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?。圖1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造2．1ABAQUS簡(jiǎn)介ABAQUS是功能非常強(qiáng)的非線性有限元軟件[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有限元模型根據(jù)對(duì)稱(chēng)性原理，取偏壓試件的1/4進(jìn)行建模，如圖2所示。分析程序使用迭代法來(lái)求解單元?jiǎng)偠染仃嚕颐恳粋€(gè)荷載子步在求解完成進(jìn)入下一個(gè)子步的計(jì)算前，程序自行修正剛度矩陣以反映單元材料的非線性特征，逐級(jí)加載直至計(jì)算無(wú)法收斂為止。為了對(duì)比此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的工作性能，還按相同尺寸另建一節(jié)點(diǎn)模型，其鋼筋焊接于型鋼上的節(jié)點(diǎn)（即梁內(nèi)縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)截?cái)?，不穿過(guò)節(jié)點(diǎn)），以與新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。2．4網(wǎng)格的劃分及分析步驟ABAQUS／CAE包含了一維、二維和三維區(qū)域網(wǎng)格劃分的各種方法，且不同的部件(Part)的網(wǎng)格之間不需要協(xié)調(diào)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的具體情況，為簡(jiǎn)化建模方法，結(jié)構(gòu)中各類(lèi)型單元最大網(wǎng)格尺寸均確定為50mm，節(jié)點(diǎn)的分析步驟STEP采用ABAQUS中的General類(lèi)型，并選擇其中的Static，Riks項(xiàng)，且考慮非線性。3計(jì)算結(jié)果分析3．1整體變形圖節(jié)點(diǎn)模型是按實(shí)際工程制作的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”設(shè)計(jì)的，開(kāi)裂和破壞都集中在梁端，最終梁端出現(xiàn)塑性鉸，并表現(xiàn)出很好的延性。圖2為節(jié)點(diǎn)在接近承載力極限狀態(tài)時(shí)的整體變形圖與Mises應(yīng)力圖。破壞時(shí)梁端出現(xiàn)塑性絞，可以看出試件梁端產(chǎn)生明顯的豎向變形。柱身受正彎矩區(qū)段有明顯的彎曲變形，型鋼也隨柱身產(chǎn)生變形，通過(guò)對(duì)比分析，由于型鋼的存在，柱身變形明顯減小。節(jié)點(diǎn)在極限狀態(tài)時(shí)的Mises應(yīng)力見(jiàn)圖2，該應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論屈服條件計(jì)算而得：(1)圖2節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力3．2荷載與位移曲線將由Abaqus程序計(jì)算得到的單調(diào)荷載作用下的荷載－位移曲線見(jiàn)圖3。該曲線描述的是梁懸臂截?cái)嗵幖泻奢d作用下產(chǎn)生的該點(diǎn)豎向位移。圖3荷載－位移曲線從圖中可以看出,節(jié)點(diǎn)受剪和破壞過(guò)程與一般梁柱節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，可分為彈性，屈服軟化，極限，下降破壞四個(gè)階段[4]。達(dá)到極限荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土與型鋼均達(dá)到屈服強(qiáng)度。當(dāng)荷載作用初始階段,計(jì)算曲線都呈彈性，但隨著荷載增加,曲線斜率逐漸減小,呈現(xiàn)出塑性性質(zhì)，這是梁內(nèi)鋼筋屈服的表現(xiàn)。在荷載作用的晚期，曲線呈下降趨勢(shì)，這是受壓區(qū)混凝土被壓碎的表現(xiàn)。同時(shí)，縱向鋼筋穿過(guò)節(jié)點(diǎn)的承載力在相同位移時(shí)比不穿過(guò)的要高，說(shuō)明縱向鋼筋穿過(guò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理要優(yōu)于后者，梁內(nèi)彎矩能更好的傳到支座上，以便于混凝土梁內(nèi)彎矩傳遞到柱中混凝土部分[5]。3．3節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土應(yīng)力從混凝土的受力分析中得知，混凝土對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪也起作用。在接近極限狀態(tài)時(shí)，沿對(duì)角線方向形成斜裂縫，將核心混凝土分割成斜壓桿，混凝土的抗剪能力取決于斜壓桿的抗壓強(qiáng)度。從極限狀態(tài)的Mises應(yīng)力圖2中得知，混凝土核心區(qū)沿對(duì)角線方向應(yīng)力較大，這與普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)是相同的。3．4梁內(nèi)縱向鋼筋圖4的兩條曲線分別表示為鋼筋穿過(guò)節(jié)點(diǎn)與在節(jié)點(diǎn)處截?cái)鄡煞N情況下，在梁端部分縱向鋼筋的曲線。從圖中可以看出，穿過(guò)節(jié)點(diǎn)的鋼筋，受力良好，在荷載達(dá)到極值38kN時(shí)，開(kāi)始屈服；而不穿節(jié)點(diǎn)的縱向鋼筋，應(yīng)力－應(yīng)變曲線發(fā)展緩慢，而且在荷載作用后期，仍沒(méi)達(dá)到屈服，此時(shí)節(jié)點(diǎn)已喪失承載力。所以，鋼筋穿過(guò)節(jié)點(diǎn)的情況下，梁內(nèi)受力鋼筋充分發(fā)揮作用，有利于彎矩傳遞。圖4鋼筋應(yīng)力－應(yīng)變曲線3．5型鋼腹板在型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)中，鋼骨承擔(dān)著部分軸力，剪力和彎矩[6]，由于鋼骨腹板的抗側(cè)剛度比其翼緣大很多，我國(guó)常用的建筑工字鋼翼緣承擔(dān)的剪力僅是腹板承擔(dān)的剪力5%左右[7]，為此，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼骨承擔(dān)的剪力主要由腹板承擔(dān)。在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)以前，由于有混凝土的存在，能保證節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)前，鋼骨腹板不發(fā)生局部屈曲。圖5為在極限狀態(tài)下，型鋼腹板的應(yīng)力圖?？梢钥闯?，在核心區(qū)，型鋼已經(jīng)屈服。圖5型鋼腹板應(yīng)力圖3．6型鋼翼緣圖6型鋼翼緣Mises應(yīng)力與正應(yīng)力圖型鋼翼緣mises應(yīng)力與截面內(nèi)正應(yīng)力見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，與遠(yuǎn)離開(kāi)孔的位置相比，開(kāi)孔位置較早進(jìn)入屈服階段，而且沒(méi)有達(dá)到材料屈服值時(shí)，構(gòu)件承載力就已經(jīng)喪失。通過(guò)計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)，可以看出，由于截面受開(kāi)孔的影響，孔周?chē)囊砭壆a(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，所以應(yīng)限制開(kāi)孔的大小，使之不致影響整個(gè)構(gòu)件的承載力。圖7為在極限狀態(tài)下，型鋼翼緣的應(yīng)力圖，可見(jiàn)孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重。圖7型鋼翼緣應(yīng)力圖4結(jié)論本文根據(jù)某實(shí)際工程，用有限元分析軟件Abaqus對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值分析，得出如下結(jié)論：（1）型鋼混凝土框架節(jié)點(diǎn)工作性能與普通混凝土節(jié)點(diǎn)類(lèi)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)縱向鋼筋穿過(guò)節(jié)點(diǎn)有利于梁彎矩的傳遞。（3）在型鋼混凝土柱中，鋼骨承擔(dān)的剪力大部分由型鋼腹板承擔(dān)。型鋼腹板屈服后，由于混凝土的存在，不會(huì)局部屈曲。（4）型鋼翼緣的開(kāi)孔，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于翼緣受彎。因此，應(yīng)將截面的削弱限制在一定范圍內(nèi)，以避免構(gòu)件的受彎能力受到影響。參考文獻(xiàn)[1]型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程,JGJ138-2001[2]莊