钢筋混凝土十字节点斜撑法加固的数值分析.pdf

3 8 低温建筑技术 2 0 1 2 年第5期( 总第 1 6 7期) 钢筋混凝土十字节点斜撑法加固的数值分析 朱彦鹏 ， 李复炫 ( 兰 州理工大 学土木 工程学院 兰州7 3 0 0 5 0) 【 摘要1 梁柱节点是钢筋混凝土结构抗震的一个薄弱环节， 其失效时往往引起结构的整体破坏。为了减 轻因节点脆性破坏而造成的损失， 针对梁柱交界处， 以钢筋混凝土框架结构中的十字形梁柱节点为模形。对比分 析增设斜支撑对节点加固前后的力学性能。结果表明： 采用斜撑法加固的节点的承载能力较无斜支撑节点的强。 【 关键词】 钢筋混凝土； 框架结构； 十字形梁柱节点； 斜撑法加固 【 中图分类号】 T U 3 1 2 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 3 8 0 4 ANALYS I S OF REI NFoRCED CoNCRET E CRUCr oRM NoDES US E D CLI NED BRACE S TRENGTHENI NG ZHU Ya h p e n g，LI F u x ua n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， L U T， L a n z h o u 7 3 0 o 5 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s t r u c t u r a l a n t i s e i s mi c we a k l i n k o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e i S t h e b e a m- e du n m j o i n t s ， w h i c h w i l l c a u s e s t r u c t u r a l h o l i s t i c f a i l u r e d u e t o j o i n t s b e c o me i n v a l i d a c c o r d i n g t o b e a m c o l u m n j u n c t u r e ， c r u c i f o r m b e a m c o l u mn j o i n t s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t r u c t u r e a r e t a k e n a s m o d e l ， the t h e s i s c o mp a r a t i v e l y a n a l y z e d t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f n o d e s w h i c h a r e p r e a n d p o s t s e t i n c l i n e d b r a c e T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e n o d e s b e a ti n g c a p a c i t y u s e d i n c l i n e d b r a c e s t r e n g the n i n g i s s tr o n g e r t h a n t h a t u n us e d i n c l i n e d b r a c e Ke y w o r d s ： r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； f r a m e s t ruc t u r e ； c ruc i f o r m b e a m c o l u mn j o i n t s ； i n c l i n e d b r a c e s tre n g t h e ni n g 0 引言 2 0 0 8 年 5 月 1 2日的四川汶川大地震 中， 按照规范 设计的钢筋混凝土结构发生了大量的破坏， 梁柱连接处 的断裂是其主要原因。我国混凝土结构设计规范对 梁柱连接的加固没有给出具体内容。国内外的相关人 士虽然对钢筋混凝土结构进行了大量的研究雎 3 ， 然而 对于梁柱连接加固的研究还是比较少见。文中主要以 钢筋混凝土框架结构中的十字形梁柱节点为基础， 采用 增设斜支撑的方法 ， 利用 A B A Q U S大型有限元软件， 通 过对该节点加固前后的模拟结果比较， 证明增设斜支撑 后的节点受力性能优于无斜支撑的节点。从而为梁柱 节点的设计提供可行的工程依据。 1 斜撑法加固的有限元分析 1 1 模型及单元的选取 采用通用有限元程序 A B A Q U S C A E创建柱贯通 式十字形 梁柱 节点 模型 ， 梁与柱 的净 长均 假定 为 3 0 0 0 m m， 其中， 混凝土使用八节点线性六面体缩减积 分 ( C 3 D 8 R) 单 元 ， 钢 筋 采 用 两 节 点 线 性 三 维 桁 架 ( T 3 D 2 ) 单 元 ， 钢 筋 和混凝 土利 用 e m b e d d e d技 术 良好 的粘结 到一起 。 1 2 有限元模型 表 1 塑性 阶段应 力应变关 系 采用通用有限元软件 A B A Q U S S t a n d a r d进行数 值分析， 钢筋的弹性模量取为 2 1 X 1 0 M P a ， 泊松比取 为 0 3 。 表2 损坏系数与裂纹应变的关系 当进入塑性阶段时， 钢筋的应力应变关系如表 l 所示。混凝土强度等级选用 ( 4 0 ， 弹性模量取为 3 2 5 1 0 MP a ， 泊 松 比取 为 0 2 ； 当进 入 塑性 阶 段 时 ， A B A Q U S 选用混凝土损伤塑性模型进行分析， 其 中膨 胀角定为3 6 3 1 ， 粘性系数定为 0 1 X 1 0 ； 混凝土的拉 低温建筑技术 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 6 7期) 点的破坏。这说明了采用与节点刚度接近的斜支撑能 够与节点协调工作 ， 且能充分发挥材料的受力性能。 钢筋混凝土充分利用了混凝土的抗压能力和钢 筋的抗拉能力共同工作 ， 以承受和传递外界传来的作 用， 在承受相同荷载作用下 ， 使用不同截面尺寸的钢筋 混凝土构件做为十字形梁柱节点的斜支撑 ， 其承载能 力和工作性能是不同的， 斜支撑的刚度越接近十字形 梁柱 ， 受力越合理。 2 3 承载能力随着钢筋弹性模量的增大而减小 针对斜撑法加固的节点， 选用三组试件， 截面尺寸 如表 6所示 。 表 6 试件的截面 尺寸 m m 其中， 钢筋弹性模量分别采用 2 0 X 1 0 、 2 0 6 X 1 0 、2 0 9 X 1 0 、2 1 X 1 0 MP a 。 将 均 布 荷 载 4 3 6 k N m m 施加到钢筋混凝土节点上 ， 其它条件不 变。图5所示 ， 在相同荷载作用下， 梁柱交界处的最大 能量释放率( c e ) 的平均值随着钢筋弹性模量( E 。 ) 的 增 大而减小 。 H 昌 童 瓣 耧 艇 嘲 勰 蟠 2 0 0E+ 0 5 2 0 6 E+ 0 5 2 0 9 E+ 0 5 2 1 0E + 0 5 钢筋弹性模量西， N mm + 试件十三 + 试件十四 + 试件十五 图5 C e 的平均值与 的关 系曲线 也就是说 ， 钢筋弹性模量小的十字形节点， 其能量 释放率在达到临界值前所能承受的荷载大， 即承载能 力强。选用不同的弹性模量进行数值分析， 会对 G 产 生影 响 ， 从 而会 影响节点 的断裂韧性 。 2 4斜撑法加 固节点 的变形性能好 采用斜撑法加固的节点 ， 在达到屈服极限后， 其破 坏始自斜支撑， 随后与梁柱相连接的区域发生屈曲失 稳。在节点完全破坏以前， 由于连接区要经历较大的 变形， 因此， 将有明显的破坏预兆， 满足结构上的适用 性的要求 。 没有设置斜支撑 的节点 ， 破坏始 自梁 柱连 接 的关 键部位 一梁柱交界处 ， 且受 力集 中， 在没有明显 预兆的 情况下由于交界处的应力达到屈服点而导致节点发 生脆性破坏 。 3结语 ( 1 ) 通过模拟钢筋混凝土十字形梁柱节点， 对 比分析增设斜支撑前后节点的受力性能， 得到在相同 荷载作用下 ， 采用斜支撑的节点中梁柱交界处的屈服 强度是无斜支撑的三倍， 即利用斜支撑法加固的节点 的承载能力 比无斜支撑加固节点的强。斜支撑的刚度 越接近梁柱节点， 协同受力越合理。 ( 2 ) 在其它条件不变时， 采用斜支撑加固的节 点的梁柱交界处的最大能量释放率的平均值 随着钢 筋弹性模量的增大而减小， 也就是说， 节点的承载能力 与钢筋 的弹性模量成反 比。 ( 3 ) 利用斜撑法加固的节点， 破坏始 自斜支撑， 随后 ， 在斜支撑与梁柱交界处发生屈曲失稳 ， 避免了无 斜支撑节点的脆断破坏。 参考文献 1 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 2 S h i n s u k e N a k a t a ， T o s h i k a a z u K a w a s h i m a ， H i d e h a r u S e k i g u c h i A r e p a i r e ff e c t o f rei n f o r c e d c o n c r e t e j dn t a s s e mb l e s s u b j ect ed t o s e i s m i c l o a d s C I n ： P r o c e e d i n g s o f t h e t h i r d sem i n a r O n re p a i r a n d ret r o fi t o f s t r u c t u r e s ，t h e u n i v e r s i t y o fMi c h i g a n，1 9 8 2：5 6 1 0 0 3 薛彦涛 ， 黄世敏 ， 姚秋来 汶川地震钢筋混凝土框架结 构震害 及对策 J 工程抗震与加 固改造 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 5 ) ： 9 31 0 0 4 袁陵钢筋混凝土框架节点加固试验研究 D 兰州： 兰州理 工大学 ， 2 0 0 9 5 石亦平， 周玉蓉编著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 9： 9 6 唐承泰 ， 赵文但 高强混凝 土十字形 异形柱 梁柱节 点承载力 分析 J 山西建筑 ， 2 0 0 9， 3 5 ( 2 O ) ： 6 36 4 7 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京 ： 清华 大 学 出版社 ， 2 0 0 3 8 郑亮， 吴钢十字形钢骨混凝土柱的A N S Y S 分析 J 山西建 筑， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 3 ) ：9 5 9 6 收稿 日期】 2 0 1 20 3一l 3 作者简介 朱 彦鹏 ( 1 9 6 0一) 男 ， 甘肃 庆阳人 ， 教授 ， 博 士生 导师 ， 主要从事工程事故分析与处理 等领域 的教 学及 研究工作 。