新型钢-混凝土梁柱组合节点力学性能研究.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 l 2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 E d i t i o n) VO 1 2 5 NO 4 De c 2 0 0 8 新型钢一 混凝土梁柱组合节点力学性能研究 雷劲松 2 ，王汝恒 ，杨东升 ，毛 肖宁 ( 1 西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 ；2 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 ； 3 绵阳西科建设项目管理咨询有限公司，四川 绵阳 6 2 1 0 0 0 ) 摘要：建立三维有限元模型，分别对钢筋混凝土梁柱节点和新型钢管混凝土柱一钢骨混凝土梁节点的力学性 能进行研究。钢骨采用格构式构造，即采用角钢代替梁中纵向钢筋， 用钢量不会增加很多，用薄钢板代替箍筋， 角钢可以和混凝土很好的协同工作，节点不采用传统的加强环式连接，而是将其直接穿过柱拉通 。结果表明， 新型节点可很好传递梁端弯矩和剪力，初始刚度大，且延性好，有很长的屈服平台，屈服后承载力下降不多， 抗震性能优越。破坏时柱钢管应力较小，没有出现屈服，柱内核心混凝土大部分处于受压状态，应力较小。节 点域和柱变形极小，说明该种节点整体性很好，刚度大。破坏时塑性角外移，避免了节点域的脆性破坏，符合 强节点，弱杆件的抗震设计原则。 关键词：钢管混凝土柱；钢骨混凝土梁；组合节点；力学性能 中图分类号：T U3 9 8 文献标示码：A 文章编号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 0 8 1 04 钢管混凝土构件 中的混凝土受到钢管的完全 束缚，提高了核心混凝土的延性；核心混凝土的 存在，提高了钢板 的抗局部屈 曲能力和构件的抗 震能力； 此种组合结构施工快速， 造价相对较低， 因此近年在国内外高层建筑 中应用较 多【 J J 。 节点设计是框架结构设计的中心环节【 2 ， 起 着在梁柱 间传递弯矩和剪力 的作用，因此节点区 域受力较为复杂，应力集中程度大。为达到强节 点弱杆件 的抗震设计原则， 目前大部分工程都采 用加强环办法来对节点进行加强， 施工较为困难， 且质量不容易保证L 5 J 。鉴于此，本文提 出了一种 适用于钢管混凝土柱 钢骨混凝 土梁连接 的新型 节点：钢管混凝土柱与穿插角钢混凝土梁连接节 点，该节点用角钢替换受拉钢筋，利用用钢量基 本相等原则进行替换。采用有限元方法分别对钢 筋混凝土梁柱节点和三种角钢钢骨混凝土连接节 点的力学性能进行分析，研究其抗震性能。 1 节点参数及模型 1 1 材料参数及模拟单元 钢材为 Q 2 3 5 B级钢 ，屈服强度 2 1 5 MP a ， 假 定 材 料 为 理 想 弹 塑 性 两 折 线 模 型 ，采 用 V o n Mi s e s屈服准则和双线性随动 强化准则，弹 性模量 E = 2 0 6 1 0 5 N n u n ；泊松比 0 3 ；梁柱混 凝土等级为 C 3 0 ，弹性模量 E l_ 3 o 0 1 0 N mm ， 泊松 比取 O 2 。 其中混凝土部分采用 8节点三维实 体单元 S o l i d 6 5模拟，角钢和钢管部分采用三维 各 向同性 8节点实体单元 S o l i d 4 5模拟。 1 2 节点设计参数 图 1为四种节点模型 ( 尺寸完全相 同) ： 钢筋 混凝土梁柱节点模型 G H1 ，穿插等边角钢混凝土 梁柱节点模型 GG1和不等边角钢模型 G G2 ，加 缀板梁柱等边角钢节点模型 GG 3 。 ( a ) GH1 ( b ) G G1 20 ( C ) G G2 ( d ) G G3 图 1 混凝土梁柱节点模型 收稿 日期：2 0 0 8 0 6 1 8 作者简介：雷劲松 ( 1 9 7 1 一 ) ，男，湖北松滋人，副教授，博士研究生，研究方向为结构工程抗震及钢结构抗震性能， l e ij i n s o n g s wu s t e d u c a 。 基金项目：国家 自然科学基金( 1 0 6 0 2 048 ) ；四川省 自然科学基金( 0 3 J Y 0 2 9 0 3 8 2 ) 。 8 2 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 缀板和角钢上下肢焊接在一起 ，使其整体性 更强。梁上插有 4根 2 0 4型角钢 ，其关于梁中 心线对称布置。梁长 8 0 0 i i l l n ，角钢长 1 0 0 0 mm； 柱长 1 2 0 0 mm，柱钢管壁厚 6 I T l I n ，满足钢结构 规范【 6 局部稳定性以要求，不会在施工时发生钢 板局部屈曲现象 。 1 3 约束条件和加载方式 1 3 1 约束条件 采用对柱上下两端面位移全部约束方式，由 圣维南原理可知，这样模拟边界条件仅影响柱端 部较小范围内应力分布，而对重点研究的节点区 域应力分布无影响。 1 3 2 加载方式 对梁悬臂端施加低周往复荷载 ，加载点位于 悬臂梁端上下截面 中心线上，单调加载定义 6个 荷载步进行加载， 每次递增 1 0 k N， 直到模型破坏； 往复加载时第一循环荷载为 2 0 k N，以后每次递 增 1 0k N，直到模型破坏。 1 4 有限元模型 图 2中 G H和 G G系列均采用分离式模型， 即混凝土和角钢及混凝土和钢筋各 自被划分为足 够小的单元。 图( a ) 为 GG系列整体节点模型， ( b ) 、 ( c )为钢管和钢管 内填混凝土模型，( d )为角钢 模型。为防止加载点及柱上下端的应力集中导致 混凝土快速破坏，造成求解失败，在梁悬臂端加 载点和柱上下端处粘贴 1 0 rai n厚钢板。 卜 - ( a ) 节点 ( b ) 方钢管 ( c ) 内填混凝土 ( d ) 穿心钢板 图 2 有限元模型 2 承载力分析 根据规范 ， 剐 中公式算得 GH和 G G系列极限 承载力如表 l 所示，无论是理论计算还是有限元 模拟，模型 G G 比 GH系列极限承载力均高，荷 载极限状态 时，梁端位移也相对较小。( 1 )对于 模型 G H，当荷载加至模型破坏点时，模型中各 个构件没有发生较为明显塑性变形 ，延性较差 。 ( 2 )对于钢管混凝土节点模型 G G，在荷载作用 下，角钢很好起到抵抗外加荷载作用，承载力相 对较高；而钢管混凝土柱承载力也很高，因此整 个节点模型承载力很高 表 1 承载力和位移计算结果 3 应 力分析 3 1 梁应力分析 从图 3看到，所有模型梁端上下边缘处应力 最大 ，符合悬臂梁受力原则 。模型 G H1 ，GG1 梁上边缘应力在 0 5 0 mm范围内拉应力很大， 达到混凝土抗拉极限强度， 将产生大量裂缝 。 GG 2 和 G G 3 在 0 71 0 0 m m范围内存在大量裂缝，承 载力较高。 2 0 0 0 O 时旷 艏 R 芷 玎 同 mi l l 图 3 节点沿 Y方 向应力分布 3 2 方钢管柱及 穿心角钢应 力分析 图4为 G G系列梁内角钢、 柱外钢管的 Mi s e s 应力云 图 ( 1 )从图 ( a )看到：在钢管壁节点 域处应力值较为集中且较大，但都小于钢材屈服 强度 。( 2 )从图 ( b )看到极限状态时角钢应力变 化情况：钢板应力 由梁端部向梁柱连接处逐渐增 大， 但核心区内钢板应力数值较小。 ( a ) 钢管 ( b ) 穿心钢板 图4 GG1 钢板 Mi s e s 应力分布 第 4期 雷劲松等：新型钢一 混凝土梁柱组合节点力学性能研究 8 3 图 5为 G G系列 中角钢正应力沿长度方 向分 布情况 ：( 1 )同一模型中平行 的两角钢正应力较 为接近 ，尤其是 GG2和 GG 3中角钢，说明在外 加荷载作用下，模型没有发生平面外的扭转，整 体性较强。( 2 )G H1中的同排角钢应力是其它几 排 中数值较高的，且上两排角钢同截面应力差别 较大，说明两排角钢发生了一定的偏转 ，整体性 不强。( 3 )混凝土限制了角钢的平面外变形。模 型 G G2的应力值 比 GG 3小，主要原因是缀板的 存在，增强 了角钢 的整体性，同时也使得其和混 凝土的粘结力增大。 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 t 0 0 0 沿 角钢长发方向 mm ( a ) GG1 0 2oo 4oo 6oo 8oo l( 1 oo 沿 角钢长 度方 l；! l mm ( b ) GG2 0 2 00 40 0 60 0 8 00 1 0 00 沿 角钢 长度 方h i mm 【 c ) GG3 图 5 沿角钢长度方 向 Mi s e s 应力分布 3 3 钢板剪应 力分析 图 6为角钢上剪应力沿长度方 向分布情况： 角钢上剪应力 GG1大于 GG 2中，但都很小，主 要原因是加入角钢后 ，抗剪刚度明显增大，剪应 力因此减小；还有依据力学原理，剪应力最大值 应位于截面形心轴处， 所作 图形为角钢上下肢处， 故剪应力相对较小。 对 皇 R j 2 0 0 4 0 0 60 0 8 ( J 0 1( ) 0 0 沿角钢 长艘方向 mm 角钢 平面内剪应力分布图 4 抗震性能分析 4 1 滞回性能分析 滞回曲线是结构抗震性能的综合体现 ，也是 进行结构抗震弹塑性动力反应分析的主要依据 。 从图 7滞回曲线看到： ( 1 )模型 GH1 在往复荷载作用下，残余变 形极小 ，构件基本处于弹性工作状态。 ( 2 ) 模型 GG1 承载力较高， 滞 回曲线较 G G1 饱满 ，有屈服过程 。 ( 3 )模型 GG 2承载力较其它模型高，但在 小幅值荷载作用下，一直保持弹性状态，直到增 加到大幅值荷载时，才有明显塑性变形。 ( 4 ) 模型 GG 3连接节点包罗图面积最饱满， 表现 出最好的延性，说明采用该节点构造 ，节点 力学性能得到明显改善。 稻 柱一 柱 JU 2 0 1 0 一 - 2 0 l l 2 ， 位移 mm ( a ) GH1 1 3 3O 。 20 l O 2 位移 mm ( b ) GG1 如鲫 0 d l 二 罾 O 量 型 8 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 互 挺 一GG 40 3O 20 lO I r 2 4 I 一 至 柩 一 枢 位移 m m f c ) GG2 4 0 ： 一 位 移 mm ( d ) GG3 图7 滞回曲线 4 2 骨架 曲线 骨架曲线是荷载达到最大峰值的轨迹，可定 性衡量结构构件抗震性能。从图 8可知：( 1 )模 型 GH1一直处于弹性状态。( 2 )G G系列屈服点 均为 2 0 k N， 在弹性极限点前， 模型骨架 曲线基本 接近于直线 ，变形呈弹性状态，之后构件进入塑 性阶段 ， 骨架 曲线出现明显拐点， 刚度开始降低， 荷载增长滞后于变形，这一阶段一直持续到模型 破坏，G G3节点刚度退化不大。 五 籁 梧 J 40 一 、 一 30 _三 2O 1 0 2 d 一 一 位 移 mm 图 8 骨架曲线 4 3 模型耗能能力及延性分析 耗能能力是评价结构抗震性能的重要指标。 每次循环中滞回环所围面积大小可反映结构在本 次循环 中消耗地震能量的多少，粘质阻尼系数 h 。 可用来表达结构构件的耗能能力 ；位移延性系数 反映结构、构件或材料非线性变形能力，采用能 量法确定位移延性系数，计算公式为： = A 。 A ( 1 ) 式中， 为节点极限荷载下降到 8 5时对应位 移；A 为节点屈服位移 。 所有模型的等效粘质阻尼系数和位移延性系 数见表 2 ，等效粘质阻尼系数值越大，耗能能力 越好，由表可知，模型 GG 2和 G G3具有较好耗 能能力，G H1 和 G G1 稍差 。 表2 模型等效粘滞阻尼系数和位移延性系数 5 结论 ( 1 ) 通过合理设计可以保证钢管混凝土柱一 穿插角钢梁节点在地震作用下实现抗震设计要求 的延性和强节点弱构件基本原则； ( 2 ) 模型中的新型节点形式 ， 剪力传递体系 合理可靠， 概念清晰； 改善了节点区的受力性能。 施工简单易行； ( 3 ) 采用角钢 的连接形式， 对梁上混凝土有 较强的套箍作用 ，混凝土限制 了角钢失稳 ，且用 钢量增加不大。 参考文献 【 1 】 钟善铜钢管混凝土结构【 M】 黑龙江：黑龙江科学 技术出版社， 1 9 9 5 【 2 】 F a m A ， Qi e F S ， R i z k a l l a h S C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b e s S u b j e c t e d t o A x i a l C o mp r e s s i o n a n d L a t e r a l C y c l i c L o a d s J J o u r n a l o f t h e S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， A S C E ， 2 0 0 4 ， 1 3 0 ( 4 ) ： 6 3 1 - 6 4 0 【 3 】 J o h a n s s o n M，Gy l l t o f t KMe c h ani c a l Be h a v i o r o f C i r c u l a r S t e e l - c o n c r e t e C o mp o s i t e S t u b C o l u mn s J J o u rn a l o f the S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g ，AS CE 2 0 0 2 ， 1 2 8 ( 8 ) ： 1 0 7 3 1 0 8 1 【 4 】L i u D L T e s t s o n Hi g h s t r e n g th Re c t a n g u l ar C o n c r e t e f i l l e d S t e e l Ho l l o w S e c t i o n S t u b C o l u mn s J Co n s t r u c t S t e e l Re s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 61 ( 7 ) ： 9 0 2 9 1 1 【 5 】 杜晓薇钢管混凝土结构加强环式节点受力性能的 研究【 D 西安：西安建筑科技大学， 2 0 0 4 【 6 】 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结构设计规范【 S 】 【 7 】 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 】 【 8 】 J G J 1 3 8 2 0 0 1 ，型钢 混凝土组合结构技术规【 S 】 ( 下转第8 7页) 第 4期 王应军： P C斜拉桥结构精细有限元模型分析 8 7。 何旭辉，陈政清，黄方林，等南京长江大桥动力特 9 性研究【 J 桥梁建设， 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 2 3 2 9 张晓壳，陈宁，王应 良，等斜拉桥的数学建模 J 国外桥梁， 1 9 9 8 ， ( 2 ) ： 5 2 5 6 An a l y s i s o n Re fin e d FEM o f a Lo n g S p a n PC Ca b l e - s t a g e d Br i d g e W A N G Y i n g -j u n ( S c h o o l o f S c i e n c e ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ) Ab s t r a c t ： Th e r e fi n e d fi n i t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a b l i s h e d f o r Wu h a n S e c o n d Brid g e wh i c h i s a l o n g s p a n P C c a b l e s t a g e d b r i d g e wi t h d o u b l e p y l o n a n d c a b l e p l a n e Th e p r o p e r t i e s o f t h e b rid g e we r e wi d e l y c o n s i d e r e d a n d me s h p rin c i p l e wa s p r e s e n t e d f 0 r t h e ma i n p a r t i e s s u c h a s p r e s t r e s s e d c a b l e ， p r e s t r e s s e d r e b a r , c o mmo n r e b a r , the b e a m and t o we r On t h e me a n t i me ， b o u n d a r y c o n d i t i o n s o f the b r i d g e we r e a n a l y z e d By a l o t o f d e a d l O a d c o mb i n a t i o n ， t h e s t r e s s ， s t r a i n an d d e f o r ma t i o n we r e c a l c u l a t e d I t s h o ws t h a t e x p e ri me n t r e s u l t c o i n c i d e s wi t h the or e t i c a l a n a l y s i s we l 1 Ke y wo r d s ： p r e s t r e s s e d ； c a b l e - - s t a g e d b rid g e ； r e fi n e d F E M ； ANS YS 一 ( 上接第 8 4页) Re s e a r c h o n M e c ha n i c a l Be h a v i o r o f Ne w Ty p e S t e e l - c o n c r e t e Co mp o s i t e Be a m c o l u mn J o i n t s 删J i n s o n g 一， WANG Ru he n g ，Y ANG Do ng s h e ng ， M AO Xi ao ni n g f 1 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e rin g a n d Ar c h i t e c t u r e ， S o u t h we s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e an d T e c h n o l o g y ， M i a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， Ch i n a ； 2 Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e rin g ， Hu n a n Un i v e r s i t y , Ch a n g s h a 41 0 0 8 2 ， Ch i n a ； 3 Xi k e C o n s t r u c t i o n P r o j e c t C o n s u l t a n c y and Ma n a g e me n t C 0 L t d ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f n e w t y p e c o mp o s i t e j o i n t s w a s s t u d i e d b y t h e t h r le e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t me tho d T h e j o i n t s c o n s i s t o f c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b u l ar c o l u mn a n d s t e e 1 s k e 1 e t o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m T h e r e s u l t s h o ws tha t the j o i n t h a s e x c e l l e n t i n t e g r al i t y ， l a r g e i n i t i a l s t i f f n e s s ，g o o d s e i s mi c r e s i s t a n c e p e r f o rm a n c e ，f a v o r a b l e d u c t i l i t y d e f o r ma t i o n c a p a c i t y ，a n d c a n e a s i l y t r a n s 瓶t b e a m mo me n t A l s o ， t h e j o i n t s h o w s l o n g y i e l d p l a t f o r m a n d h a s v e r y l i t t l e d e c r e a s e o f t h e c a p a c i t y a f t e r y i e l d Th e c ol umn p i p e s h o ws s ma l l s t r e s s a n d t h e r e i s a l m o s t n o y i e l d i n g a fte r da m a g e M o s t pa r t s o f c o n c r e t e i n the c o r e o f the c o l u mn a r e c o mp r e s s e d ， b u t the s tre s s i s v e ry s ma l 1 Bo th p a n e l z o n e s a n d c o l u mn s h o w l i t t l e d e f o r ma t i o n I n t h e d a ma g e p r o c e s s ， p l a s t i c h i n g e mo v e s a w a y f r o m j o i n t w h e r e b ri t t l e f a i l u r e i s a v o i d e d T h u s ， t h e i o i n t i S s tro n g e n o u g h for e a r t h q u a k e r e s i s t a n c e Ke y wo r d s ：c o n c r e t e fi l l e d t u b u l ar s t e e l c o l u mns ；b e a m wi t h s t e e l s k e l e t o n r e i n f o r c e d c o n c r e t e ；c o mp o s i t e j o i n t ； me c h a n i c al b e h a v i o r s