緣緣應(yīng)力圖4結(jié)論本文根據(jù)某實(shí)際際工程，用有有限元分析軟軟件Abaquus對其節(jié)點(diǎn)進(jìn)進(jìn)行了數(shù)值分分析，得出如如下結(jié)論：（1）型鋼混凝凝土框架節(jié)點(diǎn)點(diǎn)工作性能與與普通混凝土土節(jié)點(diǎn)類似，經(jīng)歷彈性，屈服軟化，極限，下降破壞四個階段。但由于有型鋼的存在，柱身變形較小，型鋼腹板能承擔(dān)一部分剪力，承載力有相應(yīng)提高，并且避免了脆性破壞的發(fā)生。（2）梁內(nèi)縱向向鋼筋穿過節(jié)節(jié)點(diǎn)有利于梁梁彎矩的傳遞遞。（3）在型鋼混混凝土柱中，鋼鋼骨承擔(dān)的剪剪力大部分由由型鋼腹板承承擔(dān)。型鋼腹腹板屈服后，由由于混凝土的的存在，不會會局部屈曲。（4）型鋼翼緣緣的開孔，會會產(chǎn)生嚴(yán)重的的應(yīng)力集中現(xiàn)現(xiàn)象，不利于于翼緣受彎。因因此，應(yīng)將截截面的削弱限限制在一定范范圍內(nèi)，以避避免構(gòu)件的受受彎能力受到到影響。參考文獻(xiàn)[1]型鋼混混凝土組合結(jié)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程程,JGJJ138-220