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(guò)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(jiǎn)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(duì)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(lái)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(jià)，產(chǎn)生較較好的綜合效效益。同時(shí)，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(shí)，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(guò)型鋼腹板板，也不宜與與型鋼焊接，且且不宜穿過(guò)型型鋼翼緣；當(dāng)當(dāng)縱向鋼筋必必須穿過(guò)型鋼鋼腹板或型鋼鋼翼緣時(shí)，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(guó)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(duì)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(jià)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(guò)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(jiàn)性。本本文運(yùn)用通用用有限元分析析軟件模擬整整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(lái)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(guò)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(jiǎn)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(wèn)問(wèn)題和模擬高高度非線性問(wèn)問(wèn)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(chǎng)場(chǎng)的分析，同同時(shí)還可以做做系統(tǒng)級(jí)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(guó)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?；炷敛刹捎肅30，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(duì)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(lái)求解解單元?jiǎng)偠染鼐仃?，且每一一個(gè)荷載子步步在求解完成成進(jìn)入下一個(gè)個(gè)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(jí)加載載直至計(jì)算無(wú)無(wú)法收斂為止止。為了對(duì)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)啵徊淮┻^(guò)節(jié)點(diǎn)），以以與新型節(jié)點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)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(jiǎn)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(shí)的的整體變形圖圖與Mises應(yīng)力圖。破破壞時(shí)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(guò)對(duì)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(shí)的Mises應(yīng)力見(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(gè)階段段[4]。達(dá)到到極限荷載時(shí)時(shí)，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(shì)勢(shì)，這是受壓壓區(qū)混凝土被被壓碎的表現(xiàn)現(xiàn)。同時(shí)，縱縱向鋼筋穿過(guò)過(guò)節(jié)點(diǎn)的承載載力在相同位位移時(shí)比不穿穿過(guò)的要高，說(shuō)說(shuō)明縱向鋼筋筋穿過(guò)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(duì)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪也也起作用。在在接近極限狀狀態(tài)時(shí)，沿對(duì)對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)節(jié)點(diǎn)的鋼鋼筋，受力良良好，在荷載載達(dá)到極值38kN時(shí)，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(méi)達(dá)到屈服服，此時(shí)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)已喪失承載載力。所以，鋼鋼筋穿過(guò)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(guó)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(jiàn)見(jiàn)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(méi)沒(méi)有達(dá)到材料料屈服值時(shí)，構(gòu)構(gòu)件承載力就就已經(jīng)喪失。通通過(guò)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(gè)個(gè)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(jiàn)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(duì)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(gè)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(guò)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(huì)會(huì)局部屈曲。（4）型鋼翼緣緣的開孔，會(huì)會(huì)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