型钢混凝土结构节点受力性能简析

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前言

随着经济的发展,人们对建筑结构和功能的要求越来越高,这就使空间资源的高效利用越来越显得重要起来,对于高层、超高层或大跨等结构来说,传统的普通钢筋混凝土结构已不能完全满足其需要,而型钢-混凝土组合结构作为一种新的结构体系,其优越性正好克服了普通钢筋混凝土结构的不足,满足结构的需要。因此,型钢-混凝土组合结构受力性能的研究将会是工程界面临的重要课题。

就型钢混凝土结构节点而言,要求在地震作用和竖向荷载共同作用下必须满足“强节点,弱构件”的要求,节点的承载能力必须大于与其连的梁、柱的承载能力,在梁、柱遭到破坏时,节点仍能可靠地传递内力,不能先于梁柱破坏。若其过早破坏对整体结构的影响最大,所以对于节点的设计就显得尤为重要。震害调查和试验表明,节点一般都是剪切破坏。节点的承载能力计算主要是进行节点抗剪计算。对于型钢混凝土结构的节点,由于内含型钢,并在适当位置增设加劲板,内部形成翼缘框,加强对核心区混凝土的约束作用,使节点抗裂度和极限承载力都高于钢筋混凝土节点,而且也改善了高强混凝土出现脆性的可能,防止无预兆的脆性破坏发生。本文通过建立节点模型,运用有限元分析,对节点的受力性能和应力应变的分布变化以及影响因素做简要探讨。

1几何模型的建立

本文型钢混凝土结构有限元模型采用分离式,钢筋作为一种细长材料,忽略其横向剪切刚度,用线单元来处理,型钢和混凝土分别采用不同的实体单元来处理。由于型钢采用焊接,且柱型钢水平加劲肋又能构成翼缘框,这些对节点都能有非常好的约束,节点区的混凝土和型钢能较好的协同工作,滑移很小,所以可忽略节点区的滑移影响,不另设粘结单元。

1.1模型设计

本文选用型钢混凝土的中柱节点,节点核心区型钢采用柱贯通方式,考虑“强柱弱梁、节点更强”的条件,在与钢梁上下翼缘相平行的柱工字钢腹板两侧各设一道水平加劲板,形成封闭的翼缘框,柱的截面尺寸为250mm×250mm,梁柱型钢为工16,纵筋配4根16钢筋,箍筋配Φ8@100。

1.2 本构关系

1.2.1 混凝土

混凝土主要是一种抗压材料,其拉、压方向上的力学性质有很大差异,本文对其采用多线性随动强化本构模型,如图1-1示,其破坏准则选用的是Willam-Warnke五参数破坏准则。混凝土单轴受压下的应力―应变曲线采用了我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)中建议的混凝土单轴受压下的应力―应变曲线方程的修正形式,按弹塑性材料输入,其中εu为应力-应变曲线下降段上应力等于0.5 fc 混凝土的压应变。在输入过程中,先将应力应变曲线简化成多段折线,再将关键点依次输入,如图1-2示。

图1-1多线性随动强化模型

图1-2 混凝土应力-应变曲线

1.2.2 钢筋

对于梁柱中的钢筋的本构模型采用经典的双线性随动强化模型,用两条不同斜率的直线来模拟屈服前后不同的应力―应变关系,屈服前的斜率(弹性斜率)采用钢的弹性模量,屈服后取塑性模量,如图1-3示。

图1-3 钢筋应力-应变关系

1.2.3 型钢

型钢采用多折线性等向强化模型(MISO),单轴应力―应变采用多折线型,如图1-4所示。

图1-4 型钢应力-应变关系

1.3 单元选取及网格划分

混凝土采用8节点的三维实体单元SOLID65来模拟,此单元能考虑到混凝土的带裂缝工作性能,且具有塑性变形能力,能够在三个正交方向上开裂和压碎,与实际情况较相符。

钢筋采用2节点的三维杆单元LINK8来模拟,此单元能够承受单轴拉压力,具有塑性变形能力。

型钢采用8节点的三维实体单元SOLID45来模拟,此单元可用于大变形、大应变和塑性分析。

为获得足够的计算精度,本文中三维实体都采用六面体单元划分,二维面都采用四边形单元划分。

1.4 边界条件及荷载

根据结构的实际受力特性和P-效应的影响,采用柱端加载方式,在柱顶施加轴向力和水平低周反复荷载,梁端施加竖向约束,柱脚施加X、Y、Z三向约束。

2 有限元计算结果及分析

2.1计算结果分析

本文通过改变一些参数,分别对轴压比为0.2、0.3、0.4的一组型钢混凝土试件作了有限元分析,以下仅列出轴压比为0.2的试件的分析结果。

图2-1节点型钢主应力云图

图2-2节点型钢Mises应力图

图2-3节点型钢Mises应变图

图2-4节点混凝土主应力图

图2-5节点混凝土主应变图

从图2-1中可以看出,钢梁翼缘局部主应力远超过了型钢的屈服强度,最早达到屈服,而翼缘框内型钢腹板的大部分区域都没有达到型钢的屈服强度,由图2-2和2-3可知,钢梁上下翼缘及腹板的大部分已经屈服,翼缘框内区域还处于弹性应变状态,再由图2-4和2-5可知混凝土的主应力已达到单轴极限抗压强度,应变也接近极限压应变。由此可以得出这种加载模式下,梁端首先达到屈服,试件破坏时梁端亦先出现塑性铰,我们把这种破坏模式称为梁铰型。随着轴压比的增大,可以观察到当混凝土达到极限压应变开始压碎时,钢梁上下翼缘及腹板与翼缘框内型钢腹板几乎同时达到屈服,梁端和节点核心区同时出现塑性铰,甚至先在节点核心区出现塑性铰,发生节点核心区的剪切破坏。

2.2力学性能分析

现通过滞回曲线对型钢混凝土节点受力性能作进一步的分析。对比图2-6、2-7和2-8结合以上分析可知,型钢混凝土曲线形状介于钢筋混凝土和纯钢结构之间,既有棱形性质又有反S形性质,其性质就结合了两者的一些特性,既集合了钢筋混凝土和纯钢各自的优良性质,又互补其不足,实现了结构的优化。如图示,型钢混凝土结构的滞回曲线有着较长、较为平缓的下降段,这也说明了其有着较好的延性。另外,通过滞回曲线还可以看出,相同条件下,型钢混凝土结构的承载力比之纯钢结构要大得多,但耗能能力及不上纯钢结构,不过与普通的钢筋混凝土结构相比,耗能能力又相对有了极大的提高。

图2-6纯钢节点P-滞回曲线

图2-7型钢混凝土节点P-滞回曲线

图2-8钢筋混凝土节点P-滞回曲线

3 小结与建议

节点是连接结构中梁柱构件的关键位置,一般处于压、剪、弯复合应力状态下,对核心区来说,主要承受剪力和压力。通过本文的有限元ANSYS对型钢混凝土节点进行模拟建模分析可知,在不考虑耗材的前提下,由于型钢混凝土结构的受力性能和耗能性能都比较好,有利于一些高层结构,满足优化截面、利用空间等要求。现针对型钢混凝土结构的特点,结合以上的分析,对以下几点作简要小结并提出建议,以期对今后设计工作有一定的帮助。

3.1 混凝土强度

试件开裂前,节点区混凝土起主要抗剪作用,随着荷载增加,沿节点对角线方向产生斜裂缝,形成斜压杆,由于箍筋和翼缘框的约束作用,混凝土还有一定的抗剪能力,通过计算发现,混凝土的强度对节点的开裂荷载和极限荷载有较明显的影响。随其强度的提高,滞回曲线形态趋于饱满,说明节点的耗能能力有所增强,若强度较低则裂缝出现较早且开展快,核心区混凝土应力发展快,裂缝及压碎数量都明显增多,所以混凝土的强度等级不宜低于C30,也不宜过高,否则对结构延性不利。

3.2 型钢腹板厚度

型钢腹板是型钢混凝土节点抗剪的主要因素之一,由于型钢周围混凝土对其的约束作用,在构件达到极限承载力的过程中,节点型钢一般不发生局部屈曲,始终能保证其强度的发挥。表3-1显示了不同厚度对节点抗剪性能的影响,由表可知,相同条件下,型钢混凝土节点的抗剪能力随腹板厚度的增大而提高。一般腹板厚度不宜小于6mm。

腹板厚度(mm) 柱端水平力(KN) Mises屈服应力(N/mm2) 型钢屈服强度(N/mm2)

4 247.25 316.58 315

6 265.31 334.76 315

8 289.68 348.82 315

表3-1不同腹板厚度下的屈服应力

3.3轴压比

通过ANSYS对模型进行不同轴压比的计算表明,与钢筋混凝土节点相似, 柱轴压力对型钢混凝土节点的抗裂度和极限承载力均有一定的影响。特别是轴压力对节点抗裂度的提高作用比较明显,这是因为轴压力对核心区混凝土增加了一个方向的约束,抑制了节点区裂缝的出现与开展。试验表明,开裂剪力和极限剪力随轴压比的增大而提高,大致呈线性关系。但是轴压比对型钢来说,反而使型钢的抗剪能力有所降低。当轴压比很大时,节点的破坏形态可能由梁铰型转化为节点核心区的剪切型破坏,对于弱节点还有可能发生脆性受压破坏。从滞回曲线我们也可以看出,随轴压比的增大,一定范围内承载力是有所提高,但滞回曲线下降段也越来越快,包围的面积越小,耗能能力和变形能力下降,延性系数减小。

3.4纵筋和箍筋

要保证型钢混凝土优越性能的发挥,首要前提就是要使型钢和混凝土有个非常好的整体性,尽量减少粘结滑移,这样也使有限元分析更接近实际结果,所以配置一定的纵筋和箍筋是必要的也是必须的。纵筋和箍筋不但分别用于抗弯和抗剪,还形成骨架,约束型钢之外的外包混凝土,而且还加强了对核心区混凝土的约束,能增强构件塑性铰区的变形能力和耗能能力,以确保混凝土、型钢能更好的共同工作。纵筋直径不宜小于16mm,且也不应过强,以免使结构产生较大的变形和裂缝,箍筋直径不宜小于8mm,且应做成封闭箍筋,末端设135度弯钩。

4 结束语

型钢混凝土结构的承载力、延性和耗能能力比一般的钢筋混凝土结构都有明显的改善,是今后高层建筑应用的主要结构形式之一,势必将更广泛的应用于工程实际中。目前对于这种节点的研究还不是很完善,对型钢混凝土的粘结性能、型钢对混凝土的约束作用和局部受压以及节点应力传递机制等问题尚需进一步研究。