型钢混凝土异形柱框架角节点抗扭承载力有限元分析.pdf

第 3 9卷第 3期 2 0 1 3年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 9 型钢混凝土异形柱框架角节点抗扭承载力 有限元分析 武启明， 李军华， 王子英 ( 天津住宅科学研究院有限公司， 天津3 o o o 6 o ) 摘要 ： 型钢混凝土异形柱结构是指在钢筋混凝土异形柱截面中配置型钢的结构。它结合了钢筋混凝土异形柱结 构和型钢混凝土结构的优点， 具有广阔的应用前景。本文利用 A B A Q U S软件对型钢混凝土异形柱框架角节点在纯 扭荷载作用下的情况进行了有限元模拟分析。分析结果表明， 型钢对于节点的抗扭承载力的提高作用明显。根据 叠加方法并通过引入考虑组合作用的节点抗扭承载力影响系数对型钢混凝土异形柱框架角节点建立了抗扭承载 力计算公式。 关键词： 型钢混凝土； 异形柱； 节点； 抗扭承载力； 有限元分析 中国分类号： T U 3 2 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 1 9 0 4 Fi l l i t e e l e m e n t a n a l y s i s o n t o r s i o n c a p a c i t y o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i a l s h a p e d c o l u mn c o r n e r j o i n t WU Q i m i n g ， L I J u n h u a ， WA N G Z i y i n g ( T i a n j i n S c i e n t if i c A c a d e m y o f R e s i d e n t i a l B u i l d i n g s ， T i a n j i n 3 0 0 0 6 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c ret e s p e c i al -s h a p e d c o l u mn s t r u c t u re i s t h e s t ruc t u r e t h a t s t e e l l a y o u t i n t h e c r O S S - s e c t i o n o f r e i nfo rce d c o n c ret e s p e c i a l - s h a p e d c o l u mn s t ruc t u r e I t c o mb i n e s a d v a n t a g e s of t h e r e i nfo r c e d c o n c ret e s p e c i a l s h a p e d c o l u mn s t ruc t u r e a n d t h e s t e e l r e i nfo rce d c o n c ret e s t r u c t u r e The s t e e l r e i nfo rce d c o n c ret e s p e c i a l - s h a p e d b e a m- c o l u mn c o me r j o i n t s u n d e r t o r s i o n w e r e anal y z e d b y u s i n g th e s o f t w a r e A B A Q U S I t i s s h o w n t h a t t h e res u l t s anal y z e d a r e c o n s i s t e n t w i t h a c t u a l s i t u a t i o n T h e s t e e l e n h a n c e t h e t o r s i o n c a p a c i t y of j o i n t s d r a ma t i c a l l y T h e t o r s i o n c a p a c i t y f o r m u l a s o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i al- s h a p e d b e am - c o l u m n c o me r j o i n t w e re p res e n t e d b y f o l l o w e d a n d i n t r o d u c e d t h e c o e ff i c i e n t of t o r s i o n Ke y w o r d s ： s t eel r e i nf o r c e d c o n c re t e ； s p e c i al s h a ped c o l u mn ； j o i n t ； t o rs i o n c a p a c i t y ； fi n i t e e l e me n t ana l y s i s 0 引 言 异形柱框架结构是根据建筑设计对建筑功能及 建筑布置的要求 ， 在结构不 同部位采取不 同形状 截 面的异形柱( L 形、 T形和十字形) ， 柱肢厚度与框架 填充墙协调一致， 以避免框架柱在屋角凸出而影响 建筑使用功能。型钢混凝土异形柱结构就是在钢筋 混凝土异形柱结构中配置型钢而形成的结构。由于 配钢率提高， 与钢筋混凝土异形柱框架结构相比， 型 钢混凝土异形柱结构具 有承载能力高 、 抗震性能好 等优点 ， 具有广阔的应用前景。 对于异形柱框架结构来说， 如果整个结构的质 量中心和刚度中心不重合 ， 结构在水平荷载作用下 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 - 2 0 作者简介： 武启明( 1 9 8 5 一) ， 男， 河北深州人， 助理工程师， 硕士研究 生， 研究方向： 组合结构。 基金项目： 国家自 然科学基金资助项 目( 5 0 9 7 8 2 1 7 ) E ma i l ： w uq i mi n g 6 6 6 1 6 3 t o m 就会绕结构的刚度中心产生整体的扭转。这种整体 的扭转会在结构的柱 中产生扭矩 ， 而且对于离刚度 中心较远 的角柱较为不利 。即使整个异形柱结构的 质量中心与刚度中心重合 ， 对于结构 中的每一个角 柱来说， 水平荷载合力作用点如果不经过柱截面的 剪心， 角柱同样会绕柱截面形心扭转。综上所述， 在 异形柱结构中与角柱相连的角节点也会受到扭矩作 用。节点是连接梁柱 的关键 部位 ， 必须对节点的受 力机理和承载能力进行深入研究， 从而保证节点能 有效传递内力。目前， 国内外对于型钢混凝土矩形 构件的抗扭承载力研究较多 引， 对于型钢混凝土异 形构件的抗扭承载力研究较少 。本文利用 A B A Q U S 软件对型钢混凝土异形柱框架角节点的抗扭承载力 进行模拟分析。 1 模型试件设计 忽略与节点相交的梁的有利作用， 即取节点核 心区梁高范围内的柱段为研究对象， 设计了如图 1 2 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 l 苎 l 图6节点截面分块示意 图7各区块内箍筋尺寸 Fi g 6 D e t ai l s o f s p e c i m e n F i g 7 De t a i l s o f s p e c i me n 表 2 极限扭矩的对比 Ta b l e 2 Co mp a r i s o n o f u l t i ma t e t o r s i o n 者件h c o r l 6 d 。 。 r 2 6 。 。 二 ： ： ： 受 翼 里 里 ( ： 虫 2 ( ： 2 I S 一 ( 1 ) 2 1 4 9 4 1 2 0 94 4 3 1 3 7 0 T S 一 ( 2 ) 3 3 4 9 4 1 2 0 9 4 5 9 5 4 5 3 I S - ( 3 ) 3 3 4 94 2 4 0 9 4 7 6 0 6 8 8 1 、 s ( 4)4 5 4 94 1 2 0 94 7 6 0 7 2 4 一( 5) 4 5 4 9 4 2 4 0 9 4 9 2 4 9 0 3 T S 一 ( 6 )4 5 4 9 4 3 6 0 9 4 1 0 9 0 1 1 1 2 注： 表中 为由式( 2 ) 计算的极限扭矩值； 为有限元分析的节点 抗扭承载力。 4 2 型钢抗扭承载力 双轴对称的工字形截面构件达到极限状态时的 自由扭矩为 J ： = 一 ) + 等+ 等 】( 3 ) 式中 型钢的抗拉强度； 6 型钢翼缘宽度； f 型钢翼缘厚度； 型钢腹板高度 ； 型钢腹板厚度。 对于型钢混凝土异形柱框架角节点 中型钢的抗 扭承载力可以按式( 3 ) 计算， 即忽略约束扭转对于 抗扭承载力 的贡献 。其中 h =九 + 枷 ， 刚为 区 块 l内型钢腹板高度 ， 为 区块 2内型钢腹 板高 度。式( 3 ) 中型钢尺寸取值参见图 l 。 表 3为计算得到的实腹式配钢 的型钢混凝土异 形柱框架角节点考虑组合作用的抗扭承载力影响系 数 。 表 3 考虑组合作用的节点抗扭承载力影响系数 Ta b l e 3 T h e c o e ffi c i e n t of t o r s i o n 注： 表中 为由式( 2 ) 计算的极限扭矩值； 为由式( 3 ) 计算的极限 扭矩值； 为有限元分析的节点抗扭承载力。 最终 ， 将考虑组合作用的节点抗扭承载力影 响 系数 取为 1 3 。 4 。 3 节点抗扭承载力计算公式 型钢混凝土异形柱框架角节点的抗扭承载力计 算公式为： 【 o 3 5f , Z w , + 1 2 等 仍sn iA 卜 ( 一 ) + 譬+ 譬 】 (4 ) 式( 4 ) 中各符号取值情况参见前文。 5 结 论 本文利用 A B A Q U S软件对 型钢混凝土异形柱 框架角节点在纯扭荷载作用下的情况进行 了有限元 模拟分析， 得到以下结论。 1 ) 有限元分析结果表 明， 模型试件 的变形情况 及极限状态时的应力分布情况较符合实际情况。 2 ) 有 限元分析结果表 明， 型钢对 于型钢混凝 土 异形柱框架 柱角节点的抗扭承载力 的提高作用 明 显 。 3 ) 根据叠加 方法并通过 引入考虑组合 作用 的 节点抗扭承载力影响系数对型钢混凝土异形柱框架 角节点建立了抗扭承载力计算公式。 本文建立节点抗扭承载力计算公式时未考虑与 节点正交的梁对于节点抗扭承载力的有利影响 ， 所 建立的计算公式偏于保守。 参 考 文 献 ： 1 H s u H L ， Wa n g C L F l e x u r a l t o r s i o n a l b e h a v i o u r o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c re t e m e m b e r s s u b j e c t e d t o re p e a t ed l o a d i n g J E a r t h q u a k e En g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l Dy n a mi c s ， 2 0 0 0， 2 9： 6 6 7 - 6 8 2 2 雷强 型钢混凝土受扭构件的非线性有限元分析 D 西 安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 0 7 3 李红波 型钢混凝土构件受扭受扭试验研究 D 重庆： 重庆 大学 ， 2 0 0 8 4 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 1 5 B o r e s i A P ， S i d e b o t to m M O A d v a n c ed M ech ani c s o f M a t e r i a l s M N e w Y o r k ： W i l e y ， 1 9 8 5 6 武启明 型钢混凝土异形柱框架角节点承载力有限元分析 D 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 1 0 7 石亦平， 周玉蓉 A B A Q U S 有限元分析实例详解 M 北京： 机 械工业出版社 ， 2 0 0 6