新型翼缘外包钢骨混凝土柱抗剪性能研究.pdf

低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.005新型翼缘外包钢骨混凝土柱抗剪性能研究STUDY ON SHEAR RESISTANCE OF NEW FLANGE WRAPPED STEEL FRAME CONCRETE COLUMNS姚建凯1，段劲松1，段圣允2，沈雁宏1，蒋江迪1（1.浙江鸿翔建设集团股份有限公司，浙江 嘉兴 314000；2.广东旭峰建筑工程有限公司，广东 惠州 516000）YAO Jiankai1,DUAN Jinsong1,DUAN Shengyun2,SHEN Yanhong1,JIANG Jiangdi1（1.Zhejiang Hongxiang Costruction Groyp Compancy,Zhejiang Jiaxing 314000,China;2.Guangdong Xufeng Construction EngineeringCompancy,Guangdong Huizhou 516000,China）【摘要】文中提出了一种新型可成套加工的翼缘外包钢骨混凝土柱，为研究这类柱的施工便利性及抗剪力学性能，采用数值手段进行模拟分析和参数影响研究，并与普通钢骨混凝土柱进行了对比，给出了这类柱的抗剪承载力拟合公式。结果表明翼缘外包钢骨混凝土柱的施工难易和抗剪力学性能均优于普通钢骨混凝土柱；增加翼缘板外包尺寸能显著改善构件的抗剪性能；翼缘板厚度的加大对抗剪性能的增加有利，但轴压比的提升使构件后期延性变差。【关键词】钢骨混凝土；翼缘板；成套加工；抗剪性能【中图分类号】TU375.3【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0020-05Abstract：A new type of flange wrapped steel reinforced concrete column that can be processed in a complete set isproposed in the article.This paper proposes a new type of flange wrapped steel reinforced concrete column,whichcan be processed in a complete set.The construction convenience and shear mechanical properties of the column arestudied by numerical methods,the results from which are compared with ordinary steel reinforced concrete columns,and a fitting formula for the shear bearing capacity of the column is obtained.The results show that the constructiondifficulty and shear mechanical properties of the column are better than those of ordinary steel reinforced concretecolumns.Increasing the outer size of the flange plate significantly improves the shear performance of the component;the increase in thickness of the flange plate is beneficial for the increase in shear resistance,but the increase in axialcompression ratio leads to a decrease in the ductility of the component in the later stage.Key words：steel reinforced concrete;flange plates;factory production;shear resistance0引言钢骨混凝土是在钢筋混凝土中嵌入型钢而形成的一种组合结构1。由于钢骨的存在，这种构件相较普通的钢筋混凝土表现出极高的承载力、良好的延性，在高层、超高层建筑中得到广泛应用。国内外学者对钢骨混凝土结构的性能进行了大量研究。国内学者丁传奇、李峻、夏兆阳等2-4借助BIM建模对钢骨混凝土结构的复杂节点进行深化，方便施工控制，提高施工质量；周飞、刘雯、周天华等5-8对钢骨混凝土柱的抗扭、偏压、往复荷载下的抗剪及抗震等性能进行试验研究和模拟分析。国外学者Wang X，Mohammad M等9，10通过推出试验，研究了不同保护层厚度下构件的界面粘结力，发现保护层厚度增大，构件的界面化学粘结力和机械粘结力均增大。但由于高层、超高层复杂的受力状态，使钢骨混凝土构件的截面尺寸较大、配筋数量较多，给施工造成极大的不便，也对钢骨、钢筋的成套化加工造成一定困难。为提高混凝土浇筑速率，促进建筑业10项新技术应用，提高钢筋、钢骨的成套加工与配送，文中研究了腹板留设混凝土圆形自流孔、便于加工的翼缘外包钢骨混凝土柱，并与传统钢骨混凝土构件进行施工便利及受力性能对比。1工程概况白领氏环球贸易中心地处浙江省嘉兴市，建筑功能上集酒店、写字楼、车库在内的城市综合体，建成后将成为嘉兴的新地标。50年一遇基本风压0.45kPa，抗震设防烈度7度，结构抗震等级为一级；结构地下1层，地上52层，总高度268m；结构形式为“外围16根钢骨混凝土柱+内部核心筒”组成的框筒结构。2构件设计及有限元模型2.1构件设计取第5层的钢骨混凝土柱为研究对象，层高3.8m，截面尺寸 1400mm1400mm，内置规格为 800mm250mm50mm50mm+800mm250mm50mm50mm基金项目 浙江省建筑业技术创新协会项目（2022B74）20的十字型钢骨，周边外侧共设置32 25+4 18的纵向钢筋（每个角部2 25并筋），箍筋 14100；混凝土采用 C60 高强混凝土、钢骨采用 Q345B 型钢、钢筋为HRB400E热轧带肋钢筋。为便于钢骨、钢材工厂内成套加工，将内部十字钢骨腹板延长，使翼缘外包，钢筋分段后两端与翼缘板内侧双面焊接。由于钢骨的填充将混凝土分割为4块相互独立的区域，给混凝土浇筑造成一定困难，为方便施工，在钢骨腹板上沿构件高度方向留设直径 150mm 的圆形流淌孔、间距500mm；翼缘外包十字形钢骨规格为1400mm250mm50mm50mm+1400mm250mm50mm50mm，所用材料的强度均与普通钢骨混凝土相同。两构件的截面如图1、图2所示。2.2有限元模型采用有限元软件ABAQUS进行构件建模。混凝土采用塑性损伤模型11，钢骨、钢筋采用双线性随动硬化模型12。混凝土采用实体单元，钢骨采用壳单元，钢筋采用杆单元。混凝土单元尺寸20mm、钢骨单元尺寸20mm。钢骨腹板及钢筋嵌固于混凝土内部，外侧翼缘板与混凝土表面采用面面接触。为更加符合实际的受力状态，考虑轴压比的影响，先对构件施加竖向位移计算出轴压极限承载力，并按轴压比0.3施加轴向力，然后在侧向用位移加载的方式施加侧向力。构件的有限元模型如图3所示。3模拟结果分析3.1普通钢骨混凝土柱与翼缘外包柱对比（1）施工便利性对比。普通钢骨混凝土柱的钢骨由专业厂家在工厂机械化加工，纵筋及箍筋由分包队伍现场加工。现场需考虑钢筋加工棚、钢筋原材堆放区的布置，并配备相应的机械设备及操作工人。施工时，先吊运安装钢骨，再进行纵向受力筋和水平箍筋的放置及绑扎，而钢骨混凝土构件由于受力需要，钢筋配置数量多，常导致排布困难、进度缓慢、质量难以保证。而翼缘外包钢骨混凝土柱，钢骨截面高度同混凝土，箍筋可分段与翼缘焊接固定，然后再穿插纵筋与箍筋绑扎，组成钢筋骨架，可以较好的实现钢筋与钢骨一次性在工厂加工（钢筋网有钢骨的支撑，在配送时也可以保证堆放不变形），可以保证钢筋的施工质量，缩短工期，也可以减少现场钢筋工的需要，节省人工成本。（2）抗侧承载力对比。普通钢骨混凝土柱与翼缘外包钢骨混凝土柱的抗剪承载力侧移曲线如图4所示。由图4可知，两构件的抗剪承载力与侧移曲线明显不同，但发展过程基本相同，都从开始的弹性阶段，到弹塑性阶段，然后经历一个较长的塑性平台段，最后到一个小幅度的下降段。翼缘外包构件的抗侧刚度明显高于普通钢骨混凝土柱，由能量等值法13，14换算出的屈服荷载为 13999.4kN（比普通钢骨柱增加3496.5kN）、极限承载力为18665.8kN（比普通钢骨柱增加 4662.0kN，增幅约 33.3%）、极限位移为 26.6mm6 25+1 18（空心）8 25（角筋）141006 25+1 18（空心）14001400图1普通钢骨混凝土柱（单位：mm）6 258 25（角筋）141006 2514001400图2翼缘外包混凝土柱（单位：mm）图3构件有限元模型图4翼缘外包与普通钢骨混凝土柱抗剪承载力侧移曲线200150100500荷载/102kN01020304050位移/mm翼缘外包钢骨柱普通钢骨混凝土柱21低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300（约为普通钢骨混凝土柱的1.7倍）。翼缘外包的钢骨混凝土柱在刚度、承载力、变形等力学性能方面均优于普通钢骨混凝土柱。（3）破坏状态对比。由于模型未考虑生死单元，无法模拟混凝土破坏时的裂缝走向，但可通过最大主应力云图（Max.Principal）大致判断混凝土的破坏区域。对混凝土而言，内置钢骨混凝土构件上下端的受拉区同时达到破坏应力，且破坏的范围大致相同；随着加载进行，上下端的受压区达到破坏应力，且受压区的破坏范围远小于受拉区见图5；由图5（b）构件的最终状态可发现，混凝土的破坏主要集中在支座区域，柱身中部区域混凝土几乎无破坏。翼缘外包混凝土柱，翼缘及部分腹板钢板的贡献使混凝土的破坏区比内置钢骨柱的范围小。对钢骨而言，其破坏发展过程与混凝土相同，但钢骨达到屈服应力，产生塑性变形时，翼缘先于腹板；由图6可知，两种柱的钢骨塑性区位置几乎相同，但翼缘外包钢骨的塑性区范围较普通钢骨小，且外置钢骨由于缺少混凝土约束，翼缘有明显鼓曲。对比图7（a）、图7（b）钢筋网的应力云图可以发现，翼缘外包钢骨柱由于钢筋网与钢骨焊接，两者互相加强、整体受力，导致其屈服范围比普通钢骨混凝土柱小。图5混凝土应力云图（a）普通钢骨柱（b）翼缘外包柱S,Max.Principal(Abs)(Avg:75%)+3.047e+06-1.845e+06-6.737e+06-1.163e+07-1.652e+07-2.141e+07-2.631e+07-3.120e+07-3.609e+07-4.098e+07-4.587e+07-5.077e+07-5.566e+07S,Max.Principal(Abs)(Avg:75%)+3.273e+06-7.435e+05-4.760e+06-8.776e+06-1.279e+07-1.681e+07-2.083e+07-2.484e+07-2.886e+07-3.287e+07-3.689e+07-4.091e+07-4.492e+07图6钢骨应力云图（a）普通钢骨柱（b）翼缘外包柱S,MisesSNEG,(fraction=-1.0)(Avg:75%)+3.450e+08+3.174e+08+2.899e+08+2.623e+08+2.348e+08+2.072e+08+1.797e+08+1.521e+08+1.246e+08+9.703e+07+6.948e+07+4.193e+07+1.437e+07S,MisesSNEG,(fraction=-1.0)(Avg:75%)+3.450e+08+3.175e+08+2.901e+08+2.626e+08+2.352e+08+2.077e+08+1.803e+08+1.528e+08+1.254e+08+9.794e+07+7.049e+07+4.304e+07+1.559e+07S,Mises(Avg:75%)+4.000e+08+3.667e+08+3.333e+08+3.000e+08+2.667e+08+2.333e+08+2.000e+08+1.667e+08+1.333e+08+1.000e+08+6.667e+07+3.333e+07+0.000e+00图7钢筋网应力云图（a）普通钢骨柱（b）翼缘外包柱S,Mises(Avg:75%)+4.000e+08+3.667e+08+3.333e+08+3.000e+08+2.667e+08+2.333e+08+2.000e+08+1.667e+08+1.333e+08+1.000e+08+6.667e+07+3.333e+07+0.000e+00223.2不同参数下翼缘外包钢骨混凝土柱的抗剪性能3.2.1不同轴压比下的荷载位移曲线图8、图9是构件在不同轴压比下的抗剪承载力与侧移曲线和不同轴压比下的极限承载力曲线。由图8、图9不难发现，不同轴压比下构件的抗剪承载力位移曲线有所不同，但在弹性阶段三者几乎重合，前期的初始刚度相差不大；在侧向加载的过程中，随着轴压比的提高，构件弹塑性阶段的承载力不断提高，且轴压比由0.3增加至0.5时的增长比由0.50.7明显；在轴压比0.7以前，随着轴压比提高，构件的侧向极限承载力不断增大，但当轴压比达到0.9时，极限承载力出现下降，这主要因为在极高的轴压比下，构件的混凝土有细微裂缝产生，反而降低了构件的抗侧承载力；当达到极限承载力后，随着加载的继续，不同轴压比下的承载力都表现为下降趋势且都较为平缓，构件表现出良好的延性，但随着轴压比的增大，构件的延性性能呈降低趋势。3.2.2不同翼缘板厚度下的荷载位移曲线钢骨混凝土构件不同翼缘板厚度下的承载力位移曲线、极限承载力曲线见图10、图11。不难看出，翼缘板的厚度对抗侧承载力有极大的影响。随着翼缘板厚度的增加，构件的抗剪荷载位移曲线向垂向倾斜，构件的抗侧刚度增大、抗剪承载力增长加快、极限承载力增加（极限承载力的变化大致与翼缘板厚度的变化呈线性增加）；构件达到极限承载力对应的极限位移不断推迟，后期的荷载位移曲线也变得更加的缓和，曲线呈现明显的平台段，随着翼缘板厚度的加大，构件后期的延性不断改善。3.2.3不同外包范围下的荷载位移曲线图12和图13为翼缘板不同外包范围下的抗剪承载力与侧移曲线图。由图12、图13可以看出，翼缘板外包混凝土的范围对构件的抗剪性能影响显著，随着外包比例的增大，构件的弹性模量、初始刚度、极限承载力、峰值位移都不断提高，且极限抗剪承载力与外图8轴压比下的承载力侧移曲线200150100500荷载/102kN0102030405060位移/mm轴压比0.3轴压比0.5轴压比0.7轴压比0.9189188187186极限承载力/102kN0.30.60.9轴压比图9轴压比与极限承载力曲线图11翼缘厚度与极限承载力曲线图10翼缘厚度下的承载力侧移曲线250200150100500荷载/102kN翼缘厚50翼缘厚70翼缘厚90翼缘厚1100102030405060位移/mm230220210200190极限承载力/102kN6080100120翼缘板厚度/mm图12翼缘外包范围下的承载力侧移曲线3002001000荷载/102kN外包比例18%外包比例29%外包比例39%外包比例50%020406080位移/mm275250225200极限承载力/102kN20304050比例/%图13翼缘外包范围与极限承载力曲线23低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300包比例成线性变化；当构件达到极限承载力后，构件的后期承载力损失较小，且延性极好，且外包范围越大延性越好。主要因为外包的翼缘约束了内部混凝土的变形，使三向受力，进一步提高了构件的承载力。3.3抗剪承载力拟合公式钢骨混凝土柱的抗剪承载力可由钢骨部分和钢筋混凝土部分叠加15，文中数据拟合抗剪承载力公式时，假定翼缘外包钢骨混凝土柱符合平截面假定且不考虑中性轴位置的变化。新型翼缘外包钢骨混凝土柱与普通钢骨混凝土柱相比，外包翼缘加强了对混凝土的约束，提高了其受力性能，可通过在普通钢骨混凝土柱混凝土部分引入约束系数k并通过数据拟合的方式得出新型翼缘外包钢骨混凝土柱的极限抗剪承载力，如式（1）式（6）所示。Vcm=Vsscy+Vrccu（1）Vsscy=Assfssv（2）Vrccu=Vcu1+Vcu2+Vcu3=k1.751+ftbchco+fyvAsyshco+0.07Nrcc（3）Nrcc=Nuo-fssyAssNuo-NbNuo-Nb（4）Nb=0.5fcbh（5）Nuo=fcAc+fyAs+fssyAss（6）式中，Vcm为极限抗剪承载力；Vcyss钢骨部分的抗剪承载力；Vcurc钢筋混凝土部分的抗剪承载力（Vcu1、Vcu2、Vcu3分别为混凝土部分、纵筋部分、轴压贡献部分的抗剪承载力）；k约束系数；Ncrc钢筋混凝土承担的轴向力；Nb界限破坏时的轴力；Nuo钢骨混凝土柱的轴压承载力。由式（1）式（6）及文中极限抗剪承载力的模拟数据可求出混凝土部分的抗剪承载力模拟值Vcu1，与式（3）的理论值Vcu1之比可得约束系数k。表1表3为不同参数下的约束系数k，轴压比、翼缘厚度t、翼缘外包范围b对k的影响，可引入修正系数C1、C2、C3考虑。对表1表3的数据借助ORIGIN工具进行数据拟合可得修正系数C1、C2、C3分别与u、t、b1的函数关系：C1=0.275u-0.231u2+0.938（7）C2=0.005t+0.764（8）C3=2.090b1+0.632（9）则修正后的约束系数kx：kx=3.532C1C2C3（10）4结语文中采用有限元软件ABAQUS建立了多个构件的数值模型，对翼缘外包钢骨混凝土柱及普通钢骨混凝土柱的抗剪性能进行了对比研究，并分析了轴压比、翼缘板厚度、翼缘板外包范围等参数对抗剪承载力的影响，给出了抗剪承载力计算式，得出以下结论：（1）翼缘外包的钢骨混凝土柱与普通钢骨混凝土柱相比，钢制部分适合工厂成套加工，施工便利；受力上，抗侧刚度、承载力、延性均较好。（2）翼缘板厚度和翼缘板外包范围的增大对抗剪性能的提升都有显著影响，且与其抗剪极限承载力成线性变化。（3）轴压比对抗侧构件前后期的力学性能影响不同，轴压比的增大，对构件的前期抗剪性能有益，而对后期的延性有害。（4）基于叠加原理引入约束系数k，并通过数据拟合进行修正，修正公式可快速计算新型翼缘外包钢骨混凝土柱的抗剪承载力。参考文献1 杨春，蔡健，吴轶，等.内置钢构架钢骨混凝土转换深受弯构件试验研究 J.建筑结构学报，2008（2）：92-98.2 李峻.基于BIM技术的型钢混凝土结构钢筋节点施工优化J.建设科技，2021（23）：81-85.3 丁传奇，屈超，李华，等.BIM技术在复杂型钢混凝土结构中的关键应用 J.山西建筑，2022，48（21）：104-106.4 夏兆阳，李元，王文渊，等.BIM技术在复杂钢混节点优化中的应用研究 J.施工技术（中英文），2021，50（18）：115-117.5 周飞，刘继明，吴成龙，等.装配式钢骨混凝土柱在不同轴压比表1轴压比对k的影响0.30.50.70.9模Vcu1119.53121.55121.67119.35理Vcu133.8433.8433.8433.84k3.5323.5923.5963.527C11.0001.0171.0180.998表2翼缘厚度t对k的影响t507090110模Vcu1186.86198.78211.40225.24理Vcu133.8433.8433.8433.84k3.5323.8404.1624.520C21.0001.0871.1781.280表3翼缘外包范围b对k的影响b250400550700b10.1790.2860.3930.500模Vcu1186.66215.75245.21270.54理Vcu133.8433.8433.8433.84k3.5324.3515.1815.888C31.0001.2321.4671.667注：b1=翼缘外包尺寸/构件截面尺寸。（下转第28页）24低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300设置侧向约束避免梁出现侧翻提前破坏。如图8所示，各种情况下所得到的工字型钢曲梁荷载-位移曲线。通过对比可以看出，考虑残余变形情况下各曲梁前期刚度保持在5.30E+5N/mm，承载力方面GZ-2梁承载力变化不大，而相对于不考虑残余变形情况下GZ-1的承载力降低了3.8%。4结语（1）采用了3D扫描技术对焊接前后的工字型截面曲梁形貌进行完整扫描，通过逆向建模处理模型，测量焊接后的残余变形，对比传统方法和设备测量精确度不高、局限性大的缺点，文中的处理方法适应性更强，可以真实的反映出焊接后曲梁的各位置变形情况。（2）文中方法所得到的模型，可进一步处理导入有限元软件中对曲梁进行承载力分析，充分考虑构件的初始缺陷，通过数值模拟结果可以得到残余变形对曲梁的承载能力有一定程度的削弱影响。参考文献1 曾志斌，史志强，史永吉.大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究 J.中国铁道科学，2009，30（3）：33-39.2 程孝福.大直径平焊法兰的焊接变形与控制 J.化工设备与管道，2010，47（4）：2.3 鄢东洋，史清宇，吴爱萍，等.铝合金薄板搅拌摩擦焊接残余变形的数值分析 J.金属学报，2009，45（2）：6.4 齐海波，李江飞，梁丙辰，等.焊接顺序对多焊缝干燥盘焊接残余变形的影响 J.焊接学报，2016，37（3）：4.5 赵利华，张开林.热沉对焊接残余变形的影响及参数优化分析J.焊接学报，2012，33（1）：4.6 DENG D,LIANG W,MURAKAWA H.Determination of weldingdeformation in fillet-welded joint by means of numerical simulation and comparison with experimental measurements J.Journal of materials proce-ssing technology,2007,183(2):219-25.7PERIC M,TONKOVIC Z,RODIC A,et al.Numerical analysisand experimental investigation of welding residual stresses anddistortions in a T-joint fillet weld J.Materials&design,2014,53:1052-63.收稿日期2023-2-9作者简介刘旭（1998），男，安徽阜阳人，硕士研究生，现从事钢结构焊接方面研究。8006004002000荷载/kN02468101214位移/mmGZ-1（3D扫描模型）GZ-1（无残余变形模型）GZ-2（3D扫描模型）GZ-2（无残余变形模型）图8有无残余变形下曲梁荷载-位移曲线作用下的抗震性能分析 J.混凝土，2022（3）：140-144.6刘雯.型钢混凝土 T 形柱基于 ABAQUS 抗扭力学性能分析J.安阳工学院学报，2022，21（2）：62-66.7 周天华，余吉鹏，张钰，等.单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏压性能试验研究 J.工程力学，2021，38（4）：111-122.8 白力更，刘维亚，姜维山.反复荷载作用下型钢混凝土柱受剪承载力模型解析 J.建筑结构，2020，50（10）：59-66.9 WANG X,LIU Y,YANG F,et al.Effect of concrete cover on thebond-slip behavior between steel section and concrete in SRCstructuresJ.Construction and building materials,2019,229:116855.10 MOHAMMAD M,LEE,CHI KING,et al.A study on the bondstress-slip behavior between engineered cementitious compositesand structural steel sections J.Cepapers,2017,1：2247-2256.11 孙庆昭.ABAQUS混凝土塑性损伤模型概述 J.重庆建筑，2014，13（11）：70-72.12江丙云，孔祥宏，罗元元.ABAQUS工程实例详解 M.北京：人民邮电出版社，2014.13 肖飞.不同轴压比下再生混凝土高剪力墙试验研究 D.合肥：合肥工业大学，2012.14 SALEM R M.Strength and durability characteristics of recycledaggregate concrete D.Knoxville：university of tennessee,1996.15 中冶集团建筑研究总院.钢骨混凝土结构技术规程：YB90822006 S.北京：冶金工业出版社，2007.收稿日期2022-12-1作者简介姚建凯（1980），男，浙江海宁人，高级工程师，现从事建筑工程施工与管理工作。通信作者段劲松（1990），男，江苏丰县人，工学硕士，工程师，现从事建筑工程施工与管理工作。（上接第24页）28