型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)受力性能分析

薛 偉

(山西四建集團(tuán)有限公司，山西太原 030012)

0 引言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)槠漭^好的延展性能及剛度大、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在地震多發(fā)區(qū)的高層建筑中被廣泛的使用。而型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的結(jié)構(gòu)形式為梁—柱結(jié)構(gòu)，在型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域，材料性能、截面形式均發(fā)生突變，承受荷載集中，成為整個(gè)構(gòu)建的安全性能關(guān)鍵區(qū)域。因此，分析節(jié)點(diǎn)區(qū)域荷載分布規(guī)律、破壞形式，為型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)是非常關(guān)鍵的。但是由于節(jié)點(diǎn)處受力情況及多種材料性能的復(fù)雜性，僅憑實(shí)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式等手段并不能對(duì)其性能完全了解。有限元非線性分析方法，可以對(duì)多種節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行靜、動(dòng)荷載分析，得出其非線性性能，進(jìn)一步為不同形式型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 型鋼混凝土有限元理論

1.1 非線性問(wèn)題的分析方法

通過(guò)非線性求解是把單一荷載分解細(xì)分為若干步的遞增系列荷載，當(dāng)某一步荷載增量解出后，對(duì)剛度矩陣進(jìn)行調(diào)整然后繼續(xù)計(jì)算下一步增量，最終準(zhǔn)確得出節(jié)點(diǎn)剛度非線性變化。需要對(duì)純粹增量計(jì)算加以修正，方可得出較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。ANSYS軟件通過(guò)對(duì)線性近似附加校正得出節(jié)點(diǎn)的非線性變化。純粹增量式解和牛頓—拉弗遜迭代求解示意圖見圖1，圖2。

圖1 純粹增量式解

圖2 牛頓—拉弗遜迭代求解

1.2 節(jié)點(diǎn)模型單元類型

1)節(jié)點(diǎn)混凝土單元類型。

通過(guò)8節(jié)點(diǎn)實(shí)體65單元模型來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)混凝土進(jìn)行模擬，釋放節(jié)點(diǎn)沿x，y，z三方向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度。

2)節(jié)點(diǎn)型鋼單元類型。

通過(guò)4節(jié)點(diǎn)殼體43單元模型來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)型鋼進(jìn)行模擬，釋放節(jié)點(diǎn)沿x，y，z三方向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度。

2 型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)模型分析

型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型設(shè)計(jì)。

按照不同梁、柱形式設(shè)計(jì)多種型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)，梁截面參數(shù)及配筋形式見表1，柱截面參數(shù)及配筋形式見表2。

表1 梁截面參數(shù)及配筋形式 mm

表2 柱截面參數(shù)及配筋形式 mm

型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)模型的材料性能見表3。

表3 材料性能

在地震災(zāi)害中，各式節(jié)點(diǎn)均是遭受剪切荷載而發(fā)生破壞，將構(gòu)件的抗剪能力作為節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵承載力。型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)中實(shí)腹式型鋼主要承受拉壓荷載，并進(jìn)一步減小混凝土斜壓縮應(yīng)變，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限形態(tài)之前均可以確保腹板的屈服。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土約束腹板使其在節(jié)點(diǎn)到達(dá)極限形態(tài)前不會(huì)發(fā)生局部屈曲，有助于提升構(gòu)件的抗剪能力，并進(jìn)一步提升節(jié)點(diǎn)的極限承載力。因?yàn)榧尤肓诵弯摳拱?，型鋼混凝土梁—柱?jié)點(diǎn)相較于同等強(qiáng)度的鋼筋混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)，初裂強(qiáng)度得到了提高。

在型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)中，一部分軸向荷載以及彎矩、剪力由型鋼承擔(dān)。型鋼腹板承受剪力，等同于柱構(gòu)件腹板與翼緣部分組成的板式鋼架形成的承力體系承受剪力。在構(gòu)件不承受任何軸向荷載作用情況下，承力體系幾乎呈現(xiàn)單純受剪形態(tài)。在施加荷載的前期，型鋼腹板開始參與抗剪，發(fā)生均勻變形，當(dāng)節(jié)點(diǎn)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，型鋼腹板處剪力明顯增大，變形也隨之快速增加。工程中經(jīng)常使用的工字型鋼，翼緣處尺寸較小，剪力主要通過(guò)抗側(cè)剛度明顯的型鋼腹板來(lái)承擔(dān)。

通過(guò)分析得知，當(dāng)型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)中柱構(gòu)件型鋼腹板的高度變小時(shí)，節(jié)點(diǎn)處柱構(gòu)件的極限抗彎承載力隨之明顯減小，計(jì)算得出的數(shù)據(jù)也同樣印證了這一變化，破壞也是源于梁—柱節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域的破壞，根據(jù)這一趨勢(shì)可以得知，型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)中柱構(gòu)件型鋼腹板高度對(duì)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的極限承載能力有著很大的影響。當(dāng)型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)中柱構(gòu)件型鋼翼緣的寬度變大時(shí)，節(jié)點(diǎn)處柱構(gòu)件的極限抗彎承載力隨之明顯增大，計(jì)算得出的數(shù)據(jù)也同樣印證了這一變化，整個(gè)構(gòu)件破壞同樣也是源于梁—柱節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域的破壞。破壞時(shí)，柱構(gòu)件幾乎達(dá)到了極限狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵區(qū)域的抗剪能力很大程度上取決于型鋼腹板的抗剪能力。而翼緣處因?yàn)榭箓?cè)剛度相對(duì)較弱，主要承擔(dān)抗彎曲能力，而忽視其抗剪作用。

2)型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)極限承載能力伴隨著節(jié)點(diǎn)柱構(gòu)件處型鋼腹板高度的減小而減弱，在型鋼混凝土梁—柱節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)柱構(gòu)件的型鋼翼緣以及腹板幾何尺寸在柱截面幾何尺寸中占據(jù)較大比例時(shí)，節(jié)點(diǎn)極限承載能力伴隨著型鋼翼緣寬度的增大而增強(qiáng)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)件破壞均由關(guān)鍵區(qū)域達(dá)到極限狀態(tài)引發(fā)。

［1］殷 杰.梁縱筋穿過(guò)柱鋼骨翼緣的鋼骨混凝土節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及抗震性能試驗(yàn)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003(7):78-79.

［2］羅立峰，鐘 鳴，黃成造，等.纖維增強(qiáng)聚合物改性混凝土橋面鋪裝技術(shù)［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2004.

［3］Marok Kwocinksi.Pavel Lewinski and stansiaw Jemiolo.Nonlioar Finite Elenontd Yield Analyslsof Slab·beam Sysetms Sbjeeetdot Full-scaleetsts.Inetoationale on efnerceoncm Putatinoal methods In SeLtald geotee hnlcal negineerigr，Hong Kong，1994:12-14.

［4］沈榮熹，崔 琪，李清海.新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004.

［5］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001:7-9.