纤维增强混凝土梁柱节点受剪承载力计算模型.pdf
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1、第 3 6卷 第 3 期 2 0 1 4年 6月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 6 N o 3 J u n 2 0 1 4 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 4 0 3 0 1 6 纤维增强混凝土梁柱节点受剪承载力计算模型 王英俊 , 梁兴文 , 李方 圆, 王 海 ( 西安建筑科技 大学 土木工程 学院,
2、西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘 要: 普通混凝土梁柱节点由于节点 区配箍率大、 钢筋拥挤 而施工不便 。纤维增强混凝土材料 ( F R C) 开裂 后具 有较 强的桥接 能 力 因而抗 拉 性 能 较好 , 可 以替代 部 分或 全部 箍 筋。基 于前人 对钢 筋混凝 土 梁柱 节点 抗 力机制 的研 究 , 提 出 了节 点核 心 区采 用 F R C材 料 节点 的计 算 模 型 , 即斜 压 杆 机制和软化桁架机制承担的水平剪力按一定比例组合的计算模型。将该计算模型节点受剪承载力 计 算值 与试 验 值进 行 比较 , 结果 表 明 : 对低 轴压 比的试 件 , 稍 有 保 守
3、, 对 高轴 压 比 的试 件 , 二 者 吻合 较好。基于该计算模 型的节点受剪承载力计算方法既可以进行节点核心区受剪承载力计算, 还 可 以分 别验 算 节点核 心 区 F R C抗压 强度 和 水平 配箍 率是 否满足 设 计要 求 , 具 有较好 的 实用性 。 关 键 词 : 梁柱 节点 ; 纤 维增 强混 凝土 ; 斜压 杆机 制 ; 软化 桁 架机制 中图分 类 号 : TU3 7 5 4 文献 标 志码 : A 文章 编号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 9 9 0 7 An a l y s i s o f Fi b e r Re n
4、 f o r c e d Co n c r e t e Be a m Co l u mn J o i n t s M o d e l Wa n g Y i n g j u n,L i a n g Xi n g we n,L i F a n g y u a n,Wa n g H a i ( S c h o o l o f Ci v i l En g i me r i n g,Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e& Te c h n o l o g y ,Xi a n 7 1 0 0 5 5 ,PRCh i n a ) Ab s
5、t r a c t :Du e t o t h e l a r g e s t i r r u p r a t i o a n d r e i n f o r c e me n t c o n g e s t i n b e a m c o l u mn j o i n t s ,t h e o r d i n a r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m c o l u mn j o i n t s t a k e i n c o n v e n i e n c e t o c o n s t r u c t i o n Cr a c k
6、 e d f i b e r r e n f o r c e d c o n c r e t e ( FRC) ha s s t r o n g b r i dg e a b i l i t y a nd be t t e r t e ns i l e p e r f o r ma nc e S O t h a t i t c a n r e p l a c e pa r t o r a l l of t h e s t i r r u ps Ba s e d on p r e v i ou s r e s e a r c h e s o n r e s i s t a nc e m e c
7、h a ni s m o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e i o i n t s,a n e w m o d e l us i ng FRC ma t e r i a l s i n t he c o r e z on e of b e a m c o l um n i oi nt s i S p r e s e nt e d I t i S a ki n d o f mod e l i n whi c h h or i z o nt a l s he a r s upp o r t e d by t he di a go na l s t r ut
8、me c ha n i s m a n d s o f t e ni n g t r us s m e c h a ni s m wi t h a c e r t a i n p e r c e n t a g e Th e c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h e mo d e l i s c o mp a r e d wi t h t h e e x i s t i n g t e s t r e s u l t s I t i s a b i t c o ns e r v a t i ve t o s p e c i m e ns wi
9、t h l o w a x i a l l o a d r a t i o H o we v e r ,t he r e s ul t s a r e i n l i ne wi t h t h e s p e c i me ns wi t h h i g h a x i a l l o a d r a t i o Th e r e f o r e ,t h e r e s u l t s t o t a l l y d e mo n s t r a t e t h e r a t i o n a l i t y o f t h e p r o p o s e d mo d e l i n t
10、 h i s p a p e r Me a n wh i l e ,a c c o r d i n g t o t h e p r o p o s e d mo d e l ,t h e s h e a r c a p a c i t y o f b e a m c o l u mn j o i n t s c a n b e n o t o n l y c a l c u l a t e d,i t a l s o c h e c k wh e t h e r FRC c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c o r e z o n e o f j
11、 o i n t s a n d h o r i z o n t a l s t i r r up r a t i o m e e t s d e s i gn r e q ui r e m e n t s,whi c h h a s a hi g he r pr a c t i c a bi l i t y Ke y wo r d s : b e a m c o l u mn j o i n t s ;h i g h p e r f o r ma n c e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e( FRC) ;t h e d i a g
12、o n a l s t r u t m e c ha n i s m ;t h e s o f t e ni n g t r u s s me c ha n i s m 在框架及框架 剪力墙结构 中, 梁柱节点是保证 结构整体稳定性和承载1 1 1 1 的重要部位 , 其破坏类 型影 响整栋建筑物 的抗震 性能, 一般设计 为“ 强节 点 , 弱构件” 使其满足抗震要求。梁柱节点应变分布 不符合贝努利平 面应变分布假 定, 内部应力分布复 杂且 出现应 力集 中现 象 , 许 多学 者对 此进 行 了研 究 , 收稿 日期 : 2 0 1 3 - 0 3 0 7 基金 项 目: 国家 自然科学
13、 基金 ( 8 1 2 7 8 4 0 2 、 5 1 0 7 8 3 0 5 ) , 长江学者 和创新 团队发 展计 划( P C S I R T) 作者 简介 : 王英俊 ( 1 9 8 3 一 ) , 女 , 博 士生 , 主要从事超 限复杂 高层 建筑结构 研究 , ( E ma i l ) y i n g z i k d 1 2 6 c o rn; 梁兴文 ( 通信作者) , 男 , 教授 , 博士生导 师 , ( E ma i l ) l i a n g x i n g w e n 2 0 0 0 1 6 3 c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o
14、 m 1 O O 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 6 卷 如美国和 日本采用混凝土斜压杆机制预测节点的剪 切强 度 ; 新 西兰 采 用 斜压 杆 机 制 和 桁 架 机 制 进行 预 测 ; C h o i 和 L e e l 1 在新 西兰 规范 的基 础 上 , 考虑 了混 凝土 的软 化效 应 对 节点 进 行 分 析 ; 中 国学 者 采 用 软 化拉一 压 杆 模 型 对 节 点 受 剪 承 载 力 进 行 了一 些 研 究 。 采用普通混凝土仍然克服不了节点核心区配箍 率 大的缺 点 , 一 些 学 者 寻 找 可 替代 的材 料 解 决 此 问 题 。纤维增强 昆
15、凝土材料( F R C) I 胡克服了普通混凝 土材料在拉伸荷载下的软化性能 , 呈现 出类似于金 属 材料 的准应 变 硬 化 特 征 , 具 有优 良的韧 性 和高 能 量吸收能力 , 已经应用在桥面修补、 堤坝加 固、 结构 潜 在 的塑性 铰 区( 连梁端 部 和剪力 墙底 部 等 ) 和受 弯 构件的受拉区, 均取得 良好 的效果 。试验研究 5 。 表 明: F R C用在节点区 , 可 以部分取代 或完全取代箍 筋 的抗 剪作 用 , 减 少箍 筋 的拥挤 现象 , 对 节点 的延性 和耗能能力都有极大 的提高, 且具有 良好 的社会经 济效益 。基 于 F RC优 良的性 能
16、, 本 文提 出 了一 种在 节点核心区及梁 、 柱端部采用 F R C材料新型节点的 节点受剪承载力计算模型 , 即将斜压杆机制和软化 桁架机制对节点受剪承载力的贡献按一定 比例进行 组合 的计算 模 型 。 1 梁柱节点核心 区受力分析 在地震作用下 , 梁柱节 点核心 区周 围受到来 自 梁端、 柱端弯矩 、 剪力和轴力 的共 同作用 , 受力状态 如 图 1所示 。在 此 受 力状 态 下 , 节 点 核 心 区一 个 对 角线方向受拉 , 另一个对角线方向受压 , 形成一个斜 压杆受力机制, 如 图 2所示 。当作用外力较小时, 节 点及梁 、 柱端部均处于弹性阶段 , 钢筋基本上未
17、受力 或受力 较 小 , 外 部传来 的荷 载基 本 上 由 F RC组 成 的 斜压 杆机 制承 担 ; 随 着 外 力 逐渐 增 大 , 由梁柱 纵筋 、 箍筋及 节 点剪力 形成 的软 化桁 架机 制 开始 承担 一 部 分外力 作 用 , 由于梁 纵筋 的屈 服渗 透 和粘 结退 化 , 二 者分 担 的 剪 力 可 能 会 随 荷 载 增 大 而 发 生 一 些 变 化 , 当其 中一部分抗力不能满足要求时 , 节点将发 生破 坏 。 2 梁柱节点抗剪机制分析 根 据 圣 维 南 原 理 , 梁 柱 节 点 区应 属 于 D 区 ( 应变 分布 不 符合 线 性 分 布 的 区域 )
18、 , 此 区 域应 力传 力机制十分复杂 , 一般简化为斜压杆机制、 软化桁架 机制及 2 种机制 的综合 3种形式。笔者采用 2种机 制的综合形式 , 将 2种机制按 照一定 的比例进行组 合建立计算模型。 图 1节点受到的外 力 I - l 节点 如 图 2 节 点区受力分 析 2 1 基 本假 定 由于节 点核 心 区受 力复 杂 , 为 了便 于分 析 , 需做 如下假 定 : 1 ) 与节 点相 邻 的梁或柱 对节 点 核心 区产 生 压 力 的合力 由 F RC斜 压 杆 机 制 承担 。斜 压 杆 机 制 是 利 用节点 核 心 区对 角 线 上 F R C形 成 的 斜 压杆
19、来 抵抗 外部压力而形成的机制 , 根据轴压 比及外荷载的不 同 , 斜 压杆 受 压 区范 围 的大 小 也 不 同 。经 过 对 节 点 核心区混凝土斜压杆机制的研究| 0 , 节点 内斜压杆 机制存在 主压杆、 次压杆 、 竖 向压 杆和水平 压杆机 制 , 如 图 3所 示 。主 压 杆 机 制在 整个 受 力 机 制 中 占 绝大部分, 其他机制所 占份量较少 , 可以忽略不计 , 因此 , 对 斜压 杆机 制进行 简 化 , 简 化后 的受力 机 制如 图 4所示 。 2 ) 通 过 节 点 区 的梁 、 柱 纵 筋 的 拉 力 、 压 力 、 F R C 拉力以及节点剪力均 由软
20、化桁架 机制承担 , 节点剪 力的其余部分由水平箍筋和 F RC拉力承担 , 只承受 剪应 力 , 不 承受 正 应力 , 如 图 5所 示 。 由于 P VA 纤 维具有较强的桥接能力, F R C开裂后仍 能承受一定 的荷 载 , 裂 缝 开裂模 式 为多重 裂纹 的稳 态 开裂 , 且 拉 伸时出现准应变硬化现象 , 在结构 中具有一定 的抗 拉 能力l_ 4 , 当其 达 到 极 限 拉 应 变 时 , F R C 拉 杆 退 出 工 作 。在进行 各 杆件 变形 分 析 时 , 可 将结 点视 为 一 个 理想 铰 , 忽略其 尺寸 效应 。 学兔兔 w w w .x u e t u
21、 t u .c o m 第3 期 王英俊 , 等 : 纤维增强混凝土梁柱节点受剪承载力计算模型 1 O 1 图 3简化前斜压杆模 型 图 4简化后斜压杆模 型 3 ) 节 点核 心 区 的压 力 由斜 压 杆 内 的 F RC压 力 和桁架机制 内 F RC的压 力组成 , 考 虑轴压 比的影 响, 二者按一定 的比例组合 , 使其 只承受压力 , 不承 受 剪 力 。 4 ) 假定钢筋与 F R C粘结 良好 , 忽略纵筋的销栓 作用。节点 内斜 向压力 由桁架机制和斜压杆机制共 同承 担 , 假 设 F R C与钢 筋之 问有 良好 的协 调变 形 能 力 , 故 不考 虑 钢 筋 与 F
22、 RC之 间 的 相 对 滑 移 和 F R C 收缩、 徐变的影响 ; 假定作月 _j 在软化桁架机制和斜压 杆机制截面上的拉应力和压应力为均匀分布。 5 ) 在桁 架机 制 中 , F RC主压 应 力 方 向与 斜 裂缝 的方 向是一 致 的 , 且 方 向角 不变 。 2 2基本 方 程的建 立 1 ) 斜压 杆 机 制 承 担 的水 平 剪 力 V 按 式 ( 1 ) 计 算 。 V h一 口 d ( 6 a ) C OS ( 1 ) 式中: ff d 为斜压杆内 F R C的主压应力; a为斜压杆与 水平轴的角度, 取为aa r c t a n ( a ), h 、 h 分别为 梁
23、截面和柱截面高度; 为节点水平截面 的有效宽 度 , 按 规 范口 。 。 取 值 ; a 为 斜 压 杆 的宽 度 , 取 为 n 一 n +a ; a 为梁截面的受压区高度, 由于达到极限 荷载时, 梁截面受压区高度 因中和轴的上移而不断减 小 , 为了计算简便 , 取为 h 5 为柱截面受压区 B ,一 一f ( b) ( c) 图 5梁柱 节点 软化桁 架模型应 力 高度 , 按式( 2 ) 取值 】 。 a 一 ( 0 2 5+ 0 8 5 n) h ( 2 ) r 式中: 为柱的轴压比, 一 ; -厂 为F R C的 抗压 n c 强 度 ; A 为柱 截 面 的总面积 。 为了安
24、全起见 , 本文将斜压杆宽度 a 偏保守地 取 柱截 面受 压 区高度 a 。 2 ) 桁架机制承担的水平剪力 V 隔离体 A B DE 的应力分布如图 5 ( b ) 所示, 由平 衡 条件 得 s i n d+ + f 一 0 ( 3 ) t s i n C O S + z 一 0 ( 4 ) 隔离体 A B c的应力分布如图 5 ( c ) 所示 , 由平 衡条件得 t C O S a+ 口 + p f 一 0 ( 5 ) t C O S s i n a+ r = = =0 ( 6 ) 式中: 为桁架机制在节点核心区斜压杆 中产生的 压应力 ; 、 分别为节点核心区 t 方向和z 方向的
25、 F R C拉 应力 , MP a ; 为 作用 于节点 的剪 应力 ; 、 分别 为节 点核 心 区 方 向和 z 方 向的 钢筋 面积 配筋 率 ; f 、 _厂 f 分别为节点核心区 t 方向和 z 方 向的钢筋 抗拉强度 。 由式 ( 3 ) ( 6 ) 可得 一 f 卜r t a n 口 P f一 一 ( 7 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 6卷 D, 一 二 坠 ( 8 ) 一 一 6 l r 一 一 t C OS 口s i na ( 9 ) 由式 ( 7 ) 、 ( 8 ) 可分别求得 t
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