SRC與RC框架異型節(jié)點承載力對比分析

張 杰，龍思宇

(西南交通大學，四川成都 610031)

為了更好地解決大型城市中用地資源不足以及交通擁堵的問題，TOD(交通引導(dǎo)開發(fā))模式越來越多地被運用于城市建設(shè)當中。該模式中地下部分為交通樞紐，上部則多為商住區(qū)，造成該結(jié)構(gòu)體系下部柱網(wǎng)跨度大而上部柱網(wǎng)較密，需要設(shè)置存在該類異型節(jié)點的轉(zhuǎn)換層。為明確節(jié)點的受力機理和承載能力，建立相應(yīng)的理論體系，完善設(shè)計方法，需要對其進行深入研究。

目前，國內(nèi)對異型節(jié)點的研究還處在探索階段。對于RC節(jié)點，白國良[1]進行了8組鋼筋混凝土異型節(jié)點的試驗，提出由截面較小的梁柱決定“小核芯”的概念，認為框架異型節(jié)點的承載能力取決于節(jié)點的“小核芯”；張淑云[2]等對9個異型節(jié)點進行了試驗研究并提出了異型節(jié)點抗剪承載力計算公式；吳濤[3]針對火力發(fā)電廠中存在的高梁變截面柱構(gòu)成的異型邊節(jié)點進行了靜力試驗，結(jié)果表明該類節(jié)點初裂荷載和極限荷載明顯低于常規(guī)節(jié)點。對于SRC節(jié)點，周長斌[4]、李超[5]、李晨[6]、楊曉麗[7]等人研究了剪力墻對節(jié)點抗震性能的影響，軸壓力的有利作用以及節(jié)點兩側(cè)梁柱截面變化對節(jié)點抗震性能的影響，并對SRC異型節(jié)點的受力機理和承載力計算方法進行研究和分析，提出了抗剪承載力計算公式。

針對轉(zhuǎn)換層中出現(xiàn)的該類異型節(jié)點，本文按照“強構(gòu)件，弱節(jié)點”的原則設(shè)計了多組的SRC及RC異型節(jié)點模型，并對其進行了非線性有限元分析。根據(jù)有限元分析結(jié)果，明確了異型節(jié)點在受力機理和失效模式上的特征，分析了梁柱截面變化對失效模式與承載能力的影響，對比了SRC與RC異型節(jié)點的異同。

1 異型節(jié)點模型

1.1 節(jié)點尺寸及配筋

根據(jù)某轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的異型節(jié)點，按照1∶4的縮尺比得到原型節(jié)點RC-1與SRC-1。在原型節(jié)點的基礎(chǔ)上，保持配筋率不變，改變上柱與右梁的截面尺寸設(shè)計了其余的異型節(jié)點與常規(guī)節(jié)點。各節(jié)點設(shè)計參數(shù)如表1、表2所示。

表1 原型節(jié)點尺寸及配筋(RC-1與SRC-1) mm

1.2 有限元模型

節(jié)點混凝土強度等級為C40，單元類型為八節(jié)點六面體單元(C3D8R)，材料屬性采用Abaqus中的塑性損傷模型。其受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系根據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]得到如圖1所示應(yīng)力-應(yīng)變曲線?；炷潦芾瓌t采用應(yīng)變能定義，據(jù)歐洲規(guī)范[9]：Gf=α(0.1fc)0.7。

表2 其余節(jié)點變化參數(shù) mm

圖1 混凝土單軸應(yīng)力-變曲線

節(jié)點縱筋與箍筋均采用HRB335，SRC節(jié)點中的型鋼強度等級為Q345。鋼筋單元類型為兩結(jié)點空間線性梁單元(B31)，型鋼單元類型為八節(jié)點六面體單元(C3D8R)。鋼材本構(gòu)關(guān)系為帶強化階段的彈塑性模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如式(1)所示。

(1)

1.3 模型網(wǎng)格劃分

本節(jié)點應(yīng)用分離式的方法建模，混凝土與型鋼均用實體單元建模而鋼筋則采用梁單元建模?；炷僚c型鋼幾何上為一整體，切割后分別賦予材料，鋼筋則內(nèi)置于混凝土當中。本文分析中單元最大尺寸為20mm×20mm×20mm。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

1.4 邊界條件與荷載

由于該異型節(jié)點的特殊性，將傳統(tǒng)加載模式的單推上柱改為上下柱端同時施加水平位移荷載。為保證各構(gòu)件保持達到極限承載能力的時間大致相同，需要按照上下柱端等轉(zhuǎn)角的原則對結(jié)構(gòu)進行單調(diào)加載?？紤]節(jié)點的非對稱性，需要逆時針與順時針兩種加載工況。區(qū)別于傳統(tǒng)節(jié)點，本節(jié)點為超靜定的邊界條件。加載方式與邊界條件如圖3所示。

(a)逆時針加載

2 有限元結(jié)果及分析

2.1 節(jié)點核心區(qū)破壞驗證

為了研究節(jié)點核心區(qū)的承載能力，要保證“強構(gòu)件，弱節(jié)點”即不允許構(gòu)件先于核心區(qū)發(fā)生破壞，需要驗算單個構(gòu)件的極限承載力大于其在節(jié)點模型中的極限反力。以SRC-1為例，其節(jié)點構(gòu)件極限承載力與其極限反力對比如表3所示。經(jīng)計算，所有節(jié)點模型均為“強構(gòu)件，弱節(jié)點”。

表3 節(jié)點內(nèi)構(gòu)件反力與單構(gòu)件承載力比較

2.2 節(jié)點失效模式分析

對于常規(guī)節(jié)點，其失效模式為經(jīng)典的混凝土斜壓桿理論，在剪力作用下，混凝土主拉應(yīng)力方向開裂而主壓應(yīng)力方向形成“斜壓桿”抗剪。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，斜壓桿抗剪仍適用于異型節(jié)點。不同于常規(guī)節(jié)點的矩形柱狀斜壓桿，由于小柱與小梁的受壓區(qū)位置影響，異型節(jié)點會形成錐狀甚至是雙斜壓桿(圖4)。

(a)常規(guī)節(jié)點與異型節(jié)點斜壓桿形成示意

由于節(jié)點的非對稱性，不同加載方向會形成非對稱的受壓區(qū)，進而逆時針加載時出現(xiàn)較明顯的雙斜壓桿，而順時針則出現(xiàn)錐狀斜壓桿。以SRC-1為例，不同加載方向時斜壓桿情況如圖5所示。

(a)逆時針與順時針加載斜壓桿示意

以SRC-1與RC-1為例對比SRC異型節(jié)點與RC異型節(jié)點的云圖(圖6)，RC節(jié)點由于無型鋼作用，雙斜壓桿均勻筆直，傳力路徑清晰。SRC節(jié)點核心區(qū)混凝土在型鋼翼緣所形成框架作用下，斜壓桿明顯在翼緣框架內(nèi)發(fā)生變形，由類似于RC節(jié)點的直桿向兩側(cè)擴散形成弧形斜壓桿。

圖6 SRC與RC異型節(jié)點斜壓桿對比

各節(jié)點達到極限承載力時混凝土最小主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)云圖如圖7所示。對比SRC-1與SRC-2、RC-1與RC-2可見擴大上柱截面，斜壓桿分布更寬；對比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3可見右梁截面高度增加使雙斜壓桿間距增加且更加陡峭。

2.3 節(jié)點核心區(qū)剪力計算方法

節(jié)點整體受力模型見圖8(a)，核心區(qū)受力簡化見圖8(b)。以節(jié)點核心區(qū)為對象，根據(jù)平衡可求得1-1截面剪力，公式如下：

Vj=Vu-Tr-Cl

(2)

Tr=VrL2/hw2

(3)

Cl=VlL1/hw1

(4)

式中：Vj為節(jié)點核心區(qū)剪力；Tr為右梁作用于核心區(qū)水平拉力；Cl為左梁作用于核心區(qū)水平壓力；L1L2為左梁與右梁長度；VuVrVl為各支座支反力；hw1為左梁截面有效高度，對SRC節(jié)點取型鋼翼緣重心間距，對RC節(jié)點取縱筋重心間距；hw2為右梁截面有效高度，取縱筋重心間距。

圖7 各異型節(jié)點混凝土應(yīng)力云

2.4 有限元計算結(jié)果分析

不同節(jié)點下柱端反力位移曲線如圖9所示。

(a)節(jié)點整體受力

圖9 不同節(jié)點下柱端反力位移曲線

對比逆時針與順時針加載時的曲線，可見由于節(jié)點的非對稱性，雖然下柱端極限位移較接近，但不同加載方向水平極限反力有明顯差距。

對比SRC節(jié)點與RC節(jié)點，SRC節(jié)點由于存在型鋼，其極限反力明顯大于RC節(jié)點。觀察曲線趨勢，可見由于鋼材強度遠大于混凝土，缺少型鋼的RC節(jié)點后期承載力下降明快于SRC節(jié)點。

對比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3，發(fā)現(xiàn)增加右梁截面高度，下柱端水平極限反力有所提高。說明增加小梁截面高度會增大下柱承受的彎矩。對比SRC-1與SRC-2與SRC-4以及RC-1與RC-2與RC-4，可見上柱截面增大而下柱水平極限反力下降。這是由于截面增大后小柱會承擔更多的荷載。

由前文所述核心區(qū)剪力計算公式，算得各節(jié)點核心區(qū)剪力見表4。分析結(jié)果表明：

(1)對比SRC-1與SRC-4、RC-1與RC-4，由于上柱與右梁未配置型鋼，SRC異型節(jié)點抗剪承載力明顯低于常規(guī)節(jié)點，而RC異型節(jié)點承載力未見明顯下降；

(2)觀察各節(jié)點在不同加載方向時的抗剪承載力，發(fā)現(xiàn)順時針加載時的極限剪力要比逆時針加載高出10 %～15 %。由前文可知不同的加載方向會形成不同形式的斜壓桿，傳力路徑的改變導(dǎo)致節(jié)點的抗剪承載力出現(xiàn)差別；

(3)由于型鋼腹板具有較強的抗剪能力，SRC節(jié)點的抗剪承載力較RC節(jié)點高出一倍以上；

(4)對比SRC-1與SRC-2、RC-1與RC-2，擴大上柱截面導(dǎo)致核心區(qū)受剪面有效寬度增加，從而提高了節(jié)點的抗剪承載力。對比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3，雖然右梁截面變高，但節(jié)點抗剪承載力卻有所降低。這是由于在一定范圍內(nèi)增加右梁高度會使斜壓桿變陡，不利于核心區(qū)混凝土抗剪。

表4 各節(jié)點核心區(qū)剪力計算結(jié)果 kN

3 結(jié)論

通過對8組節(jié)點的有限元模擬，分析了SRC與RC異型節(jié)點在失效模式與抗剪承載力上各自的特征，得出以下主要結(jié)論：

(1)不同于常規(guī)節(jié)點的柱狀斜壓桿，異型節(jié)點在不同的加載方向下核心區(qū)會形成錐形斜壓桿與雙斜壓桿，并且其抗剪承載力也會有明顯區(qū)別。

(2)SRC異型節(jié)點由于型鋼翼緣的作用，其斜壓桿在RC異型節(jié)點的基礎(chǔ)上發(fā)生了變形和擴散，形成了弧形的斜壓桿。且型鋼的存在也明顯提高了異型節(jié)點的抗剪承載力。

(3)增加異型節(jié)點中小柱的寬度會提高節(jié)點的抗剪性能，而增加小梁高度導(dǎo)致斜壓桿變陡時這對混凝土抗剪不利。

該類異型節(jié)點結(jié)構(gòu)形式與傳力機理復(fù)雜，本文僅研究了幾組參數(shù)的影響，且局限于有限元模擬，為了建立該類異型節(jié)點的計算方法，尚需進行廣泛參數(shù)的試驗和理論分析研究。