钢管混凝土柱-RC梁节点受力性能数值模拟.pdf

4 2 低温建筑技术 2 0 1 4年第 l 2期 ( 总第 1 9 8期 ) 钢管混凝土柱． R C梁节点受力性能数值模拟 赵毅 ， 静行 ( 1 ．中原工学院建筑工程学院 ． 郑州4 5 0 0 0 1 ； 2 ．河南工业大学土木建筑学院 ． 郑州4 5 0 0 5 2) 【 摘要】 利用有限元软件 A B A Q U S 对钢管混凝土柱 一 R C梁节点的力学性能进行分析 ， 给出节点的破坏模 式及荷载 一 位移关系曲线， 并对组成节点的框架柱、 框架梁及钢筋混凝土环梁的应力分布规律进行探讨。计算结 果表明： 构件塑性铰出现在距离节点核心区一定距离的框架梁上， 钢管混凝土柱及钢筋混凝土环梁未出现明显破 坏 ， 节点满足强柱弱梁， 节点更强的抗震设计原则 ， 为工程实践提供了理论依据。 【 关键词】 钢管混凝土； 节点； 钢筋混凝土环梁； 受力性能； 数值分析 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 2 — 0 0 4 2 — 0 3 钢管混凝土由于其优越的力学性能， 已经在国内外得 到广泛的应用。节点作为结构构件间的关键部位在整个结 构中占有重要的地位。目前常用的钢管混凝土柱 一钢筋混 凝土梁节点型式主要有： 穿心牛腿 +环梁节点、 单梁节点、 单双梁节点、 双梁节点、 钢筋环绕式节点、 十字板式节点、 钢 筋贯 通式节 点、 钢筋混凝 土环梁节点 及加强 环节点等 等L l J 。文中对某工程项 目中应用的钢管混凝土柱与钢筋 混凝土梁连接的节点进行了研究。该节点采用钢筋混凝土 环梁及焊接在钢管柱上的牛腿共同承担荷载， 混凝土框架 梁内纵筋搭接于牛腿的上下翼缘。为了探讨该节点形式的 ( 丑 ) 节点俯视图 受力性能， 通过 A B A Q U S非线性有限元软件， 对节点进行单 调荷载作用下力学性能的数值模拟， 对节点的受力机理和 破坏规律进行分析。 1 有 限元模型建立 文中选取平面框架中的中柱节点 ， 节点试件从左右梁 与上下柱反弯点处截取， 由框架梁、 环梁和框架柱三部分构 成， 节点模型按实际工程 1 ：4的比例设计 ， 试件的尺寸及配 筋如图 1所 示， 其 中牛腿 长度 L=1 5 0 m m， 环粱宽 度为 2 0 0 ram。试 件 的 材料 性 能 及 参 数 均 采用 试 验 测 得 的 数据 J 。 纵馈 环梁纵筋 ●__—— I ～ 新加外伸斗 现场对焊 I 塑 l ! ! J ( b ) 1 - 1 剖面 图1节点模型示意图 模型包括混凝土框架梁与环梁、 框架柱核心混凝土、 钢 管以及牛腿及环板加劲肋部分、 钢筋骨架。钢管和混凝土 之间的接触采用面面接触单元( S u r f a c e t o S u r f a c e C o n t a c t ) ， 切向摩擦采用 A B A Q U S所提供的库仑摩擦模型。摩擦系数 取为 0 ． 2 5 ， 法向定义硬接触， 即受压时存在接触， 受拉时两 个接触面分离。钢筋骨架、 钢牛腿 、 加强环板及加劲肋均植 入( E m b e d d e d ) 框架梁及环梁的混凝土中。混凝土采用八节 点减缩积分的三维实体单元 ( C 3 D 8 R) 模拟 ， 钢筋采用三维 杆单元( ，乃D 2 ) 来模拟， 钢材选用 S 4 R壳单元。文中选取 A B A Q U S程序提供 的混凝 土 塑性 损伤 模 型 ( C o n c r e t e D a m — a g e d P l a s t i c i t y ) ， 钢管及钢筋在 A B A Q U S中采用 塑性 材料 ( P l ast i c ) 模型。 与 ( c ) 2 - 2 N面 在图2所示的有限元模型中， 约束顶部铰支座中线 ， Y 方向的位移和 ， ：方向的转动。 约束底部铰支座中线除了 Y 方向转角之外的其他 自由度。 在梁加载端限制节点只能在 平面内发生位移， 限制 ， z 方向的转动。在柱顶建立刚性 面与参考点 R P一1 耦合， 通过在参考点 R P一1上施加轴 向 集中荷载而模拟试验中的轴向力 ， 轴压比为0 ． 3 。在框架梁 两端加载部位， 通过将两边垫块上表面分别与参考点 R P一 2 、 R P一 3耦合， 通过对参考点 R P一 2 、 R P一 3施加位移来模 拟框架梁端单调加载。 2有限元结果分析 2 ． 1 荷载 一 位移关系曲线 图 3给 出了节点 的荷载 一位移关 系 曲线， 当位移 [ 基金项目] 国家青年自然科学基金资助项 目( 5 1 4 0 8 6 2 1 ) ； 河南省科学技术厅基础与前沿技术研究计划资助项 目( 1 3 2 3 0 0 4 1 0 4 7 2 ) 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 2期 ( 总第 1 9 8期 ) 碳纤维加 固受火混凝土柱的可靠性分析 姜封国， 韩伟达 ， 赵景鲁 ， 李鹏 ( 黑龙江科技 大学建筑 工程学 院． 哈尔滨1 5 0 0 2 2 ) 【 摘要】 考虑了加固 前混凝土及钢筋强度、 钢筋截面面积、 纤维复合材料强度、 有效约束应力、 柱尺寸等的 影响， 对受火后的轴心受压钢筋混凝土柱采取碳纤维材料进行整体环向包裹加固， 施加侧向约束， 使柱处于三相 受压状态， 提高柱轴心抗压承载力。进而基于结构可靠性理论 ， 采用一次二阶矩方法 ， 分析其可靠性。分析过程 中考虑了各种随机变量、 变异系数和碳纤维材料特性对钢筋混凝土矩形柱的轴心抗压强度的影响 ， 以及受火后钢 筋混凝土柱轴心抗压强度的折减和碳纤维加固后的强度提高。碳纤维材料加固对钢筋混凝土柱轴心抗压承载力 和钢筋混凝土柱可靠性提高有明显的作用。验证了碳纤维加固修复技术的可行性， 为碳纤维加固其它钢筋混凝 土构件提供了新的思路， 同时为其它受损后构件的加固维修提供了理论依据。 【 关键词】 碳纤维布； 加固； 钢筋混凝土柱； 可靠性 ； 受火 【 中图分类号】 T U 3 7 5 ． 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 2 — 0 0 4 4— 0 3 0 弓 I 言 自2 0世纪 8 0年代以来， 许多建筑物因设计不合 理、 构造不完善、 使用不当以及一些突发自然灾害( 如 火灾、 水灾) 等的影响， 已经出现了不同程度的损坏甚 至破坏， 这就对加固技术研究提出的更新更 高的要 求。其中碳纤维布加 固技术因其与传统加固方式比 较具有高强高效、 施工便捷、 很好的耐久性和耐腐蚀 性 、 适 用范 围广 、 施工 质 量有保 证 而被应 用到 既有 结 构 的加 固中， 取得 了 良好 的效果 。近 2 0年 间 ， 我 国的 高校和研究所也陆续开始了这方面的研究， 虽然起步 较晚， 但已取得了大量的研究成果 ， 主要涉及到碳纤 维抗弯加固、 抗剪加 固、 抗压加固。抗弯加 固⋯主要 是利用碳纤维超高 的抗拉 强度 ， 将碳纤维 粘贴 在构 件 的受拉区外表面 ， 使之与混凝土形成整体共同承受荷 载作用 ， 从而提高 承载力 。抗 剪加 固⋯同样利 用碳 纤 维的抗拉特点 ， 将其粘贴在构件的剪跨区， 充当箍筋， 以提高抗 剪 承载 力 。然 而抗 压加 固 虽 然 是利 用 碳 纤维材料强度高 的特 点对构件表 面进行外 包处 理 ， 但 与前两种加固原理却不同， 受力机制是利用高强碳纤 维来约束受压构件的纵向变形， 从而提高承载力。 高温作用后导致钢筋和混凝土弹性模量和材料 强度的降低、 钢筋和混凝土之间粘结力的退化、 构件 承载力的降低， 所以对该受火后钢筋混凝土柱需进行 外包碳纤维布加 固处理， 限制其变形 ， 从而提高承载 力 。文 中利用 碳纤 维材 料 超高 的抗 拉强 度 限制受 压 钢筋混凝土矩形柱的变形， 使钢筋混凝土柱受力时处 于三相受 压状 态 ， 混 凝土 在三相 受压 的情 况下 ， 由于 受到侧向压力的约束作用， 最大主应力轴的抗压强度 会有较大程度的提高 ， 从而提高了钢筋混凝土柱的整 体轴心抗压承载力 。在 此基础上 ， 文 中基 于工程 结构 可靠性理论， 对受火加固后钢筋混凝土柱的可靠性进 行 了分 析 ， 以便 对结 构安 全性进 行全 方 面的评 估 ， 从 而对 G B 5 0 3 6 7—2 0 0 6 《 混凝土结构加 固设计规范》 进 行验证 。 [ 基金项 目】 黑龙江省博士后 资助经费计划( L B H—Z 1 0 2 0 9 ) ；黑龙 江省博士后科研启动资助( L B H—Q 1 3 1 4 1 ) O● oo ●O O● O0● Oo ● Oo● 。 0．o O● 0O ●o0 ● 0O● O 0． o。O● OO● OO ● Oo● OO ●OO ． 0口● 0O ● 0 O ． 0 口 ● O 0● O0● Do ．0 0● O0● OO ●O O● OO● OO ●o 0● o0● o 0● OO● O0 ●0 O● Oo● 口 0．0 O． o0 ．O Do． 。o ．。 。．0 O． 0e ●0 对节点受力性能的影响， 对于影响节点受力性能的相关参数 还有待进一步进行有限元参数拓展分析。 参考文献 [ 1 ] 管品武 ， 孟会英 。 刘立 新 ， 等 ．钢管混凝 土柱新型 节点受力 性 能试验研究[ J ] ．世界地震工程， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 4 ) ： 1 4 8— 1 5 3 ． [ 2 ] 黄襄云 ， 周福霖 ， 罗 学海 ， 等 ．钢管混凝 土柱结构 节点抗 震性 能研究[ J ] ．建筑结构， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 7 ) ： 3 — 7 ． [ 3 】 刘志斌 ， 钟善桐 ．钢管 混凝土柱钢 筋混凝土双 梁节点 的刚性 研究[ J ] ．哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 4 ) ： 2 6 — 2 9 ． [ 4 ] 陈洪涛， 吴时适， 肖永福， 等 ．钢管混凝土框架钢筋贯通式刚 性节点的实验研究[ J ] ．哈尔滨建筑大学学报， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 21—2 5 ． [ 5 ] 欧谨， 黄伟淳， 韩晓健 ．新型钢管混凝土框架节点低周反复荷 载试验研究[ J ] ． 地震工程与工程振动， 1 9 9 9 ， 1 9 ( 3 ) ： 4 4— 4 8 ． [ 6 ] 方小丹 ， 李少 云， 钱稼茹 ， 等 ．钢 管混凝土柱 一环梁节 点抗震 性能的试验研究[ J ] ．建筑结构学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 6 ) ： 1 O 一 1 8 ． [ 7 ] 赵毅 ， 徐礼华 ， 等 ．劲性环梁式钢管混凝 土节 点受力性能研 究 [ J ] ． 工程力学， 2 0 1 3 ： 3 1 ( 增刊) ： 2 4 1 — 2 4 7 ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 4— 0 8—2 8 [ 作者简介] 赵毅( 1 9 8 1 一) ， 女， 河南商城人， 博士， 讲师， 研 究方 向： 组合结构。