钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究.pdf

书 书 书文章编号：（）收稿日期：网络首发日期：基金项目：中国铁建股份有限公司科技研发计划项目（）作者简介：高志（），男，江苏徐州人，高级工程师，主要研究方向为建筑工程、施工工艺；：引文格式：高志钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究铁道建筑技术，（）：钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究高志（中铁建设集团南方工程有限公司广东广州）摘要：在一些建筑结构上，无梁楼板结构正在取代传统的梁板式结构，但是目前并没有桩头板设计、施工及可靠性评估的标准。本文依托澳门南湾湖工程，利用有限元分析软件对其钢格构柱与无梁楼板处桩头板的连接进行了力学性能分析，并对工程中钢格构柱与无梁楼板连接处安全性能提出了间接的评估方法。通过对实际工程的力学模型进行简化，建立钢格构柱与无梁楼板的桩头板连接模型，对无梁楼盖荷载进行荷载等效；并运用有限元计算获得桩头板应力状态，对桩头板强度、刚度进行了评估，同时也对结构进行了抗震性能分析。桩头板受到的最大等效应力为，小于材料的屈服应力，楼板挠度未超过极限值；在结构的抗震截面分析中其抗力可以达到相关要求。经过对桩头板强度、刚度的安全评估，考虑其结构抗震分析，最终研究结果得出其结构设计是安全的，可以推广到其他类似工程。关键词：钢格构柱无梁楼板桩头板有限元模拟抗震分析中图分类号：；文献标识码：（，）：，：；引言随着建筑行业的不断发展，格构柱已经变成建筑结构中不可或缺的一种构件。杜姚姚等提出一种规格的格构柱代替传统的实心木柱作为结构承重构件，并对新规格的格构柱进行实验与有限元模拟，最终得到新规格格构柱力学性能比传统的实心木柱好的结论。王丽军经过对轻型钢结构中全螺铁道建筑技术 （）高志:钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究栓装配式进行低周往复加载静力试验发现在加载过程中梁柱连接节点的高强螺栓容易发生滑移导致节点内力增大加剧了破坏作用从而加速了节点失效的过程 同时姚健对装配式建筑梁柱节点进行分析固定装配式绿色建筑的梁柱节点可以有效地控制搭接钢筋的滑移提高其抗拉能力通过计算装配式绿色建筑梁柱节点的承载能力和预应力还可以提高其稳定性从而提高整个装配式绿色建筑梁柱单元的稳定性康仲录对无梁楼板柱上板带宽度及弯矩取值进行了探讨 相对于梁板式结构无梁楼板具有在相同层高时增加净空、使用梁板模块更少、施工速度加快、铺设管道更加便捷等优势 但是现在仍存在着一些设计或者施工的问题导致无梁楼板的安全事故频频发生 等提出了一种新型抗震预制梁柱接头()由于损坏主要集中在可更换的连接器上因此可以在强震后快速恢复功能 该研究调查了连接处的震后恢复性能同时使用数值分析实验验证显示准确的屈服负荷预测 发现设计合理的 表现出良好的承重抗倒塌抗震和恢复能力 还发现法兰盖板的厚度与强度、螺栓的间距、梁间隙等影响性能的因素都需要适当的设计 等研究典型复合材料梁柱内部节点在横向循环荷载下的性能 研究中使用增量位移控制的横向循环荷载测试了后张法预制宽 型梁柱内部节点的半尺度试件并利用 有限元进行了数值模拟验证 基于实验和数值结果对梁柱内部节点在横向循环荷载下的性能进行了探讨 等通过试验和分析相结合的方法研究了锈蚀钢筋混凝土外梁柱节点的抗震性能发现钢筋腐蚀降低了节点的抗剪强度和传递给梁的剪力最后影响了梁柱的抗震性能由分析可知保证无梁楼板的安全性重点在于其立柱与无梁楼板的连接承载力达到要求 本文以澳门南湾湖工程的地下施工工程为例对其无梁楼盖板与柱体之间的桩头板柱帽结构在楼板荷载下进行 仿真模拟分析验证了工程中对桩头板的设计和实际使用是符合安全要求的并为将来对于无梁楼板结构的设计提供参考 工程概况澳门南湾湖工程由、地块组成共占地面积 建筑檐.地块建筑面积 其中地上 地下 如图 所示 本工程建筑地下室共 处使用桩头板结构连接钢格构柱和无梁楼盖板采用了无梁楼板的结构其优点是结构的自身荷载由立柱桩直接承担并传递至持力层减少 图 澳门南湾湖工程了开挖时卸载对持力层的影响降低基坑内地基回弹量 同时比起传统的梁板结构无梁楼板在相同层高时可以相应增加净空 且由于梁板模块的减少可以加快施工的速度节省时间本工程地下连续墙主要承受水平荷载与楼板没有刚性连接楼层中的立柱就成为了建筑最主要的受力结构 地下室共 处使用桩头板结构连接钢格构柱和无梁楼盖板因此在无梁楼板与柱之间的连接上需要采用严格的柱帽桩头钢板焊接技术使用桩头板来实现立柱和无梁楼板的连接以此保证柱与楼板良好的受力状况 由于本工程的立柱部分为钢格构柱对无梁楼板桩头板与钢格构柱连接的力学性能研究分析是非常重要的一环 钢格构柱桩头板的有限元分析.模型简化与建立在对实际情况的荷载简化中根据现场立柱分布的特点将一丛立柱的力学分析简化为对一根钢格构柱及其附近受主要相互作用影响的楼板的整体分析具体如图 所示 黑色的正方形为本层的钢格构柱中间的虚线框所围面积代表经过分配后用于计算的楼板面积 由于逆作结构的自身荷载由立柱桩直接承担并传到持力层主要受力将集中在立柱的桩头板上由于钢格构柱承压能力强一般情况下是能承受住上层荷载压力的而相对比较弱的是桩头板与无梁楼板的连接其力学性能分析将是有限元分析的重点首先对实际场地的钢格构柱进行简化使之变为钢构柱上绑定的四块桩头板与此层楼板连接的情况如图 所示 图 立柱楼板模型 图 有限元装配线框图.装配建模本文的有限元建模引用的各种参数取源于施工图纸主筋和钢格构柱的设计参数可见图 铁道建筑技术 ()高志:钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究图 主筋与钢格构柱连接大样图 如图 所示钢格构柱为正方形柱长宽都为 中间有一个跟底部相通的小孔直径为 钢格构柱与桩头板本身的材料为 低碳合金钢桩头板由四块矩形桩头板焊接而成其长度为 伸出长度为 即宽度为 厚度为 根据钢格构柱在楼层中的密集程度我们取楼板面积为 厚度为 有限元计算过程中我们使用钢格构柱、楼板、桩头板和钢筋的材料属性见表 表 钢格构柱各构件的材料属性结构密度/(/)弹性模量/泊松比钢格构柱.楼板.桩头板.钢筋.网格与边界条件设置在网格的设置上对于带圆孔的钢格构柱在指派网格控制属性时使用的是中心轴算法此算法可以更易得到规则的网格其他皆使用进阶算法 在单元类型上采用 和 实体单元和桁架单元进行网格划分在网格密度分布上由于主要是对桩头板变形进行分析因此加大了其上的网格密度 而对于楼板因为只用于施加重力荷载可适当将网格编得稀疏些减小计算成本对于各处的连接工程实际上采用的是焊接的方法只有对于钢筋与楼板之间是通过混凝土浇筑因此 图 钢筋分布在 中对于其他连接处的约束采用 绑定约束而对于钢筋与楼板则通过内置钢筋来进行图 即为桩头板上的钢筋分布.荷载的简化计算由于我们所计算的楼板处在 层地下车库中截取的楼板面积为 可仅考虑永久荷载为结构自重即楼板、桩头板以及其上钢筋的重量 采用重力计算公式:()式中:为计算构件的质量 取./为其密度 为其体积、分别为构件尺寸的长、宽、高通过式()计算得出楼板(含钢筋)重力 为 桩头板总重 为.此外最主要的活荷载为车活荷载但由于所取的楼板面积为 铁道建筑技术 ()高志:钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究 若不考虑消防车荷载由建筑结构荷载规范()可知楼板活荷载设计值取./计算永久荷载控制的荷载设计值:()式中:为楼板荷载为第 个永久荷载分项系数对于永久荷载应取.为按第 个永久荷载标准值计算的荷载效应为第 个可变荷载分项系数应取.为第 个可变荷载考虑设计使用年限的调整系数为第 个可变荷载 的组合值系数为第 个可变荷载标准值 计算的荷载效应值 为参与组合的永久荷载数 为参与组合的可变荷载数通过式()计算可得出在永久荷载控制下的荷载设计值为 .因此在仿真模型实际荷载的设置时将构件重力通过重力荷载加于楼板与桩头板上并将荷载设计值与所有构件的重力之和相减并除以楼板的面积作为压强施加在楼板上表面如式():()/()式中:为楼板上表面面积 为楼板上表面施加的压强.仿真结果与分析.桩头板强度安全评估对于桩头板强度的安全评估本文采用的是 屈服准则 屈服准则又叫第四强度准则适用于金属构件 由图、图 可知桩头板上存在应力集中现象其最大等效应力为.位于一根钢筋叠接的末端 桩头板的材料为 低碳合金钢其屈服强度为 外部四周的四块桩头板厚为 内部连接的桩头板厚度为 桩头板受到的最大等效应力是小于屈服应力的 ()由计算可得在本设计中其桩头板的强度应是能达到安全要求的图 等效应力图 等效应力局部放大.桩头板的抗弯刚度分析为了使得桩头板的安全得到充分保证除了需要保证桩头板的强度符合要求还需其抗弯性能符合安全标准但是目前暂未有明确的对桩头板材料抗弯能力、安全挠度极限的指标 因此本文采用间接的方法在桩头板因为弯曲而变形太大时其必将导致楼板挠度随之增大根据对楼板的挠度极限检验计算将可以间接检验桩头板的抗弯刚度的安全性 由此本文将把桩头板和楼板看成一块整体来检验是否符合楼板的挠度限值 在有限元建模中是以位移向上为正方向因此实际楼板的最大挠度 为.位于方形楼板的顶点处而根据混凝土结构设计规范中规定按照要求对于悬臂构件的挠度限值计算其跨度 按实际悬臂长度的两倍取用因此取 为 则楼盖板挠度极限值取为 /算出极限挠度为 .()因此楼板的挠度是符合安全规范的这也间接表明桩头板的抗弯性能良好是安全的 结构的抗震分析澳门南湾湖工程属于丙类级场地按照我国的建筑抗震设计规范(以下简称规范)可知澳门所处地区抗震设防烈度为 度设计基本地震加速度值为.处在第一组 根据规范规定对于无梁楼板的板柱结构需要进行截面抗震计算以及抗震变形计算但因所算模型为地下车库层间位移量极小故仅进行其截面的抗震计算规范在.中给出了结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合的计算公式:()式中:为竖向地震作用分项系数为风荷载组合值系数由于我们所计算的地下车库所处地区抗震设防烈度为 度根据规范可不考虑竖向地震作用且设施铁道建筑技术 ()高志:钢格构柱与无梁楼板连接处力学性能及抗震分析研究处在地下可不考虑风荷载因此该公式简化为:()式中:为结构构件内力组合的设计值包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值等为重力荷载分项系数一般采用.为重力荷载代表值的效应按规范采用为水平地震作用分项系数仅计算水平地震作用时取.为水平地震作用标准值的效应应乘以相应增大系数或调整系数 计算地震作用时建筑的重力荷载代表值 应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和已知楼板总重量 为.桩头板总重 为.由于楼板为地下车库其楼板活荷载主要为停留的车辆作为实际情况的楼面活荷载计为.故:.()水平地震作用标准值的效应采用底部剪力法算得.则结构构件内力组合的设计值:.()按照规范.结构构件的截面抗震验算应采用下列设计表达式:/()式中:为承载力抗震调整系数查表取.为结构构件承载力设计值按截面拉压强度计算单块桩头板的水平侧向承载力其承载力为:.()即使取安全系数 时 /.因此 .实际工程应用澳门南湖湾工程地下为三层地下室结构地下室楼板均采用无梁楼盖板结构每层使用 根方形钢格构柱承担荷载并使用桩头板作为地下室钢格构柱与无梁楼板连接的柱帽结构 地下室采用桩头板结构为无梁楼盖板与钢格构柱的连接结构取得良好的实际应用 在施工过程中多次采用先进的焊缝技术及超声波监测确保桩 图 桩头板施工现场头板与柱体、楼板钢筋正确焊接 在施工过程及施工后均无发现柱体及楼板出现裂缝及破坏的现象且通过安全测试可见使用桩头板的效果良好 图 是澳门南湖湾工程钢格构柱桩头板施工现场图 结论本文利用 有限元仿真计算对无梁楼板中的桩头板结构进行了强度、抗弯刚度以及抗震性能的安全分析通过荷载等效和模型简化建立了立柱与楼板连接的模型提出了间接的方式评估桩头板的抗弯性能并分析了其抗震能力 对于地下车库无梁楼板中桩头板的结构设计是安全的在施工过程及施工后均无发现柱体及楼板出现裂缝及破坏的现象且通过安全测试可见使用桩头板的效果良好且本安全评估方法可行 本工程采用的桩头板材料和设计可以为国内采用无梁楼盖板施工提供一个很好的参考目前调研了参考文献和类似工程尚属于首次使用为将来无梁楼板的使用以及对于桩头板柱帽结构规范的形成提供实际参考参考文献 杜姚姚 张苏俊 朱旭东 等.四肢规格材格构柱轴心受压性能试验.林业工程学报 ():.王丽军.全螺栓分层装配式轻钢框架抗震性能试验研究.铁道建筑技术():.姚健.装配式绿色建筑梁柱节点固定方法研究.铁道建筑技术():.康仲录.无梁楼板柱上板带宽度及弯矩取值的探讨.建筑结构 ():.李慧琛.谈无梁楼板设计要求与工程实际应用.建材与装饰():.():.:.:.鲁开宇 郑涛 胡明慧 等.简述多层物流冷库采用无梁楼板结构的优势.中国储运():.于永柱 管成 张厚江 等.古建筑墙体木柱缺陷对其安全性影响数值模拟研究.北京林业大学学报 ():.中华人民共和国国家标准局.混凝土结构设计规范:.北京:中国建筑工业出版社:.姜慧 余演波 王立新.澳门地区建筑物设计地震动参数研究.华南地震():.中华人民共和国国家标准局.建筑抗震设计规范:.北京:中国规划出版社:.铁道建筑技术 ()