型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析.pdf

第 3 8卷第 2期 2 0 1 2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 9 型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析 袁 波 ， 梁 魏 ， 张华刚 ， 马克俭 ( 1 贵州大学空间结构研究中心， 贵州 贵阳5 5 0 0 0 3 ； 2 中国联合工程公司， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 ) 摘要： 在实际工程中， 特别是在高层和超高层结构中， 型钢? 昆 凝土柱截面尺寸往往相对于钢筋混凝土梁要大得 多， 有时柱中型钢翼缘甚至比混凝土梁要宽得多 ， 这就无法满足钢翼缘不开孔的要求。本文以实际工程中存在的 混凝土梁一型钢混凝土柱的节点为研究对象， 推导了型钢混凝土柱的缺损率公式 ， 同时研究钢柱翼缘开孔大小、 孔 间距、 孔边距等参数对型钢混凝土柱中的钢柱翼缘应力分布的影响， 最后， 对工程中常用的开孔翼缘补强方法进行 分析， 得出了补强板的最优板厚。 关键词： S R C柱 ； 钢筋混凝土梁； 缺损率； 应力分布； 最优板厚 中图分类号 ： T U 3 7 5 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 9 0 5 An a l y s i s o f s t e e l c o l u mn wi n g wi t h h o l e i n S RC c o l u mn Y U A N B o ， L I A N G We i ， Z HA N G H u a g a n g ， MA K e j i a n ( 1 S p a c e S t r u c t r u e s R e s e a r c h C e n t e r o f G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a ； 2 C h i n a U n i t e d E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ， e s p e c i a l l y i n h i g h ri s e a n d s u p e r h i g h - r i s e s t r u c t u r e， t h e s e c t i o n o f S RC c o l u mn i s o h e n mu c h b i g g e r t h a n RC b e a m e v e n s o me t i me s w i d t h o f R C b e a m c r o s s s e c t i o n i s o f t e n e v e n s ma l l e r t h a n wi d t h o f s t e e l w i n g o f S RC s t e e l c o l u mn I f w i n g o f s e c t i o n s t e e l c o l u mn n o t h a v e h o l e ， i t i s d i fi c u l y t o s o l v e r e i n f o r c i n g b a rs g o t h r o u g h n o d e of b e a m c o l u mn d i r e c t l y ， t h i s p a p e r s t u d y o n n o d e o f R C b e a m S R C c o l u mn w h i c h i s o ft e n e x i s t i n p r a c t i c e n gi n e e ri n g ， d e d u c e d s e c t i o n s t e e l c o l o mn d e f e c t r a t e f o r m u l a ， s t u d y o n p a r am e t e r w h i c h i s s i z e o f h o l e ， d i s t a n t o f b e t w e e n h o l e a n d h o l e a n d e d g e o f s t e e l c o l u mn， h a v i n g e ff e c t o n d i s t rib u t e o f s t r e s s o f wi n g At l a s t c a r r y i n g o u t s t u d y o n r e i n f o r c e d me t h o d o f s t e e l c o l u mn wi n g w i t h h o l e， h a v i n g r e a c h e d t h e o p t i mu m t h i c k o f r e i n f o rci n g b o a r d Ke y wo r d s ： S RC c o l u mn； RC b e a m； d e f e c t r a t e ； s t res s d i s t ri b u t e 0 前 言 对此做了分析和讨论。 在实际工程中， 特别是在高层和超高层结构中， 很多时候会采用型钢混凝土柱一混凝土梁的结构形 式 ， 通常型钢混凝土柱截面尺寸相对 于钢筋混凝土 梁要大得多， 有时柱 中型钢翼缘甚至 比混凝 土梁要 宽得多， 这个时候要是 昆 凝土梁上下纵筋要连续穿 过柱就显得非常困难 ， 因而不得不在柱中型钢翼缘 上进行开 口。但 是 型 钢混凝 土组合结 构技 术规 程 中规定 ： “ 设计上应减少梁纵向钢筋穿过柱内 型钢柱的数量 ， 且不宜穿过型钢翼缘” 。可是 ， 在无 法避免而又必须开孔时 ， 就不得不采取开孔方式 ， 那 么， 开孔对节点的影响及开孔率为多少为宜， 本论文 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 1 4 作者简介 ： 袁波 ( 1 9 7 4一)， 男 ， 四川遂 宁人 ， 博士 ( 后 ) ， 副教授 ， 硕 士生导师 ， 研究方向： 多高层建筑结构与工程结构防灾减灾。 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 9 6 8 0 0 4 ) E ma i l ： s u p e r y u a n b o 1 6 3 c o rn 1 钢梁全塑性弯矩 Y B 9 0 8 2 9 7 钢骨混凝土结构设计规程 在条 文说明中指出 ： 当有某种情况而不能避免型钢翼缘 上 的纵筋贯通孔时， 必须将型钢截面的缺损率控制 在 2 0 限度内， 且应保证在型钢达到全塑性弯矩以 前不发生破 坏。本文通过对实腹梁 的受力状态分 析 ， 来研究翼缘的开孔问题 ， 因为其理论可引申到型 钢混凝土柱中。 在外力作用下 ， 实腹梁的截面发展过程分为弹 性、 部分塑性和塑性 3个阶段 。在弹性阶段， 梁截 面上各点正应力均小于屈服点 ， 而当截面最外边 缘的应力达到屈服点 ， v 时所处的状态为弹性 阶段 的极限状态 ； 之后 ， 随着外力的逐渐增加梁截面进入 部分塑性阶段 ， 即截 面上部分点应力同时达到屈服 点 ， 其余点均小于厂 v ； 当整个截面进入全塑性阶段 时， 截面上所有点的应力均达到屈服点 ， 形成塑性 1 0 四川建筑科学研究 第 3 8卷 铰 ， 此时 ， 梁截面达到极 限承载力 ， 所能承受 的弯矩 为极限弯矩， 即全塑性弯矩 ， 其值为： Mo= ( s +s )= 厂 v ( 1 ) 式中 S 中和轴 以上净截面对 中和轴的面积 矩 ； S 中和轴以下净截 面对 中和轴的面积 矩； 净截面的塑性抵抗矩。 全塑性状态只是一种理想状态， 截面上实际的 正应力分布不可能在中和轴处出现正负号的突变， 而是存在线性过渡区域 ， 只是此时该过渡区域很小 。 因此， 当截面弯矩达到 时， 即认为达到全塑性状 态 ， 翼缘( 甚 至部分腹板) 上 的应力进入强化阶段 ， 这一特性将是后面分析缺损率的重要依据。 2 缺损分析 在分析时， 首先对计算作如下简化： 1 ) 分析工字形钢的受弯能力时， 忽略剪力； 2 ) 忽略轴力的影响。 受弯构件截面设计 时， 十字形 和工字形型钢 的 截面塑性发展系数 y 取为 1 O 5 _ 3 J ， 也即在型钢没 有削弱时可进入部分塑性状态 ， 但未达到全塑性状 态。若使型钢达到全塑性弯矩 ， 一般柱型钢全塑性 发展系数 y 通常在 1 1 2 0和 1 2 3 5 L 4 J 之间， 可见 ， y 与 的值非常接近， 差值不超过 8 。因此， 即使 型钢达到全塑性状态， 弯矩也提高得不多。实际上 若型钢真的达到了全塑性状态 ， 这时候的变形将会 很大 ， 柱子可认为已经破坏， 所以翼缘原则上不可削 弱。但 型钢混凝土组合结 构设计规程 给出的 计算方法比较保守 ， 偏于安全 ， 和理论解比有较大的 安全储备， 翼缘在不得 已的情况下确有可开孔的可 能， 所以为了给出翼缘缺损的一个界限判定条件 ， 可 把型钢单独取出研究， 取正常截面达到全塑性弯矩 这一极限状态， 要求在这个状态下被削弱的翼缘不 能发生破坏。 取钢材 Q 3 4 5 ( 厚度为 1 7 3 5 m m) 作为分析对 象 ， 建立如图 3所示的三折线应力一应变 曲线 的数 学模型( 完全弹塑性加硬化模 型) J ， 模型 中， 各个 阶段的控制应力和应变取值如下： ， v = 3 2 5 N ra m 2 ， =0 0 01 6， =4 7 0 N ram ， s =0 0 9， E。= 2 0 6 X1 0 Nmm 。 设原翼缘面积为 A 。 ， 削弱后的面积为 A ， 缺损 率为 6=( A 。 一A ) A 。 ， 当原截面达到全塑性时， 翼 缘对中性轴产生的弯矩为 M o =f y A 。 h 。 ( h 。 为翼缘形 心轴到截面中和轴的距离) ， 翼 缘削弱后减少 的弯 矩为 Mo： ( A 。 一A 1 ) h 。 。 当缺损截面的翼缘及部分腹板进入强化阶段， 其可增加的最大弯矩为 Mb =( f o f r ) A h 0+( 一 ) b h h ( 2 ) 式中 翼缘强化后的平均应力 ； 腹板强化部分 的平均应力； 6 腹板厚度 ； 腹板等效矩形应力到截面中和轴的距 离 ； ： 腹板等效矩形应力的高。 于是应有 A M Mb 一 ( 3 ) 式中腹板增加的弯矩( 一 ， v ) 要比翼缘部 分小很多， 现在偏安全的略去， 根据式( 2 ) 和( 3 ) 可 得 A M =( A oA ) 。 ( f o一 ) A 1 h o ( 4 ) 化简得 J fy ( 5 ) 变换不等式得 砉 一 - 一 - 一 砉 一 一 砉 c6 以f o =厂 v + 0 0 1 ( 0 h ) E ， 0 = h o h ， = 0 0 9， h=0 0 2， =3 25 N mm ， E =2 06 1 0 N mm 代人上式得 卜 丽 ( 7 ) 根据式( 7 ) 可知 ， 对应于一个 。 的比值 ， 6都 有相应的最大值 。虽然实际工程中工字型钢的具体 尺寸各不相同， 但各部分的尺寸 比例应在一定范 围 内， 现以我国国家标准 热轧 H型钢和剖分 T型钢 为参考， 得到 的最小值 0 8 6 ， 代入式( 7 ) 得6 0 2 7。 考虑到实际存在的剪力和轴力影响， 以及利用 钢材强化阶段的不安全性 ， 取 6 0 2 0 ， 即当翼缘缺 损率控制在 2 0 以内时， 可保证柱中型钢在达到全 塑性弯矩以前不发生破坏 。 3 柱翼缘开孔有限元模型 本章主要的目的是分析在弯矩作用下开孔对型 钢翼缘的影响， 以及补强后的效果 ， 为了简便以及一 目了然 ， 所 以只建型钢部分 ， 将开孔部位设置在纯弯 段内， 如图 1 所示。模型为简支工字形梁 ， 梁长 1 8 m， 在离两端简支约束各 0 3 111 的地方加垫板， 在上 面加均布荷载 ， 此时， 梁中产生纯弯区段。工字型钢 的材料模型采用三折线应力一应变数学模 型( 与前 面理论分析相 同) 。材料力学性能见表 1 。 袁波， 等： 型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析 1 3 1 ) 随着孔边距 的减 小， 孑 L 边应力分 布越不 均 匀 ， 并且应力集中现象也越明显 ， 沿翼缘受力方向分 布的低应力区也受到一定程度的影响。 2 ) 当孔边距离翼缘边缘只有一个孔径长度时， 高应力区覆盖了整个缺损截面 ， 两孔之间的截面 由 于宽度较大， 而且受到腹板的约束， 没有出现明显的 变形 ； 而孔与翼缘边缘之间的截面则明显向外鼓出， 变形很大。所 以， 为了保证截面在材料破坏前不出 现变形过大产生的屈区破坏， 应保证孑 L 至翼缘边缘 的距离大于高应力 区范 围， 考虑到有一定 的安全系 数 ， 建议取不小于 2倍 的孔径。 7补强后的开孑 L 翼缘分析 为了使补强板在缺损截面上的应力分布 比较均 匀， 必须取一合理的板高。如果板高过小， 在缺损截 面处的应力沿板厚方向就有可能不均匀 ； 板高过大 ， 则浪费材料 ， 且对补强板平 面外 的稳定性亦不利。 下面， 通过如图 5所示在 同一荷 载 M =0 5 M。 下观 察不同板高时应力分布的变化， 找出一个比较合理 的板高。 ( a )补强板高 口=4 0 mm ( b ) 补强板高 a=7 5mm ( c )补强板高 a=1 0 0mm 图 5 不 同补强板 高应 力分布 Fi g 5 St r e s s d i s t r i but i o n o f d i ffe r e nt r e i n f or c i ng p l a t e hi gh t 从图5中的应力分布可 以看出： 1 ) 随着补强板板高的增加 ， 其应力分布沿板厚 度方向均匀性增加 ， 孔边应力集中现象减弱。 2 ) 当补强板高为 4倍孔径及 以上时 ， 缺损截面 上 的应力均在屈服阶段 ， 没有进人强化 ， 且沿板厚方 向分布较均匀 。 3 ) 3倍孔径时 ， 孔边开始 出现进入强化 阶段 的 高应力区， 应力沿板厚方向分布较为不均匀， 补强板 内外表面应力差别较其余孔径时大。 4 ) 4倍孔径及 以上时的应力分布 图均表明 ， 设 置了补强板后孔边应力集 中现象 明显减弱 ， 且最大 应力数值大幅下降。 根据以上分析 ， 建议板高最小值取为 4倍孔径。 由于型钢外包有混凝土， 所以在一般情况下 ， 4倍孔 径的板高不需考虑平面外稳定性问题。 参 考 文 献 ： 1 J G J 1 3 8 2 0 0 1 型钢混凝土组合结构技术规程 s 北京： 中国 建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 2 徐亚丰 钢骨高强混凝土框架节点抗震性能研究 D 沈阳： 东北 大学 ， 2 0 0 3 3 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢结构设计规范 s 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 2 0 0 3 4 李焱 框 架 节点 在压 弯剪 复合受 力情 况 下 的全过 程分 析 D 天津 ： 天津大学， 2 0 0 3 5 江见鲸 钢筋混凝土结构非线性有限元分析 M 西安： 陕西 科技 出版社 ， 1 9 9 4 6 江见鲸 混凝土结构工程学 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 8 7 赵鸿铁 ， 姜维 山 ， 周小真 ， 等 劲性 配筋混凝土梁柱节点 J 西 安冶金建筑学 院学报 ， 1 9 8 8 ( 2 ) ： 3 1 - 3 9 8 陈林 钢一混凝土组合梁与钢筋混凝土柱节点设计方法的 试验研究 D 南京： 东南大学， 2 0 0 3