钢筋混凝土柱-钢梁柱贯穿型节点受力性能研究.pdf
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1、第 3 9卷第 4期 2 0 1 3年 8月 四川 I 建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 9 钢筋混凝土柱一 钢梁柱贯穿型节点受力性能研究 余 琼, 闻 文, 张燕语 ( 同济大学结构工程与防灾研究所, 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要: 钢筋t 昆 凝土柱 钢梁柱贯穿型节点是钢一 混凝土组合结构的一种新型节点形式。在节点抗剪机理研究的基 础上, 提出考虑螺栓预紧力作用的柱贯穿型节点抗剪承载力计算公式, 通过已有试验对该公式进行了验证; 设计一 弱节点式模型, 利用 A N S Y S 对 5组不同参数下的节点试件进行了有
2、限元模拟, 考察了节点受力性能的影响因素, 进 一 步验证了所提出的抗剪公式的有效性。 关键词: 螺栓预紧力; 核心区剪切破坏; 剪切变形角; 节点刚度 ; 有限元 中图分类号 : T U 3 7 5 3 文献 标志码 : A 文章 编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 9一 O 6 S t u d y o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e t h r o u g h c o l u mn j o i n t o f r e i n f o r c e d c o n c
3、r e t e c o l u mn a n d s t e e l b e a m Y U Q i o n g , WE N We n , Z H A N G Y a n y u ( I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n , T o n i U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h e t h r
4、o u g h c o l u m n j o i n t o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u i n n and s t e e l b e a m i s a n i n n o v a t i v e t y p e o f j o i n t d e t a i l B ase d o n t h e s h e a r m e c h a n i s m, s h e a r s t r e n g t h c al c u l a t i o n f o r m u l a o f t h e t h r o u g h
5、c o l u mn j o i n t W as p r e s e n t e d a n d w a s v e ri fi e d b y c o m p a r i n g t h e r e s u l t s o f f o r mu l a w i t h e x p e r i me n t al r e s u l t s T h i s p a p e r d e s i g n e d n e w mo d e l s w i t h w e a k c o n n e c t i o n r e q u i r e me n t , a n d s o me p ar
6、a me t e r s a ff ect i n g t h e b e h a v i o rs o f t h e t h r o u g h c o l u m n j o i n t w e re ana l y z e d i n d e t a i l s w i t h fi v e g r o u p s o f s p e c i me n s t h rou g h fi n i t e e l e m e n t m o d e s u s i n g ANS YS Ke y w o r d s : b o l t p r e t i g h t e n i n g ;
7、 s h e a r f ai l u r e o f c o r e r e g i o n ; s h e a r d e f o rma t i o n a n g l e ; j o i n t s t i ff n e s s ; fi n i t e e l e m e n t O 引 言 钢筋混凝土柱一 钢梁( R C S ) 组合框架兼备传统 的钢结构和钢筋混凝土框架结构的优点 , 得到 了越 来越广泛的运用。我 国对 R C S组 合结构体系有一 定的研究。G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规范 和J G J 1 3 8 _2 o o 1 型钢
8、昆 凝土组合结构技术规程 分别对纯混凝土节点和型钢混凝土柱与钢粱节点的 承载力计算和构造要求作出了规定, 但缺乏钢筋 昆 凝土柱一 钢梁节点的设计计算依据。而实际加固、 改 造工程 中也经常会遇到混凝土柱与钢梁节点 , 所 以 对钢筋混凝土柱一 钢梁节点的承载能力的计算进行 深人研究具有现实意义 。 本文分析 了已有的试验成果 , 根据柱贯穿型节 点和纯混凝土节点 的相似性 , 结合现有规范 中钢筋 混凝土框架梁柱节点的抗剪承载力计算公式, 提出 考虑螺栓预紧力作用的柱贯穿型组合节点的抗剪承 收稿 日期 : 2 0 1 2 -0 4 1 9 作者简介 : 余琼( 1 9 6 8一) , 女 ,
9、 安徽庐 江人 , 副 教授 , 硕 士生 导师 主要从事钢与混凝土组合结构 、 建筑结构鉴定 、 改造 与加 固研 究。 E m a i l : y i o n g y u 2 0 0 5 1 6 3 c o rn 载力计算公式 , 并通过 已有试验对该公式进行 了验 证 。之后设计了一弱节点式模型 , 利用 A N S Y S对 5 组不同参数下的节点试 件进行 了有限元模拟 , 考察 了箍筋直径 、 核心区混凝土强度、螺栓预紧力 、 柱轴 压比、 端板厚度等因素对节点受力性能的影响 , 进一 步验证 了所提出的抗剪公式 的有效性 。 1 柱贯穿型节点水平剪力的计算 在水平地震作用下, 框
10、架柱在反弯点问的受力 简图如图 1 所示。将梁端集 中力 在柱面上产生 的弯矩等效成力偶矩 , 力大小为 , 力臂长度为 h , 则有 : b: ( 1 ) h=h bt f ( 2 ) 对 A点取矩 , 由平衡关系可得 : ( o + h 。 )= + 等 ( 3 ) : ( 4 ) 根据平衡关系 : V=N 一 ( 5 ) 联解式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 4 ) 、 ( 5 ) , 得 1 0 四川建筑科学研究 第 3 9卷 = ( 一 ) L o V b 由于 2相对于 来说很小 , 可忽略 , 所 以节 点受到的水平剪力 的计算公式为 : ( 一 1 ) L o V t,h
11、( 7 ) h 一 f y 、 式中 核心区受到的水平剪力 ; 反弯点处受到的剪力 ; b 钢梁截面高度 ; t 钢梁翼缘厚度 ; 日钢筋 混凝土柱柱头 和柱脚实 际受 力 作用点之间的距离; 梁端加载点到柱面的距离 ; 钢梁梁端的集中力。 ( a ) 反弯点间粱柱的受力简图0 3 ) 节点域受力简图 图 1 边节点核心区剪力计算简图 F i g 1 S h e a r c a l c u l a t i o n o f e x t e r i o r j o i n t S c o r e r e g i o n 2 柱贯穿型节点抗剪承载力计算 2 1 节点区混凝土的抗剪 钢筋混凝土柱一 钢
12、梁柱贯穿型节点核心 区在混 凝土未开裂前基本处于弹性状态 , 作用于核心区的 斜压力 , 主要由跨越核心区对角 的混凝土斜压柱承 担 , 这就是混凝土 的抗剪, 如图 2 ( a ) 所示。随着荷 载的增大 , 核心区沿对角线方向产生斜裂缝 , 节点进 入初裂阶段 , 随着荷载增加陆续出现第二 、 三条斜裂 缝。在核心区出现裂缝后 , 箍筋应变增加 , 箍筋拉力 与混凝土斜压力共 同承担节点剪力 , 在两条 主要裂 缝之间形成一个斜压杆 , 直至混凝土斜压杆被压坏。 I b x r一 磁 一 hc ( a ) ( b ) 图2 边节点混凝土斜压杆受力简图 Fi g 2 Co m p r e s
13、 s i o n s t r u t S f o r c e fi g u r e o f c o n c r e t e S e x t e r i o r j o i n t 混凝土斜压杆受力示意如图 2所示 , 核心 区混 凝土抗剪贡献 可用以下公式表达: v = 6 jd c o s a ( 8 ) 式中 核心区混凝土抗压强度 ; 螺栓预紧力; 6 混凝土斜压杆的等效宽度 ; O L 混凝土斜压杆与水平方向的夹角 ; c c 柱端弯矩形成的压力。 d 可表达为核心区对角线长度乘以某一比值 , 即 d= : +h ( 9 ) 式中 柱截面高度。 h b= t a n a ( 1 0 )
14、一 般情况下 , 核心区截面有效验算高度 ; 等于 柱截面高度h 。联合式( 9 ) 、 ( 1 0 ) 可得: 则核心区混凝土的抗剪贡献为: = b j h i ( 1 2 ) 其中, 为反映节点核心区中混凝土在各种约束下 的抗剪作用系数。 本文研究的柱贯穿型节点采用端板螺栓连接, 高强螺栓施加预拉力, 对核心区混凝土有约束作用, 可提高核心区混凝土的抗剪能力 , 故引人系数 7 7 考 虑高强螺栓预拉力对节点核心区混凝土抗剪的有利 作用。这在文献 3 中也有所提及。 文献 1 3 试验表明在一定范围内, 钢筋混凝 土框架梁柱节点核心 区混凝土抗剪强度随轴向压力 的增加而增加 。参考 G B
15、 J 1 0 -1 9 8 9 混凝土结构设 计规范 及文献 4 -5 提出的钢筋混凝土框架梁柱 节点抗剪承载力计算公式, 轴压比项系数为0 1 。 参考 G B 5 0 0 1 l -2 0 1 0 建筑抗震设计规范 附 录 D和G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 凝土结构设计规范 , 钢 筋 混 凝 土 框 架 梁 柱 节 点 混 凝 土 部 分 的受 力 为 1 1 叼 6 i h i , 近似取 =0 , 本文柱贯穿型节点计 算公式中混凝土项为 0 1 1 叼 b j h j 。 考虑高强螺栓预紧力和柱轴压力作用对节点核 心区混凝土抗剪的有利作用, 柱贯穿型节点抗剪承 载
16、力计算公式中的混凝土项为: = ( 0 1 1+0 1 n ) Lb j h j b =7 7 j ( 0 1 6 j h j +0 I N ) ( 1 3 ) U c 式 中 n柱的轴压比; 叼 i 正交梁对节点的约束影响系数: 取值 参考 G B 5 0 0 1 1 _2 0 1 O 建筑抗震设计 规范 附录D; 7 7 考虑高强螺栓预拉力对节点域混凝土 的约束作用 的影响系数 , 即 2 0 1 3 N o 4 余琼 , 等: 钢筋混凝土柱一 钢梁柱贯穿型节点受力性能研究 叼 7 7 j ( 1+ ) ( 1 4 ) 其中, b 为框架节点核心区截面有效验算宽度, 取值 参考 G B 5
17、 0 0 1 1 _2 O l O 建筑抗震设计规范 附录 D; h ; 为核心区的截面有效验算高度 , 可取为框架柱截 面高度 ; 式 ( 1 3 ) 中 为对应于组合剪力设计值的上 柱组合轴向压力较小值, 其取值不应大于柱的截面 面积与混凝土轴心抗压强度设计值的乘积的 5 0 , 当 J 7v为拉力时, 取 0; 6 为混凝 土柱 的截 面宽度 ; , z b 为节点域高强螺栓个数 ; P为高强螺栓预拉力。 2 2 节点区箍筋的抗剪 随着荷载的反复增加 , 梁纵筋屈服 , 核心区混凝 土出现多条平行于对角线 的通长裂缝 , 箍筋应力不 断增大 , 陆续达到屈服。此时, 作用于核心区的剪力
18、主要通过梁纵筋与核心区混凝土之间的粘结力来传 递 , 由核心区混凝土与箍筋共同承担 , 形成以横向箍 筋为水平拉杆 , 柱纵 向钢筋 为竖 向拉 杆 ( 或 由轴压 力平衡) , 斜 裂缝间 的混凝 土为斜 向压杆 的桁架机 构。节点区箍筋在试件屈服后变形较大时开始充分 发挥作用。参考 G B 5 0 0 1 l _2 0 l O 建筑抗震设计规 范 附录 D和 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( 混凝土结构设计规 范, 柱贯穿 型节 点抗剪承载力计算公式 中的箍筋 项为: A = ( h 一t f ) ( 1 5 ) 式中 核心区箍筋抗拉强度 ; A 。 核心区有效验算宽度范围
19、内同一截面 验算方向箍筋各肢截面总面积 ; s 核心区箍筋间距。 综上所 述 , 建议 柱贯穿型节点 的抗剪承载力计 算公式为: L 7 7 : ( 0 1 l f c b j h j + 0 1 o j )+ ( b t f ) 嘉 握 重 超 3 节点核心区抗剪承载力计 算值 与 试验值对 比分析 本文提出的计算公式适用于端板螺栓连接钢筋 混凝土柱一 钢梁边柱节点 , 运用其计算 已有试验 试件的抗剪承载力 , 计算与试验结果对 比见表 l 。 表 1 各试验试件抗剪承载力试验值与计算值对比 Ta b l e 1 Te s t v a l u e a n d c a l c u l a t
20、 i o n v alu e S c o mp a r i s o n o f c o mp o n e n t S s h e a r s t r e n g t h 由表 1可见 : 试件按公式 ( 1 6 ) 计算 的抗剪承载 力较试验值大。因本文收集的试验试件节点域都较 强 , 核心区虽出现交叉斜裂缝 , 但最终破坏形式是梁 铰破坏 , 螺 栓、 端板断裂 , 而非核心区的剪切破坏 。 若加强以上部位 , 不发生试件破坏 , 随着荷载增加, 发生核心区剪切破坏 , 那么核心区抗剪承载力会提 高 ; 对于试验 4中节点 C E J 3由于配箍率很大 , 节点 域非常强 , 较早发生了螺栓
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