某空腹式型钢混凝土的托柱梁设计与有限元分析.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4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 6 5 某空腹式型钢混凝土的托柱梁设计与有限元分析 彭志桢 ， 吴小宾 ， 况建刚 ， 张桢琦 ， 张志军 ( 1 中国建筑西南设计研究院有限公司， 四川 成都6 1 0 0 4 1 ； 2 重庆大学土木工程学院 ， 重庆4 0 0 0 4 5 ) 摘要： 简述了一个实际工程中的空腹式型钢混凝土托柱梁的设计与计算过程。并基于 A B A Q U S对其进行了有限 元分析， 结合有限元分析结果， 提出了局部加强措施 ， 为此类梁的工程设计应用提供了一些有益的建议。 关键词 ： 空腹式； 型钢混凝土 ； 托柱梁； A B A Q U S 中图分类号 ： 0 3 1 9 5 6 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 6 50 5 De s i g n a n d FEM a n a l y s i s o n a l a t t i c e t y p e S RC b e a m s u pp o r t i ng t h e c o l u m n P E N G Z h i z h e n ， WU X i a o b i n ， K U A N G J i a n g a n g ， Z H A N G Z h e n q i ， Z H A N G Z h ij u n ( 1 C h i n a S o u t h w e s t Ar c h i t e c t u r a l D e s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e L i mi t e d C o mp a n y， C h e n g d u 6 1 0 0 41 ， C h i n a； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Th e de s i g n a nd c a l c u l a t i o n o f a l a t t i c e s t e e l r e i n f o r c e d c o nc r e t e be a m s u pp o rti n g t he c o l u mn i s pr e s e n t e d i n d e t a i l s The F EM i s u s e d t o t h e b e a m w i t h A B A Q U S s o f t w a r e B a s e d o n t h e n o n l i n e a r a n a l y s i s r e s u l t s ， s o m e u s e f u l a d v i c e a r e g i v e n f o r S R C t r a n s f e r b e a m d e s i g n Ke y w o r d s ： l a t t i c e t y p e ； s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； b e a m s u p p o s i n g t h e c o l u m n ； A B A Q U S 1 工程概 况 随着建筑结构 向大型 、 大跨方 向发展 ， 型钢混凝 土组合结构 由于具有承载力高 、 刚度大 、 防火 、 抗 腐蚀及抗震性 能好等优点而得到越来越 广泛的应 用 。 在成都崇州某五星级酒店项 目中， 因建筑 1层 局部为室内游泳池， 需要较大净空 ， 导致上部一根结 构柱无法伸人基础中， 故需在 2层设置托柱转换梁 ， 梁轴线跨度 1 5 1 I n ， 承托上部 5层柱。由于墙体较 多、 荷载较大， 同时也受建筑净高的限制 ， 为有效减 少截面， 降低 自重， 节约钢材 ， 采用 了空腹式型钢混 凝土梁_ 2 J 。局部建筑平面如图 1所示 ( 图中忽略托 柱梁以外的平面) 。 2 工程设计与计算 托柱梁 K Z L 1的混凝土强度等级为 C 3 5， 型钢采 用 Q 3 4 5钢材 ， 纵筋 、 箍筋 、 腰筋均采用 HR B 4 0 0级钢 筋 。按二级抗震等级设计。 收稿 日期 ： 2 0 1 I 1 2 1 6 作者简介 ： 彭志桢 ( 1 9 8 5一) ， 男 ， 江两抚州人 ， 硕士 ， 主要从事建筑 结 构设计及研究工作 。 E m a i l ： p z z h e n 1 2 6 c o n 图 1 局 部 结 构 平 面 Fi g1 The l o c a l pl an of t he bui l di n g 2 1 梁尺寸确定 根据建筑净高要求及实际平面布置情况并满足 抗剪承载力的截面控制条件 ， 梁宽取为 b= 9 5 0 mm， 高度取为 H=2 5 0 0 mi l l 。经初步试算 ， 该梁抗弯 比 抗剪更为不利 。为节约钢筋 ， 采用空腹式型钢混凝 四川建筑科学研究 第 3 9卷 土梁 ， 其上下弦型钢截面均为 b f Xh X t f =5 0 0 5 0 03 02 0 ( m m) ， 型钢配筋率为 3 2 3 ， 截 面 尺寸如图 2所示 。 1 7 2 8 图 2 托柱梁截面尺寸及配筋 Fi g 2 Di me ns i on s an d r e i nf or c e me nt de t ai l i ng of t h e be am s uppo r t i n g t h e c ol umn 2 2配筋计算 鉴于 P K P M 中， 无法输入并计算空腹式型钢混 凝土梁 ， 故先采用等刚度代换法 ， 即将等刚度的实腹 式的工字型钢混凝土梁输入 P K P M 中， 从计算结果 中提取出该梁的最 不利设计 内力为 ： 正弯矩 M+= 3 0 8 9 6 k N m， 负弯矩 M一=一1 0 0 6 6 k N m， 剪力 =4 8 93 k N。 2 2 1 正 截 面设 计 型钢混凝土组合结构技术规程 3 J ( 简称型钢 规程) 中 5 I 6条规定 ， 空腹式型钢梁 其受弯承载 力计算将上下型钢考虑为纵向钢筋计算 ， 但未给出 具体计算公式 。本文参考 钢骨混凝土结构设计规 程 中型钢梁 的设计方法 即叠加法计 算 ， 由图 2 可计算上下弦型钢组合截面提供弯矩承载力 Ms s = 1 7 6 9 2 8 k N Il l ( 假设上下 型钢全屈服 ) ， 则钢筋混 凝土截 面需承受 的弯 矩 =M =1 3 2 0 3 2 k N m。根据 混凝土结构设计规范 3 1 ( 简称 混 规 ) 受弯正截面计算公式得 ： = = 0 1 47 ， = 1 一 _ - = ( Of l 0 0 1 6 2a = 2 4 0 mm， = T 1 +, 1 - 2 a 0 _ 纵筋计算面 = = 1 6 8 3 6 mm 实配 2 8 3 2 ， A =2 2 5 1 9 m i n ， P =1 0 0 4 ， 满足要求。 负弯矩 M一 0 4 ， 满足要求。 2 2 2 斜截面计算 由于上下弦型钢净距离只有 1 m， 且梁的抗剪问 题不突出， 为使连接简单 ， 上下弦型钢采用竖腹杆连 接， 而无斜腹杆 ， 同时竖腹杆起到加劲肋的作用。抗 剪计算时偏于安全 的不考虑型钢作用 。斜截面抗剪 计算按 型钢规程 5 1 4 、 5 1 5条得 ： E=4 8 9 3 k N 0 3 b b h b 0 =1 6 0 9 7 k N， _ 0 _ 1 5 ( ) 1 ， 满足截面要求。 A ： a ： 2 9 4 0 4 8 ， 满足要求。 2 3 挠度与裂缝验算 从 P K P M计算结果中提取梁最不利 内力标准值 为 ： P k =2 0 7 1 6 6 k N I l l ， Q k =2 9 8 8 1 k NF I I 。标 准组合 Mk =P k + Q k = 2 3 7 0 4 7 k N m， 准永久值 = P k + 0 5 Q k =2 2 2 1 0 7 k N m。 挠度验算按 型钢规程 5 3 2条得 ： p 1 0 5 介于 0 3 与 1 5 之间 ， ， c = =1 1 7 1 0 ， ， =4 91 0。 贝 0 B =( 0 2 2+ 3 7 5 二 p ) E ， + E 。 =1 9 。 ， B 。 = I _ m B = 7 7 。 。 型钢梁刚性连接在刚度很大的型钢柱 ， 梁两端 的约束条件介于铰接与固端之间 ， 但更接近固端 ， 故 厂 ： ： ： 5 01 3 m m1， 取 1 。 = n 1 T d +( 2 b f + 2 f + 2 k h ) 0 7= 3 8 6 5 m m d ： ：43 4 mm =斗j 斗 ： ：0 0 3 7 pt e 一-U U j = 而 = 2 7 9 5 N m m 2O r sa ： 3 _2 1 O t 凸 T s a ( 1 9 c+ 0 )_0 2 lmm 0 3 m m， 满足要求。 托 # 粱 晶 旆 T 冈 图 3 3有 限元分析 图 3 托柱梁详图 Fi g 3 De t ai l dr awi n g o f t he be a m s uppo r t i ng t h e c ol umn 由上述构件 的计算过程可知 ， 计算进行了一些 简化 ， 采用 有 限元 程序 A B A Q U S进 行补 充复核 计 算 ， 进一步明确型钢混凝 土梁 的受力状态及极 限承 载力 。 3 1 本构关系的选择 混凝土采用 A B A Q U S中的损伤性塑模型_ 8 J ， 单 轴受压硬化曲线及受拉软化 曲线采用 混凝土结构 设计规范 中的分段式应力一 应变全曲线方程， 具 体表达式及参数含义详见 混规 J 。混凝土拉 、 压 损伤 因子 的确 定参 考 辛普 生 积分 方 法损 伤 模 型 。钢筋本构关系采用双直线模 型。各 曲线峰值 均采用材料设计值。型钢梁 中加有抗剪键 ， 确保 了 型钢与混凝土 的可靠粘结 ， 滑移相对较少。故对于 钢筋 、 型钢与混凝土的连接 的处理是将 型钢单元和 钢筋单元通过 E mb e d命令 镶嵌在混凝土中， 即认 为变形协调， 同时 A B A Q U S中的混凝土损伤塑性模 型可通过引入“ 拉伸硬化 ” ， 即通过延长混凝土受拉 软化 曲线 ， 简单近似考虑 了钢筋和混凝土之 间的界 面效应 ， 认为混凝土开裂后应力并未完全释放 ， 仍有 一 部分抗拉能力 ， 从而模拟钢筋在混凝土单元裂缝 间的荷载传递 。 3 2单元选择与网格划分 混凝土及型钢单元采用三维实体 8节点线性减 缩积分单元 C 3 D 8 R ， 钢筋单元采用三维二节点线 性桁架单元 T 3 D 2 来模拟。本模型混凝 土单元尺 寸取为 1 0 0 mm， 钢筋及型钢单元长度统一取 为 5 0 mm。网格划分如图4所示 。 3 3 荷载施加与边界条件 从图 1可看出， 在托柱梁两侧有些小次梁 ， 由于 其传给托柱梁的力远远小于梁上柱传递 的内力 ， 为 简化模型 ， 故没有考虑 。同时考虑主梁对柱顶两侧 约束作用 ， 对柱上端横向与侧 向的位移进行 了适 当 的约束 。柱底按固端约束。从 P K P M 中提取托柱梁 上柱 的下 端截 面 的最不 利组合 设 计力 ， N=7 9 9 0 k N， =1 7 3 3 k N， W =1 0 2 1 k N， M =3 0 6 k N m。 M =一 1 3 7 0 k N m。将上述 内力施加有 限元模 型 中 的控制点 R P一1 上 ， 便完成梁主要荷载的施加。 3 4有限元分析结果 从有限元分析结果来看 ， 在给定 的柱内力值作 用下， 底部受拉钢筋最大拉应力为 2 8 8 N ra m ， 上部