梁柱不同混凝土强度等级的空间中节点抗剪承载力有限元分析.pdf

浙江 建筑 ， 第 2 8卷 ， 第 l 2期 ， 2 0 1 1年 1 2月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 8，N o 1 2，D e c 2 0 1 l 梁柱不 同混凝 土强度等级 的 空 间中节点抗剪承载力有 限元分析 F i n it e Ele me n t An a ly s is o n Sh e a r Ca p a c it y o f Di me n s i o n a l Mi d d l e J o i n t Con s t r u c t e d b y Be am an d Co l u mn wit h Dif f e r e n t RC S t r e n g t h Cl a s s e s 岑伟 ， 李 丽 CEN We i L I L i ( 浙江大学建筑设计研究院 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7) 摘要： 高层框架结构中， 柱混凝土强度等级往往高于梁板混凝土强度。通过有限元软件 A N S Y S 建立空间中节点模型， 采用数值 模拟的方法对其进行 了抗剪承载力方面的非线性分析 ， 研究 了不 同梁柱混凝 土级差情况下节 点核芯 区的应力分 布和承载 力特征 等 ， 提出施 工建议 。 关键词 ： 空 间中节点 ； 节点核芯区 ； 抗剪承载力 中图分 类号： T U 3 7 5 ； T U 3 9 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 2 4 0 4 为满足抗震规 范 中轴压 比限值 的要求 ， 又要尽 量 减小截面 以增加使用 面积 ， 底层 框架柱 通常采 用高 强 度混凝土 ( 常取 C 4 0C 6 0 ) ； 而对 于 以受 弯 为 主 的楼 面梁板 ， 过 高的混凝土强度 等级对提 高抗弯 承载力 并 不 明显 ， 反 而对构件承受 收缩应力 、 温度应 力不利 ， 所 以 高层建筑混凝土结构技术规程( J G J 3 2 0 0 2 ) ( 以 下简称 “ 高规 ” ) 规 定 ： “ 现 浇 框架 梁 的混 凝 土强 度 等 级不宜高 于 C 4 0 。 ” ” 工程 设 计 中通 常取 梁 板 的混 凝 土等级 为 C 2 5C 3 5 。 由此可见 ， 在高层 建筑 结构 中 ， 柱混凝土强 度高于梁板 的现象是普遍存在 的 。 目前施 工 单 位 常 用 的施 工 方 法 是 节 点 核 芯 区混凝土采用柱混凝土强度等级 ， 但其施工难度增 加 ， 质量 又难控 制 。相反 ， 若节 点核 芯 区的混凝 土采 用与梁板相同的混凝土等级 ( 即夹芯节点 ) ， 则可减 小施 工难度 ， 大大节 省工 期 ， 那 么夹 芯节 点 的承载力 是否 能满 足要 求是值 得研 究 的问题 。 1有限元数值模拟 1 1 有 限元软件 介 绍 本文采用 有 限元 软件 A N S Y S 对 梁 柱混凝 土 强 度不同等级的空间中节点的抗剪承载力进行数值模拟。 采用单 元 S O L I D 6 5模 拟混 凝 土 ， 本 单 元 具 有 材 料非线 性特 征 ， 并 具有 在拉 压应 力下 开裂 、 破碎 的 能 力 ， 最 重要 的方 面在 于其对 材料 非线性 的处理 ， 其 可 模 拟混 凝 土 的 开裂 ( 三 个 正 交 方 向 ) 、 压 碎 、 塑 性 变 形 及徐 变 。为 了能清 楚地 了解 混凝 土 中钢 筋 的 力 应 变分 布情 况 ， 本 文 采 用 l i n k 8单 元 将 钢 筋 单 独 布 置 ， 并 建立 线单元 进行 网格 划分 ， 而不 通过 在混 凝 土 单 元 中填写 配筋 率来 加入 钢 筋 ， 这 就 大 大 增加 了建 模 工作 量 和复杂 性 。 由于 考 虑 了材 料非 线 性 的情 况 ， 在 分 析 中按 常 用 的钢筋 和混凝 土 的应 力一 应 变 关 系 定 义 了 材料 特性 ， 见 图 1 、 图 2 。在 本 文 的有 限元 分 析 中假 设 钢 筋和 混凝 土粘结 良好 ， 钢筋 锚 固可靠 ， 钢筋 和混 凝 土 之 间无 摩擦 滑移 现象 产生 。 1 2模 型 设 计 本 次模 型所 选取 的试件 为 高层建 筑 中框架 梁柱 空 间节 点 的 中节 点 ， 见 图 3 。为 模 拟 实 际 框 架 节 点 的边界 条件 ， 节点 梁 柱 的 长度 分 别 取 到 梁 柱反 弯点 处 。见 图 3、 表 1 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 0 90 2 作者简介 ： 岑伟( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 浙江慈溪人 ， 工程师 ， 从事建筑结构设计工作 。 第 1 2期 岑伟等： 梁柱不同混凝土强度等级的空间中节点抗剪承载力有限元分析 2 5 1 0 8 O 6 b O 4 0 2 0 、 t f f 图 2钢 筋 本 构 模 型 图 3 节点尺寸及配筋示意图 a ) 夹芯 中节点 ( Z J DI Z J D3 1 2 计 算结果分析 向 表 1 节点尺寸及配筋 节 点 编 号 害 级 差 a ( 1 ) 约束边 界条 件。根据 简 化 的边 界条件 模 拟 ， 柱子 上 下两端 侧 向约束 水平方 向的位移 自由度 ， 限制其 水平 位移 ， 允 许 柱 子在 竖 向荷 载作 用下 产 生 竖 向位 移 。 ( 2 ) 求解 设 置 。在 非 线 性 分 析 中 ， 施 加 在 有 限 元模 型上 的荷载 被分解 成 一系列 荷 载步增 量 。在每 一 荷 载步增 量解 完 成 即进 行 下 一 荷 载 步 以前 ， 模 型 的刚度 矩 阵被调 整到反 映结 构 刚度 的非 线性 变 化 。 在 柱 顶 轴力 和 梁 端荷 载 作用 下 ， 节 点 核 芯 区所 受 的外 力有 柱子 传来 的轴 力 、 弯 矩 和 剪力 以及 梁 端 传 来 的弯矩 和剪 力 ， 最 终在 轴 力 和 剪 力 的 共 同作 用 下 ， 节点 核 芯 区产 生斜 拉 应 力 和 斜压 应 力 。 当满 足 “ 强柱 、 弱梁 、 更强 节点 ” 的设计 原 则 时 ， 梁 端先 于 柱 端形成 塑性 铰 ， 节 点 不发 生 破 坏 。但 是 当梁 柱 混 凝 土强度等级不同时 ， 夹芯节点核芯 区能否 强于与其 相连 的梁端 和柱 端 而不 发 生 节 点 区剪 切 破 坏 ， 有 必 要 对夹 芯节 点核 芯 区抗 剪 承载力 进行 计算分 析 。 中 节 点单 元棋 型划 分见 图 4 。 b ) 非夹芯中节点Z J D4 模型 c ) 中节点钢筋模型 图 4 中节点模型 单元 划分 在 有 限元 分 析 的基 础 上 ， 对 中节 点 的裂 缝 分 布 情况、 核芯区混凝土单元应力状况和混凝土单元应 力 进行 分析 。主要 分 析结果 如下 ： 2 1 破 坏形 态分 析 图 5列 出 了各 种 级 差 情 况 下 夹 芯 中 节 点 ( 图 5 ) 、 图 5 b ) ) 和非 夹芯 中节 点 ( 图 5 c ) ) 的裂缝 发展 情 况 ， 可 以看 出 ： 节 点破 坏 时 ， 梁 柱 混 凝 土等 级 级 差 小 于等于2 0 M P a 的夹芯 中节点 ( 图 5 b ) ) 和非 夹 芯 中节 型 模 构 0 凝 混 伽 0 图 2 6 浙江建筑 2 0 1 1 年第 2 8卷 点 ( 图 5 c ) ) 核 芯 区未 形 成 明显 的斜 裂 缝 ， 梁 端 裂 缝 发 展 区域 明显 形 成 通 裂 ， 梁 端 先 于 核 芯 区 破 坏 ； 相 反 ， 梁 柱混 凝 土 等级 级 差 大 于2 0 MP a 的夹芯 中节 点 ( 图 5 a ) ) 核 芯 区发 生斜 压破 坏 ， 形 成通 裂 的斜 裂缝 ， 核 芯 区先于 梁破 坏 ， 这 说 明梁 柱 混 凝 土强 度 等 级 相 差2 0 MP a 以 内 ， 夹芯 中节点 是满 足裂 缝发展 要求 的 ， 而级 差超 过2 0 MP a ， 则 需要 采取相 应 的加强 措施 。 2 2核 芯 区混 凝 土单元应 力分 析 图 6列 出 了部 分 节 点 核 芯 区混 凝 土 单 元 应 力 图 ， 具体 分析如 下 。 图 5 中节点裂缝和混凝土压溃图 图 6 中 节 点 核 芯 区 混 凝 土 单 元应 力 图 从各节 点的核芯 区混凝 土单元应力 图可知 ： Z J D 1 核 芯区主要 应 力达 到 1 8 2 4 MP a ， 局部 达 到 了最 大 应 力值， 总体应力分布不均匀 ， 大部分区域应力值较小 ， 材 料未充分利用 ， 所 以其抗剪承载力较 低 ； 而 Z J D 2和 Z J D 3核芯 区应 力 分 布均 匀 ， 主要 集 中 在较 大应 力 区 域 ， 分别 为2 1 3 5 、 2 5 8 9 MP a ， 材 料 充 分 利用 ， 抗 剪 承 载力较高， 若不考虑边界应力集中效应， Z J D 2和 Z J D 3 核 芯 区应力未 达 到极 限应力 ， 因此 ， 从 核 芯 区应力 图 可以看 出 Z J D 1 在 达 到极 限抗 剪 承载力 时 ， 核 芯 区 已 先于梁柱破坏 ， 而 Z J D 2 、 Z J D 3在达到极 限承载力时核 芯 区 未 破 坏 。这 说 明 梁 柱 混 凝 土 强 度 等 级 相 差 2 0 MP a 以 内 ， 夹芯 中节点 是满 足 应力 要 求 的 ， 而级 差 超 过2 0 MP a ， 则需要 采取相应 的加 强措施 。 2 3 剪 力一 位移 分析 本节对 中节 点梁 A 的剪 力一 位 移进 行分 析 ， 图 7 为节 点梁端 剪力一 位移 图 。 从 图 7可 以看 到 ： 剪力 开始增 长 时 ， 三个 节点 在 相 同剪力下 ， 位 移基 本 相 同 ， 此 时 都 处在 弹性 阶 段 ， 1 1 1 墨1 泳 o o o l o o o 2 o o o 3 0 o o 4 0 o o 5 0 o o 6 0 o o 7 0 o o 位移 m m 图 7 中节点梁 A剪力一 位移 图 呈 线性变 化 ， 直到 剪 力 增 大 到5 5 k N时 ， 三个 节 点 曲 线开始分离 ， 尤其是 Z J D 1剥离速度较快 ， 因其产生 裂 缝 ， 所 以 刚度逐渐 减小 ， 直 至破 坏 。而 Z J D 2 、 Z J D 3 直 到剪力 增大 到1 2 4 k N 左 右才 出现 较为 明显 的刚度 分 离 ， 说 明此 时 Z J D 2产 生 较 为严 重 的裂缝 ， 刚 度减 小 。不 过直 至 J J D 2达到极 限承载力 破坏 ， 其 与 J J D 3 的相对 刚度仍 较 小 ， 说 明 Z J D 2 、 Z J D 3两者 具 有 相 似 的 变 形 能 力 ， 这 说 明 梁 柱 昆凝 土 强 度 等 级 相 差 2 0 MP a 以 内 ， 夹 芯 中节点是 满 足剪切 变形 要求 的 ， 而 级 差超 过2 0 MP a ， 则 需要 采取 相应 的加 强措施 。 第 1 2期 岑伟等： 梁柱不同混凝土强度等级的空间中爷点抗剪承载力有限元分析 2 7 3 结 语 本文分 析 了梁柱 混凝 土强 度等级 不 同的空 间夹 芯 中 节 点 的 抗 剪 承 载 力 。对 梁 柱 混 凝 土 级 差 为 2 0 MP a的空 间夹 芯节 点和非 夹 芯节点 抗剪 承载 力进 行 了对 比分析 ， 主要 得 出如下结 论 ： ( 1 ) 通 过 观 察 裂缝 发展 图 可 以 看 到 ， 级 差 大 于 2 0 MP a 的夹 芯 节点 核 芯 区发 生斜 压 破 坏 ， 并形 成 通 裂 的斜 裂缝 ； 而级 差 小 于 等于2 0 MP a 的夹 芯 节 点 以 及 非夹 芯节点 ， 塑性 铰形 成于 梁端 ， 梁 端先 于核 芯 区 破 坏 。 ( 2 ) 通 过观 察核 芯 区应 力分 布 ， 可 以看 到 ： 级差 大 于2 0 MP a 的夹 芯节 点 核 芯 区应力 分 布 不均 匀 ， 大 部 分应力 集 中于较 小 的 应 力 范 围 内 ， 局 部 应力 达 到 极 限 ， 形 成破 坏 ， 材 料 未 能 充分 利 用 ； 而 级 差 小 于 等 于2 0 MP a 的夹 芯节点 以及 非夹 芯节点 核 芯区应 力分 布 比较均匀 ， 虽未达到混凝土强度极限 ， 但都处于高 应力 范 围 ， 材料得 到 了充分 的利 用 。 ( 3 ) 从 梁端 剪 力 位 移 图来看 ， 级 差2 0 MP a 的夹 芯节点 与非 夹芯 节 点 两者 刚度 比较 接 近 ， 具 有 相 似 的变 形 能力 ， 而级 差 大 于2 0 MP a 的 夹芯 节 点 由 于其 较早 的 出现裂缝 ， 所 以刚度 减小 较快 ， 直至 破坏 。 综 上 ， 梁柱混 凝 土强度 等级 相差2 0 MP a 以 内 ， 夹 芯 中 节 点 是 满 足 剪 切 变 形 要 求 的 ， 而 级 差 超 过 2 0 MP a ， 则需 要采 取相 应 的加强措 施 。 参 考 文 献 1 徐培福 ， 黄小 坤 ， 容相 生， 等 J G J 3 - 2 0 0 2高层 建筑混凝 土结 构 技术规程 s 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 2 赵 西 安 现代 高 层建 筑 结 构设 计 M 北京 ： 科 学 出 版社 ， 2 0 0 0： 1 48 4 1 5 3 2 3 郝 文化 A N S Y S土木 工程应用实例 M 北京 ： 中 国水利水 电 出 版 社 ， 2 0 0 5 ： 7 78 2 4 王勖成 ， 邵敏 有 限元法基本原理和数值 分析 M 北京 ： 清 华大学出版社 ， 1 9 9 9 ： 1 3 ( 上接 第 1 9页 ) 杂 ， 有些 雕刻 是镂 空 的 ， 如 果镂 空 的缝 隙 小且 深 ， 则 不 易布 置坐标 贴点 ， 激光 也不 易探测 ， 会 出现 扫描死 角 。此 时 ， 可 以通过 人工 测量 雕刻镂 空 的深度 尺寸 ， 在 数据后 期 处理 时创建 相应 的底 面。 4 结 论 对 于古 建 文 物逆 向重 建工 程 ， 采 用 三维 激 光 扫 描技术可以获得高效的作业流程和高精度的扫描数 据 ， 并且扫描过程简便易操作 ， 明显降低了逆向重建 前 期测量 工作 中的难 度 。 以多 边形 网格 面形式 记 录 的被测 空间结 构信 息 ， 突破 了传统 的单点 测量模 式 ， 而且从空间的位置信息扩展到 目标的纹理和颜色灰 度 信息 。所得 数据 可挖 掘性 、 多用性 好 ， 因而特 别适 合结 构复 杂 、 表 面不 规 则 的古 建 文 物 逆 向重 建 的前 期测量。此外 ， 其系统软硬件智能化程度高， 降低了 非专业 测 量人员 学 习该技术 的难 度 。 总之 ， 三维激 光 扫描 以其独 特 的技术优 势 ， 将 在 古建 文物 逆 向重 建 领 域 中有 着 越 来 越 广 阔 的 应 用 前景 参 考 文 献 1 李海刚 H D S技术在 古建文 物测量 中的应 用 J 测绘 通报 ， 2 0 0 7 ( 7) ： 7 37 4 2 吴静 ， 靳奉祥 ， 王 键 基 于三维激光 扫描数 据的建筑 物 三 维建模 J 测绘工程 ， 2 0 0 7 ( 5 )： 5 76 O 3 王海南 ， 邱望标 ， 黄克 贵 州少数 民族 文化遗 产的逆 向 1 ： 程 应用研究 J 工程设计学报 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 3 7 9 3 8 2