插入式鋼次梁節(jié)點試驗與有限元分析

余江滔，廖杰洪，陸洲導(dǎo)，周運瑜

（1.同濟大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092；2.上海萬科房地產(chǎn)有限公司，上海200092）

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑需求復(fù)雜多樣，建筑工業(yè)也得到迅猛發(fā)展，鋼 混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和運用日益廣泛［1］。目前鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究和運用主要有如下幾個方面：組合樓蓋［2］、組合梁［3－4］、組合柱［5－6］、組合節(jié)點［7］。目前鋼混凝土組合節(jié)點的研究比較成熟的是鋼梁 鋼筋混凝土柱節(jié)點，這種方法具有可以加快施工進度，降低成本，并可以增加功能空間等優(yōu)點，這種節(jié)點方式美國學(xué)者Scheikh等在20世紀80年代已提出了設(shè)計模型［8］，目前在美國和日本已有成熟規(guī)范和標準［9－10］。中國中南大學(xué)［11］、湖南大學(xué)［12］、清華大學(xué)［13］、東南大學(xué)［14］等也對該結(jié)構(gòu)形式進行了，應(yīng)變、延性、滯回曲線、破壞形態(tài)等力學(xué)性能的研究。

近年火力發(fā)電廠引入了一種新型鋼 混凝土組合結(jié)構(gòu)，即將鋼梁直接插入混凝土主梁作為次梁承擔荷載。該方法可減少支模，施工方便，速度快，得到施工單位青睞。楊清發(fā)等對該節(jié)點懸挑形式進行了試驗研究［15］。目前該結(jié)構(gòu)形式尚沒有進行系統(tǒng)的研究，更沒有將該結(jié)構(gòu)形式納入相關(guān)規(guī)范或設(shè)計手冊中。為了研究該節(jié)點的破壞機理及其受力性能，對該結(jié)構(gòu)形式進行了靜力試驗并進行有限元模擬分析，為該結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計提供參考。

1 試驗概況

試驗基于某實際工程，采用1∶2縮尺模型，試驗?zāi)Ｐ蜑閺臉敲娼Y(jié)構(gòu)中截取一根鋼梁結(jié)構(gòu)作為研究對象，包括：混凝土框架主梁、型鋼次梁及其上方樓板。

框架梁兩端整澆混凝土墩，通過錨栓將混凝土墩固定在試驗臺座上，保證混凝土框架梁兩端為固定支座；為了模擬實際情況，在鋼梁頂部澆筑混凝土板。

1.1 試件參數(shù)

試件以不同梁高分為兩組，編號SJ1、SJ2，如圖1所示。混凝土梁尺寸、配筋情況如表1所示，鋼梁尺寸為H400×220×10×12，端部縮進，翼緣寬度變?yōu)?00mm，以便于插入混凝土梁內(nèi)，插入深度為140mm。試件SJ1、SJ2兩端鋼梁腹板插入部分鉆有3個孔，孔中穿過10腰筋；試件SJ1、SJ2一側(cè)焊有214錨筋，以便研究錨筋對節(jié)點影響。試件混凝土等級采用C30，鋼材采用HPB335。

表1 試件配筋表

圖1 SJ1、SJ2試件構(gòu)造圖

1.2 加載裝置和加載制度

試驗采用反力架、液壓千斤頂對模型進行加載，加載如圖2所示。加載制度為：每個千斤頂每級荷載20kN，持荷5min，當出現(xiàn)裂縫后，荷載為10kN／級。本試驗為破壞性試驗，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》（GB 50152－92）極限承載力極限狀態(tài)的判定加載至跨中撓度為100mm（1／50跨長）或鋼筋、鋼梁某一應(yīng)變達到0.01，受拉主鋼筋處最大垂直裂縫寬度達到1.5mm即停止試驗。

1.3 測試內(nèi)容

試驗對試驗過程中鋼梁及混凝土主梁跨中撓度，鋼梁跨中上下翼緣應(yīng)變，端部上下翼緣應(yīng)變，鋼梁上下翼緣與混凝土主梁的相對滑移，混凝土梁跨 中上下端應(yīng)變，鋼筋應(yīng)變等進行了測試。

圖2 加載示意圖

2 主要試驗結(jié)果

2.1 裂縫的開展

SJ1：當加完第1級荷載（20kN）時，樓板與混凝土梁連接處即出現(xiàn)細微裂縫，混凝土板力作用點板底出現(xiàn)細微裂縫，板面正中出現(xiàn)沿鋼梁方向細微裂縫。當荷載P加到30kN時，混凝土梁上端出現(xiàn)細微斜裂縫，P加載到200kN時，混凝土梁斜裂縫延伸至梁底，P加載到250kN時，主梁跨中底部出現(xiàn)豎向彎曲裂縫，至P加載到440kN時混凝土主梁內(nèi)側(cè)面斜向裂縫寬度大于1.5mm，停止試驗。

SJ2：第1級荷載后樓板與混凝土梁連接處即出現(xiàn)細微裂縫。當加載至200kN時，SJ2混凝土梁內(nèi)側(cè)面出現(xiàn)斜向裂縫；當加載至220kN時，混凝土梁底面出現(xiàn)彎曲裂縫，混凝土梁斜向裂縫增多；當加載至280kN時，混凝土梁側(cè)面斜向裂縫延伸至梁底；當加載至340kN時，鋼次梁與混凝土梁連接處部分裂縫較大，混凝土出現(xiàn)脫落；當加載至540kN時，鋼梁應(yīng)變較大，鋼次梁轉(zhuǎn)角過大，鋼次梁受彎破壞。

試驗中未發(fā)現(xiàn)有錨筋端和無錨筋端有明顯差別。

2.2 破壞狀態(tài)

試件的破壞形態(tài)可能主要存在如下幾種情況：I型，混凝土梁剪切破壞，當混凝土高較小時可能發(fā)生，破壞時發(fā)生節(jié)點部分混凝土主梁發(fā)生較大的八字形斜裂縫，箍筋屈服；II型，鋼梁的受彎破壞，當混凝土梁高較大時可能發(fā)生，破壞時節(jié)點鋼梁發(fā)生較大轉(zhuǎn)動，跨中撓度較大，鋼梁屈服，變形過大或失穩(wěn)破壞。典型破壞狀態(tài)如圖3所示。

2.3 跨中撓度 荷載曲線

試件SJ1、SJ2跨中荷載位移曲線如圖5所示。SJ1撓度相對較大主要是由于節(jié)點破壞的原因，由于混凝土主梁剪切和扭轉(zhuǎn)造成節(jié)點的轉(zhuǎn)動和豎向位移的增加，導(dǎo)致SJ1節(jié)點的承載力的降低和剛度的減小。

圖3 典型破壞狀態(tài)

2.4 主要試驗結(jié)果

該試驗主要結(jié)果如表2所示，文中所有表格和圖形荷載皆表示加載裝置中1個千斤頂?shù)暮奢d，即圖2中的荷載P。其中屈服荷載由跨中荷載 位移曲線的“走平段”來判斷，承載能力極限荷載為鋼次梁撓度達到100mm（L／50）、鋼次梁或鋼筋應(yīng)變達到0.01或受拉主鋼筋處最大垂直裂縫寬度達到1.5mm中的較小值；正常使用極限荷載根據(jù)《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JGJ 138－2010）（J130－2010）征求意見稿組合梁變形要求，取鋼次梁撓度達25mm（L／200）時的荷載。由表2可知，SJ2力學(xué)性能優(yōu)于SJ1力學(xué)性能。

表2 主要試驗結(jié)果

3 有限元分析模型

采用通用有限元軟件ABAQUS來模擬試件的力學(xué)性能。

3.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

有限元分析材性特性采用試驗結(jié)果，鋼梁彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，屈服強度采取350MPa，極限強度380MPa。鋼筋彈性模量取1.90×105MPa，泊松比取0.3，屈服強度采取352MPa，極限強度380MPa?；炷脸跏紡椥阅Ａ坎扇?.35×104MPa，混凝土的極限抗壓強度21.5MPa，泊松比取0.1667。建模時鋼材采用雙斜線模型，鋼筋采用兩節(jié)點線性三維桁架單元（T3D2），鋼梁和混凝土采用八節(jié)點減縮積分單元格式的三維實體單元（C3D8R），其非線性性質(zhì)采用ABAQUS中的Concrete Plastic Damage模型進行模擬，該模型基于拉壓各向同性塑性的連續(xù)性損傷模型，可較好表達混凝土的非線性。

3.2 鋼材與混凝土的接觸

鋼筋采用桁架單元，用ABAQUS中的Interaction中的embed方式處理。本文模擬的關(guān)鍵在于處理型鋼和混凝土之間的粘結(jié)滑移。對于型鋼與混凝土的粘結(jié)滑移，已有的研究多采取彈簧單元模擬兩者之間的非線性關(guān)系［16－17］。由于型鋼與混凝土的粘結(jié)滑移主要有化學(xué)粘結(jié)力，摩擦力，機械咬合力組成，在型鋼與混凝土相互作用前期主要是化學(xué)粘結(jié)力作用，后期摩擦力和機械咬合力將作為主要的部分。考慮到摩擦力與型鋼與混凝土之間的接觸和壓力有直接的關(guān)系，因此本文采用ABAQUS中的接觸模型來考慮兩者之間的法向應(yīng)力與切向摩擦力。本文利用摩擦中的罰函數(shù)來模擬型鋼與混凝土的相互作用。

3.3 抗剪鍵的設(shè)置

利用彈簧單元模擬抗剪鍵。在試驗中靠近鋼梁端部，鋼梁與其上的混凝土板脫開，故抗剪鍵的模擬包括2個方向，抗剪鍵的軸線和切向。

3.4 模型的建立

為便于快速計算采取1／4模型，為方便接觸分析，鋼梁與混凝土網(wǎng)格劃分一致，整體模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

3.5 與試驗的對比

以跨中荷載 撓度曲線為主要控制對象，試驗值與計算值對比如圖5所示。

圖5 SJ1、SJ2跨中荷載 位移曲線的試驗與模擬對比

圖6 SJ2鋼梁端部上翼緣與混凝土主梁的相對滑移

SJ2的破壞特點之一為節(jié)點區(qū)鋼梁與混凝土之間的明顯的滑移。有限元模型通過在ABAQUS中設(shè)置接觸與摩擦來模擬這種情況。鋼梁端部上翼緣與混凝土主梁的相對滑移的試驗與模擬數(shù)據(jù)如圖6所示。如圖5和圖6所示，試驗構(gòu)件的跨中撓度、節(jié)點區(qū)的端部轉(zhuǎn)角的模擬值和計算值均比較接近，表明有限元模型是可信的。

4 有限元參數(shù)分析

4.1 混凝土梁高的影響

在試驗中SJ1、SJ2破壞狀態(tài)分別為混凝土主梁剪切破壞和鋼梁受彎破壞。為了模擬2種破壞狀態(tài)的臨界值，模擬混凝土梁高為600、700、800、900mm 4種工況。模擬荷載 跨中位移曲線如圖7所示。

圖7 不同梁高跨中荷載 位移曲線

從圖7中可以看到2種破壞狀態(tài)的臨界值介于600～700mm之間，當混凝土梁高大于700mm時梁高對結(jié)構(gòu)性能影響不大。

4.2 抗剪鍵的影響

模擬抗剪鍵直徑為12、16mm及無抗剪鍵工況，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，抗剪鍵對結(jié)構(gòu)影響較明顯，建議在設(shè)計中采用16及以上的鋼筋作為抗剪鍵。

圖8 不同抗剪鍵跨中荷載 位移載曲線

4.3 樓板厚度的影響

為模擬樓板對結(jié)構(gòu)的影響，模擬了板厚為80、40mm及無板3種工況，結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明板厚對該結(jié)構(gòu)的影響較大。在有抗剪鍵的情況下，樓板與型鋼次梁整體工作，對結(jié)構(gòu)整體承載力影響很大。

圖9 不同板厚跨中荷載 位移曲線

4.4 錨筋影響

為模擬錨筋的影響，模擬了錨筋直徑14、12、8mm及無錨筋4種工況，結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明錨筋對結(jié)構(gòu)的靜力性能影響不大。錨筋的鏈接位置位于鋼梁中部對抗彎約束不大，其次錨筋的受力方向與鋼梁應(yīng)力方向垂直，難以發(fā)揮作用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中建議不必考慮錨筋的作用，僅作為構(gòu)造措施。

圖10 不同錨筋跨中荷載 位移曲線

圖11 不同端部翼緣寬度跨中撓度 荷載曲線

4.5 插入端翼緣寬度的影響

插入端寬度對梁承載力影響如圖11所示，結(jié)果表明端部寬度對梁承載力有一定影響，并沒有出現(xiàn)明顯規(guī)律，其原因一方面當插入端尺寸較大時能增加接觸面積，另一方面由于插入端尺寸較大時可能導(dǎo)致混凝土梁出現(xiàn)薄弱部位易于開裂。為便于箍筋的布置，建議實際工程中采用縮進的端部。

5 結(jié) 論

對一種新型組合結(jié)構(gòu)節(jié)點，即型鋼直接插入混凝土框架梁中的鋼次梁節(jié)點進行了試驗研究，并利用有限元軟件對其進行了參數(shù)分析，可得出如下結(jié)論：

1）試驗表明，該結(jié)構(gòu)形式主要破壞形式有如下兩種：發(fā)生在混凝土主梁上的剪切破壞及鋼次梁受彎破壞。

2）SJ1、SJ2鋼次梁端部鋼梁的約束彎矩都大約為60kN·m，但從破壞狀態(tài)、極限荷載等方面來看SJ2力學(xué)性能明顯優(yōu)于SJ1力學(xué)性能。

3）模擬值與試驗值的對比表明，筆者采取的模擬方法能較好地反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀況。

4）用有限元對該結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析表明：a）混凝土梁高較小時發(fā)生I型破壞，梁高較大時發(fā)生II型破壞，當發(fā)生II型破壞時混凝土梁高對其性能影響不大；b）抗剪鍵和樓板厚度對節(jié)點的力學(xué)性能影響較大，抗剪鍵和樓板能較明顯地提高構(gòu)件承載力；c）鋼梁端部的垂直錨筋對節(jié)點力學(xué)性能影響不明顯，建議作為構(gòu)造措施考慮；d）鋼次梁端部翼緣寬度為結(jié)構(gòu)承載力有一定的影響。

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