钢骨混凝土十字形柱-钢梁连接节点的数值分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 1期( 总第 1 4 6期 ) 5 9 钢骨混凝土十字形柱一 钢梁连接节点的数值分析 丁卫 平 ， 郑廷银 2伏 晓煜 ， 毛志伟 ( 江苏省邮电规划设计院有限责任公司建筑设计研究院， 江苏南京2 1 0 0 0 6； 2 南京工业大学土木工程学院。 江苏南京2 1 0 0 0 9 ) 摘 要1 蜂窝状钢骨混凝土异形柱框架体系是一种很适合于当今钢结构住宅建筑的新型结构体系， 其梁柱节点是这一 结构体 系的关键部位之一。为 了探讨蜂 窝状钢骨混凝土十字形柱一 钢梁连接 节点的受力性 能与变形特性 ，文章运 用 A N S Y S 有 限元 分析软 件 ， 分析轴 压比、 配箍率、 混凝 土强度 、 型钢 强度 、 节点域 型钢腹板 高厚 比、 钢骨腹板 开孔至 节点 域横 向加 劲肋 间的距 离等主要参数对节点承载 力的影响及其规律 ，并给 出了该 类节最承载 力计算公式 中相 应参数的合理取值 与设计建 议 可为后续研究和工程应用提供 参考。 关 键 词1 钢骨混凝土； 蜂窝状钢骨； 十字形柱； 钢梁； 节点承栽力； 数值分析 【 中图分类号 T U 3 7 5 4【 文献标识码】 A【 文章编号1 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 o 5 9 0 5 Nu me r i c a l An aly s i s o f Cr o s s e d - s h a p e d Co l umn - s t e e l Be a m J o i n t o f S t e e l - Re i n f o r c e d Co n c r e t e Co l umn s F r a me S y s t e m D I NG We i - P i n g Z HENG T i n g - Yi n FU Xi a o - Yu MAO Zh i We i ( 1 J i a n g s u P o s t s T e l e c o m mu n i c a t i o n s P l a n n i n g a n d D e s i g n i n g I n s t i t u t e C o ， C e d ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 6 C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 C h i n a ) A b s t r a c t ： I n t h e m o d e i T l t i m e s ， h o n e y c o m b s t e e l - r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S R C)s p e c i a l - s h a p e d c o l u mn f r a m e s y s t e m e s p e c i a l l y s u i t s s t e e l s t r u c t u r e r e s i d e n t h o u s e T h e c o l u mn - b e a m j o i n t i s t h e k e y c o m p o n e n t o f t h i s s y s t e rn I n o r d e r t o e x p l o r e t h e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n c h a r a c t e ris t i c o f h o n e y c o mb S RC c r o s s e d - s h a p e d c o l u mn - s t e e l b e a m j o i n t ， t h i s p a p e r u s e s A N S Y S s o f t w a r e t o a n a l y s i s I t s t u d i e s s o me e f f e c t i n g f a c t o r s a n d l a w s ， s u c h a s a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o ，t h e h o o p e d s t i r r u p r a t i o ， t h e c o n c r e t e s t r e n g t h ，t h e s t e e l s t r e n gth ，s t e e l we b p a n e l h e i g h t - t h i c k n e s s o f t h e j o i n t ， t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e h o l e o f t h e s t e e l s k e l e t o n a n d t r a n s v e rse s t i f f e n e r a n d S O o n I t s u g g e s t s r a t i o n al v al u e o f c o r r e s p o n d i n g p a r a me t e r s f o r b e a ri n g c a p a c i t y f o r mu l a o f t h i s k i n d o f j o i n t I n t h e e n d ， i t g i v e s s o me d e s i g n s u g g e s t i o n s o f t h i s c o mp o n e n t t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r f u r t h e r r e s e a r c h a n d印 一 p l i c a t i o n Ke y w o r d s ： s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e ；h o n e y c o m b s t e e l ；c r o s s - s h a p e d c o l u m n ；s t e e l b e a m；j o i n t b e a ri n g c a p a c i t y；n ume rie al a n a l y s i s 随着 国民经济 的发展 ，人们对住宅建筑提 出了更高要 求 。 传统 的框架 结构会使 柱的棱角外露 直接影响空间视觉 美 观和家具布置 ，异形柱结构可很好地解决该类 问题 。目 前 ， 钢筋混凝土异形柱结构 已在工程 中得到一定的应用 。 但 由于其 自身特点的限制 ，从而阻碍 了钢筋混凝 土异 形柱结 构 的广泛应用【l 1 。为 了改善其性 能 ， 更好地 发挥 异形 柱结构 体 系的优 势 ，南京 工业大学郑廷银教授等人提 出了一 种新 型异形柱 蜂窝状钢骨混凝土异形柱结构体 系 。并 对其 异形 柱性 能进行了 比较全面 的研究2 - 1 0 。 但 是对于这种新型 框架 体系 的关 键部位 之一 柱一 梁 节点 的受 力性能 与承 载能 力的研究还不完善 ，因此本文拟对其 中的蜂 窝状 钢骨 混凝土 十字形柱 一 钢粱节点 的性能进 行 比较全 面的数值分 析 ，以期为该类新 型异形 柱结构的进一步研究和工程应用 提供理论依据 。 1 有限元分析模型 有 限元分析 时 ， 以试验 中的试件 A、 B为基 本模型 l 】 考 察轴压 比、 混凝土强度等级 、 钢材牌号 、 钢骨 腹板 厚度 、 配箍 率 、 柱肢厚 比、 柱钢骨腹板 厚度 比等因素对节点承载力 的影 响及其规律 。 【 收稿日 1 1 2 0 1 1 0 9 2 7 作者简介 丁 卫 平 ， ( 1 9 5 7 一 ) ， 江 苏 省 邮 电 规 划 设 计 院 有 限 责 任 公 司 建 筑 设 计 研 究 院 ， 工 学 学 士 ， 国 家 一 级 注 册 结 构 工 程 师 ， 高 级 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 1期( 总第。 1 4 6期 ) 4 参数分析结果与讨论 由于 A、 B 2种节点的破坏模式 不同 ，本文针对 A、 B 2 种模 型的有限元参数分析也有所 不同。A试件 的破坏为 梁 铰模式 ， 所 以本文仅选取柱轴压 比、 混凝土强度 2个基本 参 数进行简单分 析。B试件 的破坏模式为节点核心 区剪切 破 坏 ， 故本文在对 以上因素进行分析的基础上 ， 还考虑 了节 点 区钢骨腹板高厚比 h 1 ， t w 。 、 节 点型钢腹板强度 、 配箍率 、 钢骨 腹板开孔到节点域横 向加劲肋 间的距离等 因素对节 点性 能 的影响。 4 1 轴压比对节点 承载力 的影 响 以模型 A、 B为基础 ， 在 其他条 件不变 的情况 下 仅 改 变轴压 比参数 ，得到节点梁端 弯矩一 转 角关系曲线如 图 4 、 图 5所示。图 4 、 图 5均表 明， 节点刚度与极 限承载力基 本 随轴压 比增加而略有增大 。但是 ， 当轴压 比超过 0 。 6时 ， 节 点承载力 反而有所 降低 ( 见 图 6 ) 。这是 因为 ， 轴压 比过 大 时 ， 在对混凝土约束提高的同时 ， 斜压机制 引起 的节 点核心 区斜压力相对较大 ，使 节点 区斜 向压力增加 的不利 因素大 于约束斜裂缝开展的有 利因素 ， 导致承载力反而降低。 因此 工程设计时 ， 建议轴压 比值不宜超过 0 6 。 图 1 有限元计算模型 分析时采用分离式建模方法 ，并忽略型钢与混凝土以 及钢筋与混凝土之间的滑移作用 ，建模时不在型钢和混凝 土之间插人粘结滑移元 l 2 _ 堋 。其中混凝土与钢骨分别选用 A N S Y S中的 S o J j d 6 5和 S o l j d 4 5单元 ， 钢筋选用 L i n k 8单元 。 其单元划分详见文献f 1 l 】 ， 有限元分析模型如图 l 所 示。 有限元分析中的材料选 用与试验 相同。混凝 土的本构 模 型采 用 混凝土结构设计 规范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 应 力应 变关系 曲线 ； 型钢钢材采用双直线模型 ， 考虑钢材的强化阶 段 ， 强化模 量取 0 0 3 倍 的初始 弹性模量 ； 钢筋也采用双直 线模型 ， 强 化模 量取 0 0 1 倍 的初始弹性模量【 1 。 2 加载方式与边界条件 与试验试件相同 ， 本模型先在柱顶施加竖 向荷载 ， 然后 通过施加竖 向位移来控制梁端加载 。在柱底约束 X、 Y、 Z 3个方向的线位移 ， 柱顶约束 X、 Y两方 向的线位移 ， 以模拟 柱两端 的铰支座 。 同时在梁端加载点翼 缘两侧施加 Y方 向 的约束 以防止钢梁侧 向失稳 。 加载简图如图 2所示 。 P P 图 2 试 件加载简图 3有限元模型验证 为了验证有限元 模型的正确性和精 确性 ，将 有限元模 型计算结果和试验结果进行对 比分析， 分析结果如下 ： 试件 A、 B的梁 端荷载一 竖 向位移 曲线如 图 3 所 示。从 图 中可 以看 出 。 计算荷 载一 位移 曲线 与试验实测荷 载一 位移 基本吻合。 尽管两试件的 A N S Y S计算极限承载力均大于试 验值 但相差分别仅 为 6 与 5 。这 可 以说 明本 文有 限元 模 型是正确 的 其分析结果是可靠的。 t证 血 图 3 试件荷载一 位移 曲线 图 4 模型 A不同轴 压比的 M一 0曲线 图 5 模型 B不 同轴压 比的 M一 0曲线 一 一 、 一节 点抗尊曩t力 +l t 一 啊 01 Q 2 n3 n4 O n6 ”0 6 轴正比h 图 6 不 同轴压 比的承载力影响 曲线 4 2 混凝 土强 度对节点 承载力的影响 哪 瑚 柚 锄 珊 瑚 m 懈 。 ， R * i 叠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 1 期 ( 总第 1 4 6期) 变混 凝土强度 ，得 到节点梁端弯 矩一 转 角关系 曲线 如图 7 、 图 8所示 。 总体而言 ， 节 点刚度与承载力均随混凝土强度 的 提高而增加 ( 图 9 ) 。但对 于模型 A， 提高混凝土强度仅能小 幅度提高其刚度 ， 而对节点的极限承载力无 明显影响 这是 因为 混 凝土强度 提高 ， 使得混凝 土抗拉强度 也相应 提高 ， 延缓 了混凝 土的裂缝发展 ， 从 而提 高了节点的刚度 ， 但 因为 强节 点的梁铰失效模式而对节点 的极 限承载力 没有 明显影 响。对于模 型 B ， 随着混凝 土强度的提高 ， 节点 的刚度和抗 剪承载力都相应增加 。同时， 混凝土强度等级越高 ， 根据混 凝土 斜压杆抗剪机理 ， 其 所能承受的剪力也相应增加 ， 其 中 混凝 土等级达到 C 6 0时 ， 节 点的破坏模 式从核 心区剪切型 转变为混合 型， 节点核心 区和钢梁均 出现塑性铰 。 转 角e r i d 图 7 不 同混凝 土强度等级模型 A的 M一 0曲线 图 8 不 同混凝土强 度等级模 型 B的 M 一 0曲线 再 舟 时- d 图 9 不同混凝土强度的承载力影响 曲线 4 3 钢骨腹板强度对节点性能 的影 响 以模 型 为 基础 ， 在 其他 条件 不变 的情况 下 ， 仅 改变 钢材牌号( Q 2 3 5 、 Q 3 4 5 、 Q 3 9 o ) 作为变化参数， 得到不同钢材 强度对节点承载力 的影响 曲线 如图 1 0 、 图 l 1 所示。总体而 言 。节点的极限承载力随 钢材 强度 的提高而基本呈线性关 系增 加 ， 而刚度则基本不随钢材强度 的变化而变化 。 转A 图 1 0 不同型钢强度的 M一 0曲线 一 1 - 1 一 【 j L- _ J 一 一 _ _ j ： 毒 琵 l 力 童暖簟属一曩匿 咖 图 1 1 不 同型钢强度 的承载力影响 曲线 4 4配箍率对 节点抗剪 承载力的影响 以模型 B为基础 ， 在其他条件不变 的情况下 ， 仅改变配 箍率作 为变化参数 ，得到不同配箍率对 节点 承载 力的影响 曲线 如图 l 2 、 图 1 3所示 。从 中发现 ， 节点 的极限 承载 力和 刚度均随配箍率 的增加而增加 ， 但前期增幅较后期快 。 这是 因为节点区型钢“ 封 闭翼缘框 ” 的存在本 身就对 节点核心 区 混凝土有一定的约束作用 。节点 区箍筋的约束作用相 当有 限 所 以提高配箍率对于提高节点极 限承载力和刚度的效 果并不显著 但是 箍筋的存 在对于约束节点 区混凝 土、 延缓 节点区的混凝土开裂 和刚度退化是 有一定帮助的。因此箍 筋只需按相关规 范规定 的构造 配置即可。 图 1 2不同配箍率的 M一 0曲线 I 一 _ 奎薹 茎 圣 ： 竺r A0 D 2 n t O 1 j J 节点棱心区配擅事 图 1 3 不同配箍率 的承载力影响曲线 目妻 瑚 哪 哪 枷 蛳 鼬 l - _ * 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 5 钢骨腹板 高厚 比 h l 1 对节点抗剪承载力的影响 以模 型 B为基础 ， 取节点 区受剪方 向钢骨腹板厚 度 分别 为 ： 5 m m、 6 I n m、 7 mm、 8 n l l n 、 9 m l n 、 1 0 m l n ，相应高 厚 比 b 分 别 为 4 8 8 0 、 4 0 6 7 、 3 4 8 6 、 3 0 5 0 、 2 7 1 1 、 2 4 4 O ， 得 到不 同 对 节点承 载力的影 响曲线 如图 l 4 、图 l 5所 示 。 由图 1 4可以看出， 随着钢骨腹板高厚比的增加。 曲线 斜率有所减小 ， 说明节点刚度 降低 。从 图 1 5可知 ， 当 J l f， 不超过 3 O时 ， 即型钢腹板厚度不 超过 8 ra m时 节点承载力 基 本无变 化 ； 但 当大 于 3 O以后 ， 其抗剪 能力则 随 的 增 大而减小 。 这是 因为 ， 核心 区钢 骨腹板 主要 和混凝 土一起 承担节点 的大部分剪力 ，需要考虑各材料 的协 同工作性 能 及多方面的影 响 ， 在柱腹板肢厚度一定的情况下 节点型钢 腹板过厚意味着核心区混凝 土相对较 薄会导致节点 区混 凝土在型钢腹板 充份发挥抗 剪承载力 之前 而破坏 所 以节 点抗 剪承载力 反而有所 下降。因此 。针对本文所研究 的节 点 ， 建议 I 。 不超过 3 0 ， 结 合相 关构造 ， 型钢 腹板厚度 不 宜小于 8 mil l ， 以保 证不会削弱节点的抗剪 承载力 。 江苏建筑 2 0 1 2年第 1 期 ( 总第 1 4 6期 ) 图 1 4不同 由 J ， 的 M一 0曲线 I二 ： = 黧萎 | 力 1 r l 2 0 再 柏 婚 硼 h 图 l 5 不 同 的承载力影响 曲线 4 6 钢骨腹 板开孔 到节点域 横 向加劲肋 间的距 离对 节点 性能的影响 以模 型 B为基础( 钢骨腹板孔洞竖直高度 D为 5 0 mm) ， 取 柱 中 钢骨 腹 板 开孔 到 节 点 域横 向加 劲 肋 的 距 离 d为 1 0 m m、 2 5 mil l 、 5 0 m r n 、 7 5 m m、 1 0 0 m m， 得 到不 同 d尺寸参 数 变化对节点性 能的影 响曲线 如图 1 6 、 图 1 7所示 。 由图可以看出 ， 整体影响不大 。但距离 d 过小 时 ， 如 d 小于 2 5 m m时 。 开孔会使横 向加 劲肋 附近孔洞处 的钢骨腹 板产生应力集 中 ， 不利于节 点域及其 “ 翼缘框 ” 的抗力 的发 挥 从而整体上降低了节点抗剪承载力。因此， 针对本文研 图 l 6不同 d的 M一 0曲线 一 一 节点抗剪承t力 + 女 t O 2 0 柏 6 0 1 0 0 1 2 0 d ram 图 1 7 不 同 d值的承载 力影响曲线 究的节点 建议柱 中钢骨腹板开孔到节点域横 向加劲肋的 距离 d取值不小于 2 5 m m 。由于本文研究模 型为 1 ： 2缩尺 模型 ， 再结合实 际工程 中的有关构造要求 ， 该 值可取不小于 5 0m i l l 为宜 。 5节点抗剪承载 力计 算分析 根据 文献【 1 1 】 的分析 ， 蜂窝状 钢骨混凝土 十字形柱一 钢 梁边节 点的抗 剪承载力 计算 公式 为 ： 1 = V c+ 自+ = 吨6 j 工 + 触 专 ( h b o- a , ) ( 1 ) 式 中各参数含义见 文献 1 1 1 。其 中混凝土抗剪系数 y ， 按本 文 上节有 限元多 参数分 析 的计 算结 果 ，并 取其 平均 值 为 0 3 6 5。 为了验证公 式 ( 1 ) 的实用性 ， 将上 述混 凝 土抗剪 系数 0 3 6 5代人 公式( 1 )进行 计算 ，得 到节点 抗剪 承 载力 为 6 0 7 k N 而试验得到的节点抗剪 承载力为 6 5 2 k N， 其误 差仅 为 7 4 。 上述 分析表明 ， 公式 ( 1 ) 用于蜂窝状钢 骨混凝土十字形 柱一 钢 梁节点抗剪 承载 力计算 时的 y 取 0 3 6 5是合 理可靠 的， 可为蜂窝状钢骨混凝土十字形柱一 钢梁节点抗剪承载力 的工程应用提供有效依据 。 6结论 f l 1 影 响强节点承载力 的因素主要是钢梁尺寸 和钢材强 度 ， 轴压 比、 混凝土强度 、 配箍率对其承载力基本没有影响 ； 影 响弱节点 承载力 的因素主要有混凝土 强度 、节 点区型钢 腹板强度和高厚 比。 f 2 1 对于 弱节 点 ， 当轴压 比超 过 0 6时 ， 节点承 载力有所 啪 鼬 毛【 秣憾 啪 椭 事 神 旧 g* 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 1 期 ( 总第 1 4 6期 ) 6 3 降低 因此建议 ， 工程 中轴压 比取值不宜大于 0 6 ； 当钢骨腹 板高厚 比 J 】 大 于 3 0以后 ，节点 抗剪能力 随 的增 大而减小 因此建议 ， 钢骨腹板 高厚 比不宜 大于 3 0 ， 型钢腹 板厚度不宜小于 8 mm。 f 3 1 箍筋作 为节 点核心 区抗剪 的一部分 ， 配箍率的提高 对节点抗剪贡献并不 大 ，因此箍筋 配置只需 满足相关规范 要求 即可。 ( 4 ) 柱中钢骨 腹板开孑 L 到节点域 横 向加 劲肋 的距离过 小 ， 不 利于节点域及其“ 翼缘框 ” 的抗力的发挥 ， 因此建议取 不小于 5 0m m 为宜 。 ( 5 ) 在轴 压 比不超过 0 6时 ， 蜂窝状 钢骨混凝 土十字形 柱一 钢梁 节点 的抗 剪承载力 计算公式 中的混凝 土抗剪 系数 取 0 3 6 5是合理的 。 参考文献 【 1 王连广， 刘之 洋 型钢 混凝土结 构在 国内外应用和研 究 的进展【 J 】 东北大学学报， 1 9 9 5 ， 1 6 ( 3 ) ： 2 3 8 2 4 2 【 2 】 郑 廷银 ， 沈 宁， 陈志 军， 等 蜂 窝状钢 骨混凝 土 L形 柱 抗 震性 能的试 验研 究 J 】 地震 工程 与 工程振 动 ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 4) ： 1 - 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2 0 0 1建 筑抗 震设 计规 范 S 】 北京 ： 中国建筑 工 业 出版 社 2 0 0 8 【 2 】 J G J 9 4 2 0 0 8 建 筑桩 基技 术规 范 s 】 北京： 中国建 筑工业 出 版 社 。 2 0 0 8 3 G B 5 0 2 2 3 2 0 0 8建筑工程抗震设防分类标准 】 北京： 中 国建筑工业 出版社 2 0 0 8 4 沈祖 炎， 等 网 架与 网壳 M】 上 海 ： 同济 大 学 出版 社 ， 1 9 9 8 【 5 】 林 同炎， S D斯 多台斯伯利 结构概 念和 体 系 M】 2版 中 国建筑工业 出版社 1 9 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m