钢管混凝土柱-环梁节点受力分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 0 年第 l 1 期( 总第 1 4 9 期) 钢管混凝土柱 一环梁节点受力分析 杨维国， 赵雅 ， 陈丹 ， 刘武华 ( 北京交通大学 土木建筑工程学院 北京1 0 0 0 4 4 J 【 摘要】 为了了解钢管混凝土柱 一 钢筋混凝土环梁节点的受力性能， 使用通用有限元软件对此种节点进 行了静载和低周反复荷载作用下的非线性有限元分析。分析结果给出了节点裂缝发展情况、 破坏形态、 梁端弯矩 转角滞回曲线。结果表明： 钢管混凝土柱 一钢筋混凝土环梁节点能够实现“ 强连接、 弱构件” 的抗震设计概念。基 于分析结果对此节点设计提出以框架梁轴线为中心 2 5 。 环梁范围内箍筋加密的建议。 【 关键词】 钢管混凝土柱； 钢筋混凝土环梁； 有限元； 破坏形态 【 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 0 ) 1 1 0 0 4 0 0 4 M ECHANI CAL BEHAVI oR oF CoNCRETE F LE D S TE EL CoLUM N RC- R G BEAM J oI NT YANG W e i g u o， ZHAO Ya， CHEN Da n，L I U W u h u a ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g&A r c h i t e c t u r e， B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n o r de r t o k n o w t h e b e h a v i o i o f t h e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e c o l u rol l RC r i n g b e a m j o i n t ， w e a n a l y z e d t h e j o i n t u n d e r s t a t i c l o a d i n g a n d l o w c y c l e r e v e r s a l l o a d i n g b y t h e fi n i t e e l e m e n t s o f t wa r e Th e s i mu l a t i v e r e s u l t s i n c l u d e t h e c r a c k p r o p a g a t i o n， f a i l u r e p a t t e r n s a s we l l a s t he mo me n t r o t a t i o n h y s t e r e s i s l o o p s Th e t e s t r e s u l t s r e v e a l t h a t i t i s o b v i o u s t h a t t h e s e i s mi c de s i g n c o n c e p t s o f the s t r o n g c o n n e c t we a k e l e me n t h a s be e n a c hi e v e d Ba s e d o n the r e s e a r c h c o n c l u s i o n i n the p a p e r ， the s u g g e s t i o n tha t i nt e n s i f y i ng s t i r r u p o f RC r i n g p l u s o r mi nu s 2 0 d e g r e e s o f fla me b e a m a x i s wa s prop o s e d Th e r e s e a r c h ma y b e r e f e r r e d b y c o rre l a t i v e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g K e y w o r d s ： c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e c o l u m n ； R C r i n g b e a m j o i n t； F E M ； f a i l u r e p a t t e r n 钢管混凝土柱具有理想的受力性能和良好的经济效 益， 已越来越多地用于高层建筑 、 桥梁和地下等结构中。我 国1 9 9 2颁发的C E C S 2 8 ： 9 o ( 钢管混凝土结构设计与施工规 程 ， 对钢管 混凝 土柱 的 承载 力提 出 了较完 整 的计 算公 式， 并对施工工艺、 节点构造等方面作了一些规定， 但对钢 管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点的研究还不够深 入。由于我国大多数建筑采用钢筋混凝土梁板结构， 因此 钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点是推广钢管混凝 土柱应用的关键 。1 9 9 9年方小丹 和李少云 提出了钢筋混凝 土环梁节点 J 。自1 9 9 7年这种节点被应用于云南邦克大 厦( 3 6层， 8度抗震设防) 后 ， 陆续在广州中华广场和广东省 电信枢纽综合楼等 2 O多座高层建筑中成功应用， 取得了良 好的经济技术效益。研究者和工程界也已经对此类节点进 行了大量的静力或动力试验研究， 但 目前这种节点受力机 理尚不十分明确， 在应用中仍有许多问题有待解决。并且 钢 管混凝土柱所应用的结构形 式成本 高， 一旦破 坏 ， 损失惨 重。所以非常有必要用合理的有限元模型模拟环梁节点 ， 对其受力全过程进行较为深入地研究。本文拟对此种节点 进行静载及低周往复荷载作用下的非线性有限元分析， 分 析节点的破坏形态和耗能能力。 1 有限元模型的建立 1 1 计算模型 钢管混凝土柱 一钢筋混凝土环梁节点的有限元计算原 型取文献 中的 C组 c 3节点。节点几何尺寸配筋见图 1 。 钢管采用 Q 2 3 5钢， 管内核心混凝土等级为 C 5 0 ， 框架梁和环 梁混凝土等级为 C 3 0 ， 框架梁和环梁主筋采用二级钢筋， 箍 筋采用一级钢筋。 1 2 材料应力应变关系 钢管混凝土柱核心混凝土处于三向受压状态， 应充分 考虑套箍系数 的影响， 其本构关系采用韩林海模型 j 。 环梁及框架梁混凝土采用普通混凝土本构模型， 混凝土受 压应力一应变 曲线 考虑美 国学者 E Ho g n e s t e建 议的模 型 该模型上升段为二次抛物线 ， 下降段为斜直线。采用 多线性等向强化曲线( M I S O ) 将此两种模型应用于有限元程 序中来描述混凝土 的应力应变 关系， 如图 2所示 。 钢材应力应变关系采用理想弹塑性模型， 在有限元分 析中为双线性随动强化( B K I N) ， 服从 V o n Mi s e s 屈服准则。 1 3 单元类型 杨维 国等 ： 钢管混凝 土柱 一环梁节点受力分析 4 1 岂 倒 ( 8 ) 平面图 3 1 6 环粱框架桨 r 厂 I I 抗 鲤 型 。 i I 环梁配筋图 (c ) 剖面图 图1 节点几何尺寸及配筋图 应变 ( a ) 核心混凝土 应变 ( b ) 普通混凝土 图2 混凝土本构模 型 此模型混凝土采用 S o l i d 6 5单元来模拟。S o l i d 6 5单元 是 A N S Y S提供的专门用于混凝土分析的一种 8节点六面体 单元， 该单元被拉裂或压溃时， 单元刚度退化为零， 单元退 出工作状态， 从而可以考虑材料的开裂以及压碎等破坏模 式。工程结构中不允许出现较大的塑性变形， 混凝土材料 的屈服点不明显， 而破坏点却非常明显， 所以工程上常将破 坏准则和屈服准则等同。混凝土屈服准则采用 Wi U a m Wa r n k e 五参数模型， 开裂剪力传递系数为 0 5 ， 闭合剪力传 递系数为0 9 5 6 J 。模型钢管材料采用 S o l i d 4 5单元来模拟， 混凝土中的钢筋用 L i n k 8单元来模拟， 网格均划分为六面体 单元 。 1 4 模型粘结滑移的模拟 实际结构中钢管和核心混凝土之间有相对的粘结滑 移。考虑到滑移量很小， 为简化起见， 假设两者之间有可靠 的粘结， 有限元模型 中使钢管和核心混凝土接触界面之间 共用节点。钢筋混凝土梁中钢筋和混凝土之问有比较好的 锚固， 它们之间滑移带来的问题较轻 ， 一般不必考虑， 所以 L i n k 8单元与也与 S o l i d 6 5共用节点。 环梁混凝土与钢管壁之间采用库伦摩擦模型来模拟它 们之间切向力的传递， 用有限元软件 A N S Y S中的面面接触 框架梁配筋图 单元来实现。节点高度范围内钢管外壁采用接触单元 c o n t a 1 7 3 ， 环梁内壁采用 目标单元 t a r g e l 7 0， 计算时排除因网格 离散时几何误差所产生的初始渗透。 1 5 约束与加载 静力加载和低周往复加载均通过约束柱底中心分界线 上结点 、 Y 、 方向的线位移来模拟铰的转动。 静力加载采用两种加载形式， 形式一为： 首先在柱顶上 施加轴压比为 0 7的轴压力， 然后在两框架梁自由端施加向 下的集 中力， 使节点区域产生梁端负弯矩 ， 直至节点破坏。 加载形式二为： 首先在柱顶上施加轴压 比为 0 5的轴压力， 然后在两框架梁 自由端上施加向下的集中力， 使节点产生 的梁端负弯矩接近框架梁极限弯矩， 最后继续在柱顶上施 加轴压力， 直至钢管混凝土柱破坏。 低周往复加载的加载形式为首先在钢管混凝土柱顶上 施加轴压比为0 3的轴压力， 然后在两框架梁 自由端施加竖 向往复荷载。采用力控制， 每级荷载反复两次， 加载历程如 图 3所示 。 Z 柩 口 3 0 2 0 l 0 O l 0 2 0 - 3 0 图3 有限元加载历程 2模拟结果及分析 2 1 加载形式一 图4为加载形式一下节点破坏时钢管等效应力云图， 从 图中可见钢管靠近顶部、 底部以及环梁节点区域下部处应 力接近屈服值。从环梁节点区域( 接触区域) 处钢管应力及 接触对接触状态可知， 在框架梁顶部梁宽范围内环梁顶面 开始与钢管脱离 ， 环梁下部混凝土将压力传递至钢管壁上 ， 这也验证了文献 2 环梁弯矩传递机理。 图5为环梁和框架梁裂缝扩展图。从图中可见： 当柱顶 施加轴压比为0 7的轴压力时， 环梁及框架梁均未见裂缝。 柱顶荷载保持不变 ， 当框架梁梁端加载至 5 k N时， 环梁靠近 钢管混凝土柱处及环梁与框架梁交接角首先出现裂缝。经 4 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 l 1 期 ( 总第 1 4 9期 ) 接触区域钢管 接触区域钢管应力 ( 侧面 ) 图4 钢管等效应力云图 分析此 阶段 出现的裂缝是柱受压膨胀 导致环 梁受拉及框 架 梁梁端负弯矩共同作用引起的。随着梁端荷载的增加， 环 梁顶面多处出现径向裂缝 ， 这些裂缝由内缘向外缘延伸， 框 架梁顶面横向受弯裂缝不断增多。节点破坏时， 环粱顶面 框架梁轴线为中心 2 5 。 环梁范围内及环梁与框架梁相接处 开裂严重， 这些受弯裂缝由环梁侧面斜向下发展。同时， 环 梁顶面其它部位也都布满径向裂缝， 这些径向裂缝发展不 是很深 。节点破坏 主要 出现在 环 梁上 ， 由于破 坏时 环梁箍 筋已屈服， 与环梁相交处框架梁主筋达屈服强度的 0 8 ， 节 点破坏属延性破坏 。 峥 ( 8 ) 梁端荷载5 k N时 ( b ) 粱端荷载1 2 7 6 k N 时 Z Z k X ml O 0 。 掌 c 坩 l 。 I m 3 ( A VO! 蝴I iet 誉泌 图6 核心混凝上等效应力云图 tp L EOv vo 侧面 正面 图7 节点破坏时钢管等效塑性应变云图 加密。 2 3 低周反复加载 图 8为低周反复荷载作用下节点破坏时接触区域滑移 值最大的节点在各荷载步下的滑移值。由此图可看出， 在 各荷载步下， 环梁与柱之问的竖向相对滑移均非常小 ， 最大 值仅为 0 3 8 ra m。 ( c ) 梁端荷载1 6 7 6 k N时 ( d ) 梁端荷载2 6 k N 时 图5 静载下裂缝扩展图 2 2 加载形式二 由节点破坏时钢管混凝土柱核心混凝土的等效应力云 图( 图 6 ) 可 以看 出， 破坏 时核心 混凝 土接 近极 限抗压 承载 力， 从核心混凝土裂缝分布图中可以看到靠近加载端顶部 的核心混凝土被压溃。环梁节点区域处核心混凝土的等效 应力小于其它部位混凝土的等效应力。从此时钢管的等效 塑性应变云图( 图7 ) 可以看出， 钢管已大面积出现塑性应 变， 如果有限元模拟考虑了核心混凝土与钢管壁的粘结滑 移， 可以推断节点破坏形式为钢管在节点区以外区域发生 局部鼓曲。以上两点说明节点强度大于钢管混凝土柱的 强 度。 从以上两种静力加载情况下节点的破坏分析可以看 出， 框架梁与环梁交接处环梁箍筋应力均较大， 最后均进入 屈服状态， 建议以框架梁轴线为中心 2 5 。 环梁范围内箍筋 O4 0_ 3 0 2 0 1 0 1 4 8 1 2 1 6 2 O 荷载步 图8 钢管与环梁混凝土滑移值 图9为低周反复荷载下的钢筋混凝土梁裂缝扩展图9 从 图中可见， 柱顶施加 0 3 倍轴压 比的轴压力， 环梁及框架梁 均未见裂缝； 柱顶荷载保持不变， 在框架梁两端施加低周反 复荷载， 当框架梁梁端加载至第 4个荷载步， 即梁端荷载为 一 6 5 k N时， 环梁与框架梁上表面交接处出现少量垂直于框 梁的受弯裂缝； 在随后的荷载步中， 这些受弯裂缝不断发展 增多， 至第 1 O个荷载步， 即梁端荷载为 1 9 5 k N时， 环梁与框 架梁底面交接处也出现垂直与框架梁的受弯裂缝 ， 同时环 梁底部与钢管之间出现径向缝隙； 加载至第 1 2个荷载步时， 即梁端荷载为一1 9 5 k N时， 环梁上表面多处出现径向裂缝 ， 环梁侧面出现径向裂缝和斜裂缝， 环梁侧面斜裂缝在钢筋 锚固区外呈“ 八” 字形； 加载至 1 9 9个荷载步时， 即梁端荷 载为 一 2 3 4 k N时， 框架梁与环梁交接处开裂严重， 程序停止 _ 器0 口 嘲 霸 I I - _ II I I I I I I I I I I I I I I 一一一 灌灌沮 杨维 国等 ： 钢管混凝土柱 一环梁节点受力分析 4 3 ( 且 ) 梁端荷载一 6 5 k N时 ( b 】 梁端荷载1 9 5 k N 时 ( c ) 梁端荷载一 1 9 5 k N时 ( d ) 梁端荷载一 2 3 4 k N时 图9 低周反复荷载作用下裂缝扩展图 从有限元计算模型结果云图可以看出节点破坏时， 环 梁钢筋已屈服， 环梁与框架梁交接处混凝土破坏严重， 形成 塑性铰 ， 而柱 子并 未 破坏 ， 满 足 “ 强 柱弱 梁 ” 的抗 震 设计 概 念。实际试验证 明， 破坏形态与框架梁尺寸、 环梁尺寸、 环 梁箍筋以及环筋与框架梁纵筋的相对配筋量有关， 通过合 理设计， 截面承载力设计可以使节点破坏出现在环梁外， 实 现“ 强连接， 弱构件” 的抗震设计原则 。 J 弓 2 4 1 6 8 0 o 00 0 2 0 0 ： - 转 角 图1 0 弯矩一 转角滞 回曲线 图 1 0为有限元模拟的梁端弯矩 一转角滞回曲线， 从图 中可以看出滞回环呈弓形， 有较明显的“ 捏缩” 效应。经分 析 ， 原因如下： 该试件模型剪跨比较大， 剪力较小， 属于弯 剪构件。试件的剪切破坏引起弓形等“ 捏缩效应” ， 随着斜 裂缝的张合向 z形曲线图形发展。环梁与钢管之间出现 缝隙， 当卸载后反向加载时， 框架梁端的裂缝及环梁与钢管 之间的缝隙闭合 ， 因而裂缝闭合前位移增大快， 反映在滞 回 曲线上， 即出现捏拢现象。钢管与环梁混凝土之间的粘 结滑移采用接触单元 ， 接触中罚刚度的调试、 摩擦系数的确 定， 需要不断仔细地调试才能精确模拟其滞回曲线 ， 最终导 致计算结果的差别。 由热力学定律可知， 存在滑动摩擦情况下， 该滞回曲线 是合理的， 环梁与钢管混凝土柱之间的滑动摩擦具有耗能 能力 j 。在往复荷载作用下， 试件环梁与钢管局部缝隙张 开闭合也是一种耗能。而在实际结构中， 节点带有楼板 ， 节 点环梁的周边约束条件与此有限元有一定的差别 ， 楼板平 面内刚度大 ， 环梁周边受到较强的水平约束 ， 环梁与钢管之 间不易出现缝隙， 使实际结构的滞回曲线的捏拢现象得到 改善。 从图中可以看出， A N S Y S计算的骨架曲线没有下降段， 因为计算中节点区钢筋与混凝土严重变形导致 A N S Y S计算 终止 ， 此时结构还没有达到极限承载力。而试验中当节点 区钢筋混凝土严重变形后还继续在梁端加载， 直至结构的 承载力有所下降， 因而其荷载循环次数较多， 滞 回环数较 多。计算所得数据是实际试验数据的一部分。 3结语 ( 1 ) 有限元模拟结果表明， 在静载和低周反复荷载 下， 塑性铰均出现在框架梁与环梁交界处， 环梁与钢管混凝 土柱间未发生明显滑移现象， 节点连接可靠。节点梁、 柱相 对独立 ， 节点破坏不影 响柱 的完整 性及承 载力 ， 可实现 “ 强 连接弱构件” 的抗震设计概念。 ( 2 ) 基于分析结果对此节点设计提出以框架梁轴线 为中心 2 5 。 环梁范围内箍筋加密的建议。 ( 3 ) 由于存在滑动摩擦 ， 节点荷载 一位移滞回曲线有 一 定程度的捏缩， 由于有限元软件模拟混凝土的局限性， 计 算所得混凝土滞回曲线与实际的存在不小的差别， 并且只 能是实际滞回曲线的一部分。由实际节点的约束条件及工 作性能分析可知， 此节点具有较好的耗能能力。 参考文献 1 C E C S 2 8 ： 9 0 ， 钢管混凝土结构设计与施工规程 s 2 方小丹， 李少云， 陈爱军 新型钢管混凝士柱的试验研究 J 建筑结构学 报， 1 9 9 9， 2 O ( 3 ) ： 21 5 3 方小丹， 李少云， 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 0 一 l 8 4 韩林海 钢管混凝土结构一理论与实践 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 7 5 王新敏 工程结构数值分析 M 北京： 人 民交通出版社， 2 O 0 7 6 罗如登 A N S Y S中混凝土单元 S o l i d 6 5的裂缝间剪力传递系 数取值 J 江苏大学学报(自然科学版 ) ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 2 ) ： 1 6 9 1 7 2 7 方小丹， 黄圣钧， 李少云， 等 R c梁 一 圆钢管混凝土柱节点环 梁承载力设计方法 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 8， 2 9 ( 5 )： 21 5 8 周栋梁， 钱稼茹， 方小丹 R C环梁连接的钢管混凝土柱 一R C 梁框架计算模 型研究 J 工程力学 。 2 0 0 5 ， 2 2 ( 6 ) ： l 1 7 2 4 0 【 收稿 日期 2 0 1 0- 0 5 2 6 作者简介 杨 维国( 1 9 7 3一)， 男 ， 山西五 台山人 ， 副教授 ， 博 士， 研究方向 ： 大跨度钢结构。 ae哽 鸲 伊 忙 一 号 一 嗄 技 一 一 阅 技 一 一 订 筇一 娅 建 一 欢 温一 低 一 。