鋼連梁埋入混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)彎剪承壓破壞有限元分析

余 瓊 陳相瑞 聞 文

（同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092）

鋼連梁埋入混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)彎剪承壓破壞有限元分析

余 瓊*陳相瑞 聞 文

（同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092）

在已有鋼連梁埋入混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過ANSYS有限元模擬結(jié)果與已有試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模擬的可靠性；通過6組不同參數(shù)下的鋼連梁埋入混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)有限元模型，分析了剪力墻混凝土強(qiáng)度、墻體配筋率、墻體軸壓比、鋼梁高度、鋼梁翼緣寬度、鋼梁埋置深度對(duì)該種節(jié)點(diǎn)在彎矩剪力共同作用下發(fā)生承壓破壞對(duì)應(yīng)的承載力的影響，得出了定性結(jié)果。

節(jié)點(diǎn)，彎剪作用，承壓破壞，有限元

1 引 言

鋼梁埋入混凝土構(gòu)件節(jié)點(diǎn)破壞形式主要有三種：承壓破壞，局部承壓破壞和錨固失效破壞。發(fā)生承壓破壞時(shí)，沿鋼梁埋入深度范圍內(nèi)混凝土都會(huì)有較大變形，發(fā)生受壓破壞，混凝土邊緣出現(xiàn)裂縫，一般都是延性破壞；而局部承壓破壞是指由于鋼梁抗彎剛度較大，產(chǎn)生的較大的豎向位移，而鋼梁錨固措施又不當(dāng)，使鋼梁產(chǎn)生較大水平滑移，從而導(dǎo)致僅混凝土構(gòu)件邊緣沿埋入方向很小的區(qū)域發(fā)生局部受壓破壞，這時(shí)混凝土壓應(yīng)力分布區(qū)段很短；錨固失效則是由于鋼梁埋入?yún)^(qū)段較短，或構(gòu)造措施不當(dāng)，發(fā)生由于混凝土構(gòu)件對(duì)鋼梁錨固不足而產(chǎn)生的錨固失效破壞，而混凝土并未壓壞。承壓破壞是延性的，是本文研究的破壞形式。

以往國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼梁埋入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻節(jié)點(diǎn)在剪力作用下的抗剪性能研究較多［1-6］，但對(duì)這類節(jié)點(diǎn)在彎、剪同時(shí)作用下的承載力研究較少。而在實(shí)際工程中，剪力墻連梁節(jié)點(diǎn)中同時(shí)存在彎矩和剪力的作用，彎矩的存在會(huì)降低節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力，僅考慮剪力是偏于不安全的。所以對(duì)鋼連梁埋入混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)在彎矩和剪力的共同作用下承壓破壞的深入研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 有限元模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 理論受力模型

在介紹有限元模型前，這里將引入已有研究［7］所提出的該種節(jié)點(diǎn)彎剪承壓狀態(tài)下的理論應(yīng)力圖形（未考慮焊接附加鋼筋、栓釘?shù)雀郊咏M件的作用），如圖1所示。

表1 材料屬性Table 1 M aterial properties

圖1 I型截面鋼連梁埋入混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖形Fig.1 Stress distribution in a joint of the Isteel coupling beam embedded in RC shear wall

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves

2.2 BASE模型介紹

本文采用ANSYS的APDL參數(shù)化命令程序編寫命令流［8-9］，對(duì)文獻(xiàn)［4］的BASE試件進(jìn)行實(shí)體建模?？紤]到鋼梁上下翼緣栓釘主要抵抗鋼梁拔出破壞，而懸臂鋼梁中軸力很小，所以在實(shí)際建模時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即在鋼梁上下翼緣不設(shè)置栓釘。在進(jìn)行有限單元選取時(shí)，鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)模型采用整體式模型，由帶筋的SOLID65單元來模擬；鋼梁?jiǎn)卧捎肧HELL63單元來模擬［10］?；炷僚c鋼材的材料屬性如表1所示；混凝土受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線及鋼材應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示［11］；考慮到混凝土受拉曲線段很短，且在ANSYS模型計(jì)算時(shí)設(shè)置了混凝土開裂強(qiáng)度，所以可以用混凝土受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線代替其受拉曲線使用。構(gòu)件尺寸如表2所示。鋼梁埋入長(zhǎng)度為375 mm，懸臂部分長(zhǎng)度為600 mm。

有限元模型的邊界約束條件及荷載大小根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際情況輸入，為避免應(yīng)力集中效應(yīng)，在懸臂端部設(shè)置端板，施加等效的均布線荷載，以模擬集中力的作用。整個(gè)加載過程采用位移的收斂準(zhǔn)則控制。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪┕D如圖3所示。整體模型的邊界條件和受力情況如圖4所示。

表2 構(gòu)件尺寸Table 2 M ember sizes mm

2.3 模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)以上BASE模型施加荷載及求解后，得到鋼梁在結(jié)構(gòu)墻墻邊截面的轉(zhuǎn)角—荷載曲線和試驗(yàn)［4］反復(fù)加載時(shí)的轉(zhuǎn)角—荷載骨架曲線如圖5所示。從圖5可以看出有限元模擬的曲線和試驗(yàn)得出的骨架曲線吻合較好。由此可以說明有限元分析的結(jié)果還是比較合理的。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪┕D（單位：mm）Fig.3 Construction drawing of the testmodel（Unit：mm）

圖4 模型的邊界條件和受力情況Fig.4 Boundary and load conditions of themodel

圖5 BASE模型與文獻(xiàn)［4］梁端荷載—轉(zhuǎn)角曲線對(duì)比圖Fig.5 Load-rotation curve comparison between the BASEmodel and the reference［4］

3 節(jié)點(diǎn)彎剪承載力影響因素的有限元分析

本章有限元模型是在BASE模型的基礎(chǔ)上，將鋼梁的屈服強(qiáng)度改為1 000 MPa，以保證在加載過程中鋼梁不會(huì)發(fā)生破壞，并將其定義為BASE1。由極限狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)可知，構(gòu)件均發(fā)生混凝土的承壓破壞。

3.1 剪力墻混凝土強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響

在BASE1試件其他參數(shù)不變的情況下，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，使其混凝土強(qiáng)度分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa。節(jié)點(diǎn)在不同的混凝土強(qiáng)度下的單向加載的承載力隨混凝土強(qiáng)度變化的曲線如圖6所示。由圖6可知，在其他條件不變時(shí)，混凝土強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力有明顯影響：節(jié)點(diǎn)承載力會(huì)隨混凝土強(qiáng)度的增大而提高顯著。但是當(dāng)混凝土強(qiáng)度增大到40 MPa左右時(shí)，再提高其強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響不大。

圖6 承載力隨混凝土強(qiáng)度變化情況Fig.6 Bearing capacity variation with the change of concrete strength

3.2 剪力墻配筋率對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響

在BASE1試件其他參數(shù)不變的情況下，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型的鋼筋混凝土剪力墻縱、橫向鋼筋的間距進(jìn)行調(diào)整，以模擬其配筋率的變化。鋼筋間距分別設(shè)定為100 mm、140 mm、180 mm、220 mm、260 mm。節(jié)點(diǎn)單向加載時(shí)承載能力隨配筋率變化的模擬結(jié)果對(duì)比見圖7。

由圖7可知，在其他條件不變時(shí)，配筋率對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載能力有一定影響：節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨混凝土配筋率的增大而提高。這主要有兩方面原因：①有限元模擬采用整體模型，配筋率增大會(huì)提高混凝土的承壓性能，而使承載能力得到提升；②從實(shí)際角度考慮，鋼筋的存在會(huì)在一定程度上約束混凝土的變形，從而會(huì)提高承載能力。

圖7 承載力隨鋼筋間距變化情況Fig.7 Bearing capacity variation with the change of rod spacing

3.3 剪力墻軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響

在BASE1試件其他參數(shù)不變的情況下，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型的混凝土剪力墻的軸壓比進(jìn)行調(diào)整，使其軸壓比別為0，0.2，0.4，0.6，0.8。節(jié)點(diǎn)在不同軸壓比下單向加載時(shí)承載能力的變化結(jié)果如圖8所示。

圖8 承載力隨軸壓比變化情況Fig.8 Bearing capacity variation with the change of axial compression ratio

由圖8可知，在其他條件不變時(shí)，軸壓比對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載能力有明顯影響：在一定范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著軸壓比增大而顯著提高，而當(dāng)軸壓比超過一定數(shù)值后（約為0.7），節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著軸壓比的繼續(xù)增大而顯著下降。這主要是因?yàn)樵诔袎浩茐臓顟B(tài)下，主要由鋼梁上下翼緣下部受壓混凝土來提供抗力，而混凝土軸力的存在約束了鋼梁的位移，使鋼梁的上下翼緣下部混凝土的受壓范圍擴(kuò)大，受壓也更為均勻，這樣在混凝土壓壞前能夠提供更大的抗力，所以能提高節(jié)點(diǎn)承載力。而軸力過大時(shí)，鋼梁上下翼緣下部受壓混凝土豎向位移加大，超過了極限應(yīng)變，使得混凝土更多被壓碎退出工作，從而降低了其承載力。不同軸壓比時(shí)下翼緣下部混凝土在下翼緣中點(diǎn)處沿鋼梁中心線應(yīng)力變化如圖9所示，0點(diǎn)為鋼梁端點(diǎn)，橫坐標(biāo)值為該軸線上的點(diǎn)到該端點(diǎn)的距離?？梢?，當(dāng)軸壓比小于0.7時(shí)，隨著軸壓比增加，鋼梁下翼緣的混凝土所受壓力及應(yīng)力飽滿程度提高。

圖9 不同軸壓比時(shí)下翼緣下部混凝土在下翼緣中點(diǎn)處沿鋼梁中心線應(yīng)力變化圖Fig.9 Bottom flange concrete stress distribution along the central line of the steel beam under different axial compressive ratios

3.4 鋼梁高度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響

在BASE1試件其他參數(shù)不變的情況下，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型的鋼梁高度進(jìn)行調(diào)整，使其高度分別為200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm。節(jié)點(diǎn)的承載力隨鋼梁高度的變化結(jié)果如圖10所示。

圖10 承載力隨鋼梁高度變化情況Fig.10 Bearing capacity variation with the change of steel beam height

由圖10可知，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著鋼梁高度的增大而有所提高，但是當(dāng)鋼梁高度超過400 mm時(shí)，再增加高度對(duì)于承載能力影響不大。這是因?yàn)?，增加鋼梁高度不僅增大了鋼梁截面的剛度，而且還使其上下翼緣中間部位混凝土更多地進(jìn)入承載狀態(tài)，增大了對(duì)鋼梁端部的握裹力，從而提高了承載能力。但是當(dāng)鋼梁高度增加到一定程度時(shí)，節(jié)點(diǎn)剛度較大，節(jié)點(diǎn)整體轉(zhuǎn)動(dòng)位移加大，很容易發(fā)生位移失效破壞，所以承載力不會(huì)再有明顯提高。

3.5 鋼梁翼緣寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響

在BASE1試件其他參數(shù)不變的情況下，將混凝土墻厚度改為600 mm，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型的鋼梁翼緣寬度進(jìn)行調(diào)整，使其翼緣寬度分別為100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm。節(jié)點(diǎn)承載能力隨翼緣寬度的變化結(jié)果如圖11所示。

圖11 承載力隨鋼梁翼緣寬度變化情況Fig.11 Bearing capacity variation with the change of steel beam flange width

由圖11可知，在其他條件不變時(shí)，翼緣寬度的變化對(duì)承載力有一定影響：在一定范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著鋼梁翼緣寬度的增大而有所提高，但是寬度超過400 mm時(shí)，再增加翼緣寬度對(duì)于承載能力影響不大。翼緣寬度的變化對(duì)鋼梁和混凝土位移影響較小。這是因?yàn)殇摿阂砭墝挾燃哟髸r(shí)，翼緣下部混凝土的應(yīng)力在水平方向擴(kuò)散范圍加大，混凝土受力更為均勻；但是應(yīng)力范圍不可能無限擴(kuò)大，所以增加翼緣寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的提高有限。

3.6 鋼梁埋入深度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響

在BASE1試件其他參數(shù)不變的情況下，僅對(duì)節(jié)點(diǎn)有限元模型的鋼梁錨入長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，使其錨入長(zhǎng)度分別為300 mm、350 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm。節(jié)點(diǎn)承載能力隨鋼梁埋深的變化結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，其他條件不變時(shí)，鋼梁埋入深度對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載能力有明顯影響：在一定范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨鋼梁埋入深度的增大而有所提高，但是當(dāng)埋入深度超過600 mm時(shí)，繼續(xù)增加埋深對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響不大。由圖12還可以知道，當(dāng)埋入長(zhǎng)度小于300 mm時(shí)，承載能力下降趨勢(shì)較快，這有可能是因?yàn)殇摿寒a(chǎn)生了較大的水平位移而發(fā)生拔出破壞所造成，故建議最小埋入長(zhǎng)度不宜小于300 mm。

圖12 承載力隨鋼梁埋入長(zhǎng)度變化情況Fig.12 Bearing capacity variation with the change of steel beam embedded depth

圖13 分別為不同的埋入長(zhǎng)度時(shí)受壓混凝土的應(yīng)力分布曲線，應(yīng)力所取位置同圖9所述。通過該圖可以對(duì)以上結(jié)論給予一定解釋。由圖13（a）、圖13（c）可知，當(dāng)埋入深度不同時(shí)，上、下翼緣下部混凝土的應(yīng)力分布相差不大，在混凝土墻外邊緣處有最大應(yīng)力，而有效受壓長(zhǎng)度幾乎相同，說明混凝土的有效利用率并未有明顯上升。但是由圖13（b）、圖13（d）可知，上、下翼緣上部混凝土的應(yīng)力分布差別較大。雖然鋼梁上翼緣上部混凝土的利用率并未隨埋入深度的增加而得到顯著提高，而鋼梁下翼緣上部混凝土受壓面積隨埋入深度的增加更為飽滿，說明混凝土的利用率成上升趨勢(shì)。當(dāng)鋼梁埋入長(zhǎng)度增加到一定程度時(shí)，鋼梁與混凝土間的粘結(jié)力使得端部荷載只能傳遞到一定長(zhǎng)度范圍，再增加鋼梁長(zhǎng)度便失去了意義。因此，埋入長(zhǎng)度超過一定值后，混凝土將不能充分發(fā)揮作用，一味通過增大埋入深度的方法來提高節(jié)點(diǎn)承載力是不經(jīng)濟(jì)的。

4 結(jié)論與展望

本文利用有限元模型，通過單一變量控制，得出了6種不同因素對(duì)鋼連梁埋入混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)在彎剪作用下發(fā)生承壓破壞時(shí)的承載力影響結(jié)果：

（1）在一定范圍內(nèi)增大混凝土強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨之增大。但是當(dāng)混凝土強(qiáng)度增大到40 MPa左右時(shí)，再提高其強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的影響不大。

圖13 不同的埋入長(zhǎng)度時(shí)受壓混凝土沿鋼梁中心線處的應(yīng)力分布圖Fig.13 Concrete stress along the central line of the steel beam under different steel beam embedded depths

（2）在試驗(yàn)所取配筋范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著剪力墻配筋率的增大而提高。

（3）在一定范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著軸壓比增大而顯著提高，而當(dāng)軸壓比超過一定數(shù)值后（約為0.7），節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著軸壓比的繼續(xù)增大而顯著下降。

（4）在一定范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著鋼梁高度的增大而有所提高，但是當(dāng)鋼梁高度超過400 mm時(shí)，再增加高度對(duì)于承載能力影響不大。

（5）在一定范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)承載能力會(huì)隨著鋼梁翼緣寬度的增大而有所提高，但是寬度超過400 mm時(shí)，再增加翼緣寬度對(duì)承載能力影響不大。

（6）鋼梁埋入深度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力有明顯影響。總的來說，節(jié)點(diǎn)承載能力隨著鋼梁埋入深度的增加而增大。但是當(dāng)鋼梁埋深不足300 mm時(shí)，承載力迅速下降，因此建議鋼梁最小埋深不小于300 mm；而當(dāng)鋼梁埋深超過600 mm時(shí)，再增大鋼梁埋深對(duì)承載力沒有較大影響，因此靠增大鋼梁埋深來提高承載力是不經(jīng)濟(jì)的。

（7）對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力的影響因素，本文僅給出了定性分析，并且僅考察了在單一變量下的影響。對(duì)于其定量分析及多變量下的影響，需進(jìn)一步研究確定。

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Finite Element Analysis on M oment-shear Compression Failure of Joints in Steel Coupling Beams Embedded in a RC Shear W all

YU Qiong*CHEN Xiangrui WENWen
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China）

Based on previous experiments，the reliability of the joint finite elementmodel was verified by comparing its simulation results with the experimental results.Six factors that affect the moment-shear compression bearing capacity of the joints，which result in bearing failure finally，include concrete strength，reinforcement ratio，axial compression ratio，steel beam height，steel flange width，and embedded depth of the steel beam，were quantitatively analyzed.Some quantitative resultswere obtained.

joint，moment-shear combination，compression failure，finite element

2013－08－22

*聯(lián)系作者，Email：yiongyu2005＠163.com