方钢管混凝土柱-组合扁梁连接节点力学性能研究.pdf

第2 5 卷第3 期 2 0 0 8年 9月 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n ) Vo 1 2 5 NO 3 Se p 20 08 方钢管混凝土柱一 组合扁梁连接节点力学性能研究 毛小勇， 高晓莹， 陈春杨 ( 苏州科技学 院 江苏省结构工程重 点实验 室，江苏 苏州 2 1 5 0 1 1 ) 摘要 ：将方钢管混凝土柱与组合扁梁结合 ，构成一种新型 、高效 的住宅钢 结构体系。在 已有节 点研 究的基 础上 ，结合翼缘非对称式组合扁梁的特殊性 ，提 出了一种新 的节 点构造形式 。建立 了节点承载力计算 的塑性 铰线 模型，推 导了塑性铰线的承载力 ，得到 了受拉翼缘 的极 限拉力，并最终确定 了节点 的承载力计算方法 。 为验 证上述模 型的准确性，对节点进行 了有 限元分析 。塑性铰线 模型与有限元分析结果吻合 良好 ，设计方法 可供 工程 设计 参考 。 关键词：组合扁梁，钢管混凝土柱，塑性铰线，抗弯承载力 中图分类号：T U3 9 8 + 9 文献标 识码：A 文 章编 号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 0 6 1 0 4 组合扁梁是将现浇混凝土板 、预制混凝土板 或深肋压型钢板搁置于钢梁下翼缘( 或腹板支托 ) 而形成的组合截面形式 ，具有截面高度小、防火 和抗锈蚀性能好、钢梁 出平面不易失稳等优点。 方钢管混凝土柱具有抗弯刚度大、施工方便、经 济效果显著等优点。将组合扁梁与方钢管混凝土 柱结合， 可形成一种新型、高效的住宅结构体系 。 国外对预制叠合板式组合扁梁及上翼缘带压痕的 深肋压型钢板组合扁梁进行 了较为深入 的研 究 1 - 4 1 。在我国， 为满足轻钢住宅设计中降低层高的 需要 ， 清华大学于 2 0 0 0年开始着手组合扁梁楼盖 的研究，并结合国内的工程实际推出了叠合板组 合扁梁楼盖L 5 J 。对方钢管混凝土柱，国、内外进 行了大量的研究工作【 9 ，计算方法 已十分成熟 。 相对而言 ，对组合扁梁与柱连接节点的研究却很 少；同时，由于组合扁梁 多采用非对称截面形式， 其节点连接及构造具有 自身的特点 。因此 ，有必 要对其节点性能进行深入研究，以促进这一结构 体系的推广使用 。 1 节点构造 方钢管混凝土柱与钢梁的连接节点主要有 以 下几种形式 ：内隔板式 、外隔板式、钢梁贯穿 式、穿心螺栓式和锚定式。这些节点形式在某些 方面可 以为组合扁梁的节点提供参考 。但作为一 种住宅结构体系，方钢管混凝土柱一组合扁梁节 点的构造还需要考虑以下几方面问题 ：( 1 )钢 管混凝土柱的截面一般不会太大，出于施工方便 和节点区混凝土的浇筑质量的考虑，不宜在 内部 设置锚 固件或隔板 ； ( 2 ) 本文采用的组合扁梁上、 下翼缘不对称，受拉翼缘面积偏小，在支座负弯 矩作用下，受拉区混凝土开裂失去作用 ，一般需 要设置负弯矩受拉钢筋 ，钢筋的锚固是一个 比较 重要的问题 ；( 3 )组合扁梁截面一般不会太高， 受力不会太大；( 4 )为方便在住宅体系中推广使 用 ，节点构造应简捷、方便施工。 综合上述特 点，参考现有的方钢管混凝土柱 一 钢梁连接节点形式，本文给出的方钢管混凝土 柱 一组合扁梁连接节点构造 ，如图 1 所示J 。 2 塑性铰线模型 节点处剪力通过腹板传递给钢管壁，只需验 算扁梁腹板与钢管壁之间连接焊缝的强度 即可。 弯矩在扁梁上、下翼缘分别产生拉力和压力，并 通过加强环板传给钢管壁 。对于压力而言，可通 过钢管壁承压传递给 内部的混凝土，一般没有太 大 问题 ( 因混凝土的抗压强度较大 ) ； 而拉力由加 强环板及钢管壁与混凝土之间的粘结力承受。由 于钢管壁与混凝土之 间的粘结力较小，拉力作用 可能造成钢管壁与混凝土 的分离，此时如果加强 收稿 日期 ：2 0 0 8 0 3 0 5 作者简介：毛小勇 ( 1 9 7 4 一 ) ，男，湖北房县人，副教授，博士，研究方向为组合结构，ma o x i a o y o n g y e a h n e t 。 基金项 目：2 0 0 6 年 建设部科 技计划项 目 ( 0 6 一 K 3 1 9 ) 。 6 2 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 环板强度不足，则加强环板和钢管壁在拉力的作 用下会产生破坏。因此受拉翼缘侧加强环板成为 甲 J 一 L 。 说 明 节点承载力的决定因素，其破坏模式是问题的关 键 。 1 钢管壁与加强环板之间为对接焊缝； 2 加强环板及上翼缘连接板与钢梁之间为对接焊缝； 3 钢梁腹板与钢管壁之间为角焊缝或对接焊缝： 4 负弯矩钢筋锚板与连接板、钢筋与锚板之间为角焊缝 5 圆圈中数字代表的构件或板件意义如下： 卜钢管混凝 土柱 ；2 - 钢扁 粱；3 - - 一加 强环板 4 一 一 上翼缘连接板：5 一 一 负弯矩钢筋锚固板； 6 一 一 负弯矩钢筋；7 一 一 连系梁 厂 。 厂 ， I 一 图 1 钢管混凝土柱 一钢梁连接 节点构造 考虑到扁梁上、下翼缘均受到组合板的侧向 支撑，一般不会发生失稳破坏，故此处重点解决 节点的强度 问题。同时，在支座负弯矩作用下混 凝土板受拉开裂，且混凝土和方钢管混凝土柱之 间没有牢固的连接 ，故在计算节点承载力时忽略 节点处混凝土板的作用，近似按钢梁考虑 。对于 负弯矩钢筋 ，可将其拉力并入钢梁上翼缘 。 本文首先采用塑性铰线法计算受拉翼缘的极 限承载力，然后确定节点的极 限抗弯承载力。 2 1 轴 向力作用下塑性铰线承载力 考虑轴 向荷载作用，单位长度塑性铰线的承 载力按下式确定【 ： = m f ( n ， ) ， ) ( 1 ) 2 f 1 一 n 2 1 ， ) 茜 2 式 中， = 1 f ， 为无轴向应力时钢管壁单位长 度塑性铰线承载力 。 2 2 受拉翼缘处节点破坏 的塑性铰线模型 假定在翼缘拉力 尸作用下，钢管壁和加强环 板形成 图 2所示的塑性铰线。图中，b 为节点处 2- 2 受拉翼缘 的宽度，8 为柱截面宽度 ( 取钢板壁中 心线之间的距离 ) ，t s 为加强环板厚度 ，h 为加强 强环板宽度 。 l 2 I s 6 I I I l 1 3 4 l l P 图 2 受拉翼缘塑性铰线模型 钢管壁各条塑性铰线的长度、单位长度的塑 性弯矩、加强环板发生虚移 时产生的转角如表 1所示 1 1 , 1 2 1 表中 M1 2 ， M5 6 为 ： 0 。时单位长度塑 性铰线承载力；M M ， 为 = 9 0 。时单位长度 塑 性铰线承载力； M 为 y =a r c t a n ( x ) 时单位长度 塑性铰线承载力。 为塑性铰线与水平线的夹角 。 第 3期 毛 小勇等：方钢管混凝土柱一 组合扁梁连接 节点力学性能研究 6 3 表 1 钢管壁塑性铰线长度 、转 角和单位 长度塑 性弯矩 塑 萎 线 塑 性 铰 线 长 度 羞 篆 塑 性 铰 线 转 角 名 称 塑 性 弯 矩 分析表明 儿 ，X一般为 6倍的钢管厚度 ，若 钢管厚度按 1 0 1 6 l n l T l 考虑， 按 5 0 - 7 5 r l I l n考 虑 ， 角大 致在 4 0 。 6 0 。范 围变 化 。此 时 ( 3 s i n y + 3 s i n 2 y)在 3 4 2 3 9 3范围变化 ，其 均值为 3 8 1 ，式 ( 1 )可近似简化为： = ( 3 ) 6 m x 1 - 0 9 5 n 2 L j J 当发生虚位移 时，钢管壁塑性铰线产生的虚功 为 1 ： ( 4 ) 式 中 ， M = ， 为 钢 管 的 屈 服 强 度 ， 为 钢管壁厚度 。加强环板在 5 7 ， 6 8位置加劲肋截面 剪力作的虚功为 ： ， =2 J y s ( 5 ) j 式中， 为加强环板 的抗拉屈服强度。 外力 P( 翼 缘拉力 )作的虚功为： =P 8 ( 6 ) 由虚位移原理得： we wp s 十 wp c L J 将式 ( 4 )( 6 )代入( 7 ) 式得： P M , 2 B 1 + 2 ( 2 + ) + 4 ( 2 + )去 + 2M ( 一 2 ) + (8 ) 2 鲁 + 2 每 P H V杷 信 的 落 件 f R、右 力对 的 一 阶 导 黼 零，即O P =0，从而确定 的值和 P值。 实际受力时，混凝土和钢管之问存在粘结作 用，同时钢梁对钢管也有一定的支撑作用 ，考虑 这些有利 因素，在轴压 比不大的情况下，可近似 按 n =0 ， =0的情况计算塑性铰线承载力，此时 可得到简化的计算公式为： 2 x x + m) + x m ， 5 对应的 的表达式为： ( 1 0 ) 2 3 节点极 限抗弯承载力计算 由式 ( 9 )和式 ( 1 0 )确定的受拉翼缘极限拉 力反映 了节 点处钢 管壁和加强环板 的承载 力情 况 ，主要受钢管壁和加强环板的材料性能及几何 参数影响。实际设计时，还需要考虑节点处受拉 翼缘 的承载能力。受拉翼缘屈服强度对应的拉力 为： = b f t ( 1 1 ) 式中，t ， 为受拉翼缘的厚度 。受拉翼缘极限抗拉 强度对应 的拉力为： 只 = ( 1 2 ) 式中， 为受拉翼缘的抗拉强度 。 设节 点可以承受的极限拉力为 ， 则 可按 下列情况取值： 女 口 果 P ，贝 0 =P； 女 口 果 P ，贝 0 = ； 如果 P ，则 = ； 在确定了受拉翼缘处节点的极限拉力后，节点的 极限抗弯承载力可近似按下式计算 ( 忽略腹板的 抗弯作用 ) ： M =尸 d ( 1 3 ) 式中，忽为上下加强环板中心 的距离。 3 有限元验证 为验证塑性铰模型的准确性，作者对节点进 行了有 限元分析 ，详见文献【 1 1 。节点达极 限承 载力的对 比见表 2 。表中： 是按塑性铰线模型 计算得到 的节点极 限拉力，由式( 9 ) 一 ( 1 2 ) 确定；尸 2 是 A n s y s 有限元模型得到的极限荷载按不考虑腹 板抗弯作用计算出的翼缘等效极限拉力。比较可 见，两者吻合较好 。 ： 岳 5 _ 一 一 = M 、， Z 6 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8 在 表 2 节点极限承载力对比 4 结语 采用塑性铰线模型，研究了非对称截面组合 扁梁与方钢管混凝土柱连接节点的抗弯承载力 ， 并进行 了有限元分析和验证 ，给 出了节点承载力 的计算方法，可供实际工程参考 。还需进行大量 的试验研究和理论分析工作，进一步完善上述计 算模型和设计公式。 参考文献 聂建国，余志武钢一混凝土组合梁在我国的研究 及应用 J 】 _ 土木 工程学报， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 3 - 8 Eu r o c o d e 4 ， De s i g n o f Co mp o s i t e S t e e l a n d Co n c r e t e S t r u c t u r e s S 陈全组合扁粱受力性能分析 D I 北京：清华大 学 2 0 0 2 La ws on R M ，Bod e H，Br e ke l m a n s J W P M ，e t a 1 5 】 【 6 】 【 7 【 8 【 9 】 1 1 】 S l i mfl o o r a n d S l i md e c k Co n s t r u c t i o n ： E u r o p e a n De v e l o p me n t s J T h e S t r u c t u r a l E n g i n e e r ,1 9 9 9 ， 7 7 ( 8 ) ： 2 2 3 0 李秋掂，石永久，王元清，等组合扁梁楼盖受力性 能分析 J 】 钢结构， 2 0 0 4 ， 1 9 ( 2 ) ： 2 7 3 1 石永 久，王 元清，陈宏等 钢 混 凝 土组合扁 梁受 力 性 能有 限元 分 析 J 】 _中 国矿 业 大 学学 报，2 0 0 4 ， 3 3 f 4 ) ： 4 1 7 4 2 0 Ne wma n G M F i r e Re s i s t a n c e o f S l i m Fl o o r Be a ms J J o u r n a l o f Co n s t ru c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 3 3 ( 1 2 ) ： 8 7 1 0 0 M a k e l a i ne a Pe n t t i ，M a Zh on gc he n gFi r e Re s i s t a nc e o f Co mp o s i t e S l i m F l o o r Be a ms J J o u r n al o f Co n s t r u c t i o n al S t e e l Re s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 5 4 ( 3 ) ： 3 4 5 3 6 3 韩林海， 杨有福现代钢管混凝土结构技术【 M】 北 京：中国建筑工业 出版社， 2 0 0 4 蔡绍怀我国钢管混凝土结构技术的最新进展 【 J J 土木工程学报， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 8 ) ： 1 6 2 6 毛小勇 钢一混凝土组合构件抗震抗火性能及设计 方 法 研 究 R1 长沙 ：湖 南 大学 博 士后 出站 报 告， 2 00 4 武振 宇，张耀春轴 向力作用下 T 型方管节点 的塑 性铰线分析 【 J 】 土木工程 学报 ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 4 ) ： 2 0 2 4 M e c h a n i c a l Be h a v i o r o f Co n n e c t i o n s b e t we e n CF T Co l u mn s a n d Co mp o s i t e S l i m Fl o o r Be a m s M AO Xi a o- y o n g， GAO x i ao y i n g，CHEN Ch u n y a n g ( J i a n g s u K e y L a b o r a t o r y o f S t ruc t u r e E n g i n e e r i n g ， S u z h o u Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，S u z h o u 2 1 5 0 1 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：A n e w k i n d o f c o mpo s i t e s t r u c t u r e s y s t e m c o mpo s i n g o f CF T c o l u mns a n d Comp os i t e s l i m floo r be a ms wa s p ut f or wa r d ，whi c h h a s mu c h e ffi c i e n c y Ba s e d o n t he r e s e ar c h wo r k o f CFI c o l u mn- s t e e l b e a m j o i n t ， a n e w t y p e o f c o n n e c t i o n s w a s p r o p o s e d ， c o n s i d e r i n g t h e s p e c i fi c a t i o n o f t h e c o mp o s i t e b e a m wi t h a n u n s ymm e t r y s e c t i o n A s i mpl i fie d c a l c u l a t i o n me t ho d wa s a l s o g i v e n ，i n whi c h p l a s t i c h i n g e l i n e mo d e l wa s u s e d Af t e r d e t e r mi n i n g t h e u l t i ma t e t e n s i o n f o r c e o f t h e t e n s i o n fl a n g e ， mo me n t c a p a c i t y o f t h e j o i n t wa s c a l c u l a t e d i n a s i mp l i fie d wa y FEM me t ho d wa s u s e d t o v e r i f y t h e a c c u r a c y o f t he me t h o d m e nt i o n e d a b ov e Th e r e s u l t s of t h e t wo me t ho d s s ho w a g o od a gr e e m e nt Th e d e s i g n me t h o d c a n a l s o gi ve a r e f e r e n c e f o r t h e s i mi l s t r uc t u r e s Ke y wor ds ： c o mpo s i t e s l i m floo r be a m ； CF T c o l umn； p l a s t i c h i n g e l i n e ； b e n d i ng c a p a c i t y