钢骨混凝土转换梁柱节点的优化设计分析.pdf

第3 期 2 6 年3 月 广东土 木与建 筑 GU ANGDONG ARC HI T EC T URE CI VI L E NGI NE ERI NG N o 3 MA R 2 6 钢骨混凝土转换梁柱节点的优化设计分析 陈杨 泽 吴波 ( 华 南理 工 大 学土木 工程 系 广 州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要： 结合某实际工程 ， 通过有 限元分析 ， 比较 了 3种类型梁柱节点对改善钢骨混凝土转换柱 大偏心 受力性能 的作用 并提 出一种优化方案 ， 供 同类设计参考。 关键 词： 钢骨混凝 土：转换 梁柱节点 ；大偏心受压 ；有 限元分析 钢 骨混 凝 土转换 梁 以跨度 大 ， 承 载力 高 等 特点 在高层结构 中被广泛应用 ， 但是 由于其结构上 的特 殊性 转换梁的梁柱节点存在着与一般梁柱节点不 同的受力特性 ” ， 钢骨混凝 土转换柱通常不向上伸 至主体 ， 相对其轴压承载能力来说 ， 其轴力较小 ， 而 由于在节点处有较大的弯矩作用 ， 使柱截面出现较 大的拉应力 ， 同时局部压应力也相应增大， 因此转换 柱一般为大偏心压弯构件 ， 在设计 中有效减少转换 柱大偏心的程度就显得非常重要。 1工 程概况 中国联通广东分公司广州综合通讯枢纽楼 ， 位 于广州市黄埔大道西 ， 地上 2 5层 ， 地下 2层 ， 总建筑 面积约 6 5万 m2 。根据建筑平面布置及立面造型 的 需要 ， 结合建筑使用功能要求 ， 在裙楼屋面即第 1 0 层设 置结构 转换层 。转换梁 及其 相连 的转换 柱采 用 钢 骨 混 凝 土 结 构 ( 如 图 1 ) ， 其中一条 钢 骨 混 凝 土 转 换 梁 跨 度 为 1 l m，截 面 为 1 7 0 0 x 1 4 0 0 ， 转 换 柱 截 面 为1 4 O 0 1 2 o 0 采 用 C 3 5混 图1 钢骨混凝土转换梁示意图 凝土， 钢骨为 Q 3 4 5钢板拼制的工字型钢。 ( a )方案 柱 为了改善转换柱大偏心的受力状况 ， 结合建筑 平面布置 ， 本文提 出了 3种方案( 如图 2 ) ： 在钢骨 混凝土转换梁边延伸一跨 - 5 m、截面 1 4 o 0 8 o 0的 普通混凝土梁； 在普通混凝土梁中加设一段 L = 2 5 m 钢骨 ， 将梁跨度延伸 5 0 ， 以增加节点处延伸梁 的刚 度 ， 梁截面为 1 4 0 0 8 0 0 ， 钢骨 为 Q 3 4 5工字型钢 ， 截 面为8 O O x 5 O O ； 在普通混凝土梁中全长加设钢骨形 成钢骨混凝土梁， 延伸梁和钢骨截面。如图 2所示。 2 杆 系分析 对上述 3种方案采用 P K P M系列 的 S A E软 件 在结构整体计算分析的基础上进行杆系层 面上 的初步分析 ， 得出各方案转换柱的柱顶轴力和弯矩 设计值， 见表 1 。由此可见， 与方案相比， 方案、 的柱顶轴力有所增大， 柱顶弯矩有所减小， 对改善 柱 的大偏心受力状况均有作用 ； 虽方案 的受力改 善效果优于方案 ， 但后者的梁用钢量最小且不需 将框架柱改为钢骨柱 ， 因此具有较好的综合效果 。 表 1转换 柱 柱 顶 截 面 内力 方案 柱顶轴力 ( k N) 5 6 8 5 6 0 3 5 6 1 3 9 增 幅( ) 一 一 6 、 2 8 0 柱 顶 弯 矩 6 9 2 0 6 2 7 8 6 0 2 9 降幅 ( )9 、 3 1 2 9 柱 ( b )方案 ( c )方案 图 2钢骨混凝土转换梁、 柱立面布置方案 维普资讯 2 0 o 6 年 3 月 第 3 期 陈 杨 泽 等 ： 钢 骨 混 凝 土 转 换 梁 柱 节 点 的 优 化 设 _分 堑 M A R 2 0 o 63 3 有 限元 分析 本 文 以杆 系分 析结 果 为 基 础 ， 进 一步 深 人 进行 三维实体的 A N S Y S有限元分析， 以更准确地考虑各 方案的受力状态。 3 1 几 何模 型 采用 A N S Y S程序对节点建立有限元计算模型 ， 其模型全图和截面网格划分 如图 3所示 ， 本模型划 分网格单元后 。 共形成 3 8 4 9个单元和 3 1 6 8个节点， 包括钢骨单元 ( s o l i d 4 5 ) 、 混凝土单元( s o l i d 6 5 ) 、 钢筋 单元( 1 i n k 8 ) 分别为 4 9 7 ， 1 8 0 0 ， 1 5 5 2个。 ( a )梁柱节点 图 3 ( b )梁柱节点钢骨 计 算 模 型 3 2 材料本 构关 系和混 凝 土破坏 准则 钢 骨 和钢 筋均 采 用 理想 弹 塑性 本 构 模 型 ； 混凝 土轴 向受 压 的应力 一 应 变关 系采 用有 限元 分析 中广 泛采 用 的 H o n g n e s t a d模 型 3 。美 国学 者 H o n g n e s t a d 建议 ， 混凝 土轴 向受压 的应 力 应 变 曲线 ， 由上 升段 和下降段组成 。 其表达式分别为式( 1 ) ( 2 ) ， 为： 17 = 1 7 0 2 ( 兰 一) 一 ( 兰 一) ( 0 ) ( 1 ) 0 o e0 1 7 = 17 0 1 - 0 1 5 ( 二 一 ) ( 0 )( 2 ) u-o e0 式中： 。 为峰值应力 ； 0 为相应与峰值应力 0 时的 应变 ， 可取 6 0 = 0 0 0 2 ； 为极 限压应变 ， 取 3 x l C r 3 。 混凝 土 多轴 应 力下 的破 坏 准 则有 多种 表 达式 ， 本文采用 Wi l l i a m a n d Wa r n k e五参数破坏准则。 3 - 3 加载方案及约束条件 有限元分析采用 S A E结构整体计算所得到 的节点左右梁截面弯矩和剪力 。 但由于采用 S A T WE 分析结构是杆系层面上的分析 故所得到的内力是 截面的等效弯矩和等效剪力 。无法反映整个截面上 具体应力的分布情况。因此 。 在采用截面的等效弯 矩和剪力对有限元模型加载的时候会有所偏差 。 导 致分析结果与实际情况不符 。 如图4所示 ， 为了避 免这种情况的出现 ， 把加载截面取在离节点有一定 距 离 的梁 截 面 上 ， 募 罢 f 分 别 距 离 柱 的 左 、右 I 点 处 截 面 总 剪 力 和 总 弯矩 分别 与 实际情况相符 ， 即 使 在 加 载 截 面 上 具 体 的 荷 载 分布 与 实 际 情况有所偏差 ， t _ - R 1 ) 图 4加载 方案及约束条件 表 2 加载截面内力 根据圣维南原理 。 该偏差仅对截面尺寸范 围内应力 状 态 产生 影 响 ， 而对 截 面尺 寸 范 围 以外 的应力 状 态 只产生微小的影响。该模型的约束条件为转换柱柱 底 为固支端 ( 如图 4 ) ， 各方案的左右截面加载剪力 和弯矩见表 2 。 3 4 分析 结 果 ( 1 )混 凝土 应力状 态 根据 上述 3种方 案节 点混 凝 土沿柱 轴线 方 向的 正应力分布 图( 略 ) ， 柱截面靠转换梁一边 出现压应 力 。 最不利位置出现在柱子边线与转换梁下边线的 交汇处 而柱截面的另一边则出现拉应力。 且拉应力 区约占柱截面的 1 2 ， 转换柱为大偏心受压柱。 符合 其受力性能。 同时从图中可以看出方案、 的拉应 力区比方案范围更小， 减幅约 1 3 1 4 。 ( 2 )钢骨和钢筋的应力状态 钢骨混凝土转换柱作为大偏心受压构件 。 其承 载力主要 由钢骨和钢筋来承担 。 过大 的弯矩会使 以 轴 向受压性能为主的柱变成 以受弯为主的构件 对 柱受 力 不利 。 为了更详细地 了解转换柱中钢骨和钢筋的应力 状态 。 我们从上述 3种方案 的钢骨应力( 即沿柱轴 线方向的正应力 ) 分布图和柱纵筋应力分布图( 略) 可以看 出 各方案钢骨的最大应力均 出现在节点转 换梁底下的柱截面处，其中方案的钢骨沿Y 轴最 大拉应力 = = 1 5 3 N m m ， 而方案、 则分别为 一 = 1 3 2 ， 1 2 6 N m m ，比方案减小 1 4 和 1 8 ； 方案、钢骨沿Y 轴的压应力比方案有减小的 趋 势 。 但变化 不 大 。 方案的柱纵筋最大拉应力为 2 0 0 N ra m ， 而 方案 、 则均为 1 6 9 N ra m ： ， 比方案减小了 1 5 ， 其柱纵筋最大压应力比也有所减小 ， 幅度约为 8 。 31 维普资讯 2 0 o 6 年3 月 第3 期 广东 土木与 建筑 M A R 2 0 o 6 N o 3 由此可见 在转换梁处延伸一跨梁对改善转换 柱偏心受力状态有较好 的效果 。 当在延伸梁段置入 钢 骨增 加其 刚 度后 。 转换 柱 中钢 骨 和钢 筋 的拉 应 力 均有 1 5 左右的减幅。 效果较为明显。值得注意 的 是， 相比方案的梁全长置入钢骨， 方案仅在节点 局部置入一定长度钢骨 。但其改善效果与方案基 本相同， 节点区的应力应变分布基本相 同， 从综合效 果来看， 方案明显更优， 因此建议设计中置入的钢 骨长度为延伸梁跨度的 1 2 1 3 。 4结束语 本文探 讨 如何通 过改造 钢 骨混凝 土转换 梁 的梁 柱节点来改善钢骨混凝土转换柱 的大偏心受力状 态， 结合建筑平面布置和工程经验， 给出了 3种节点 优化方案 。 并在对方案进行杆系分析的基础上 ， 采用 A N S Y S程 序 对 这 3种 方 案 的梁 柱 节 点进 行 了有 限 元分析。通过计算分析得到了这三种方案梁柱节 点 的应 力 和应 变 分布 情况 。 并对 各 方 案 的结 果进 行 了 对 比 。 最 后可 以得 出如下结 论 ： 4 1 混凝土转换柱一般为大偏心压弯构件 ， 分析结 果表明 。 在转换梁边延伸一段梁并在靠近节点 区域 设置钢骨。 节点区混凝土拉应力范围减小约专 ， 钢骨的拉应力和钢筋的拉应力水平下降约 1 5 ， 有 效地改善柱大偏心的受力状况 。 4 2 建议延伸梁内置钢骨 的长度为延伸梁跨度 的 专 专。 以取得较好的综合效果 。 参考文献 1 周起敬 ， 姜维 山 ， 潘 泰华 钢与混凝土组合结构设计施 工 手册 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， l 9 9 l 2 王彦宏 ， 薛建阳， 赵鸿铁 ， 杨勇用 A N S Y S程序进行型钢 混凝土偏压柱的有限元分析 J 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 3 3 过镇海 钢筋混凝土原理 M 北京： 清华大学出版社 ， 1 9 9 9 4 刘涛， 杨凤鹏精通 A N S Y S M 北京 ： 清华大 学出版社 ， 2 0 02 ( 上接第 2 1 页) ( 3 )各种观测记录表要求分别整理成册 以便于 查 阅 。 5 5 基 坑监测 注 意事项 ( 1 )基坑西半部深 4 5 m。 距游泳池仅 8 5 m， 因此 在 施 工 过 程 中应 密 切 监 测 西 面 1 1 、 2 2剖 面 边 坡 的变形情况 ， 除此之外还与建设单位协商把游泳池 的水排掉 3 4 ， 以减小西面支护结构的负荷； 东南面 高层住宅楼 由于相距仅约 1 5 m。而基坑深度相对较 大 ， 故应严格按设计要求做好基坑边坡的变形监测 ； ( 2 )在施工过程中应注意保护好坑顶的位移 、 沉 降观测点 。 尤其是观测基准点， 避免因人为破坏而造 成测 量误差 ： ( 3 )基坑支护结构水平位移警戒值为累计 1 5 mm。 侧壁土体垂直位移警戒值为累计 2 0 m m： ( 4 )观测过程 中发现异常情况时 ， 应及时向设计 等方等有关单位反映 ， 共同分析研究并采取快速有 效的处理措施 ， 真正做到动态设计与信息化施工。 3 2 6 结 束语 经过 2个 多月的施工 ， 本工程在业主 、 设计 、 监 理及监测等单位 的紧密配合下 ， 基坑支护施工顺利 完工 ， 对锚杆、 锚索及人工挖孔桩的抽测评定全部合 格 ， 经有关部 门验收通过 ， 完全符合设计要求 。 达到 了预 期效 果 。完 工 后经 连 续监 测 。 基坑 顶 边 和 桩顶 变形微小 ， 对周边建筑物未造成任何影响。 整个基坑 支护结构的设计 、 施工、 监测均能严格按现行标准执 行 ， 在安全、 可靠 的前提下取得 了良好的经济效益 。 得 到了建设单位及有关部 门的好评 同时为下一步 的施工 创造 了良好 的基础 维普资讯