鋼管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點(diǎn)受力性能研究*

鄭 茜,王洪欣,王 義,周高照,孫占琦,范林飛

(中建科技集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518002)

0 引言

鋼管混凝土構(gòu)件具有承載力高、抗震性能好、抗火性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)高層及超高層建筑中應(yīng)用廣泛。此類建筑地下室多為鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)形式一般采用現(xiàn)澆RC梁外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)、抗剪環(huán)-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)、穿心鋼筋暗牛腿式節(jié)點(diǎn)、對(duì)穿暗牛腿式節(jié)點(diǎn)等[1-2]。當(dāng)混凝土梁的頂筋和底筋不超過2排或樓電梯、車道等位置不宜設(shè)置環(huán)梁節(jié)點(diǎn)時(shí),可采用鋼牛腿連接方式,即梁縱筋焊接在鋼牛腿上,梁的彎矩和剪力通過鋼牛腿傳遞至鋼管混凝土柱。當(dāng)混凝土梁的縱筋超過2排時(shí),如地下室頂板混凝土梁,由于承擔(dān)覆土和消防車荷載,混凝土梁的配筋量通常較大,一般采用環(huán)梁連接,即鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的彎矩通過設(shè)置的鋼筋混凝土環(huán)梁傳遞,剪力通過環(huán)形牛腿傳遞。環(huán)梁節(jié)點(diǎn)傳力可靠,施工簡(jiǎn)便,現(xiàn)場(chǎng)焊接量少,有利于梁與柱的任意角度連接,易達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的要求[3]。

對(duì)于高層及超高層等室外布置各種管道的工業(yè)廠房建筑,管道鋪設(shè)需一定坡度,為保證此區(qū)域覆土高度,建筑室內(nèi)外必存在高差。不少學(xué)者已通過試驗(yàn)?zāi)M、有限元模擬等[3-8]方法對(duì)梁頂無(wú)高差鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究,分析了節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和破壞形態(tài),得出環(huán)梁連接的RC梁-鋼管混凝土柱框架梁在地震作用下具有良好的抗震性能[9]。但研究的節(jié)點(diǎn)類型多為抗剪環(huán)-環(huán)梁節(jié)點(diǎn),且均為無(wú)高差環(huán)梁節(jié)點(diǎn)。對(duì)于環(huán)梁兩側(cè)標(biāo)高不同,或梁頂標(biāo)高相差過大節(jié)點(diǎn)的(以下簡(jiǎn)稱高差過大節(jié)點(diǎn))相關(guān)資料較少,國(guó)內(nèi)規(guī)范也無(wú)相應(yīng)介紹。

本文依托坪山新能源汽車產(chǎn)業(yè)園區(qū)1～3棟項(xiàng)目,以室內(nèi)外最大高差節(jié)點(diǎn)為例(室內(nèi)標(biāo)高-2.350m, 室外標(biāo)高-4.000m),根據(jù)JGJ 138—2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)無(wú)高差環(huán)梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為使框架梁端彎矩平穩(wěn)地傳遞給鋼管混凝土柱,并使環(huán)梁不先于框架梁端出現(xiàn)塑性鉸,鋼筋混凝土環(huán)梁的配筋由計(jì)算確定。環(huán)梁上、下環(huán)筋的截面積不應(yīng)小于框架梁上、下縱筋截面積的0.7倍,環(huán)梁腰筋直徑不宜小于16mm、間距不宜大于150mm,環(huán)梁箍筋直徑不宜小于10mm、間距不宜大于150mm。為了便于鋼筋混凝土框架梁縱筋錨入到環(huán)梁中,環(huán)梁的截面寬度不宜小于框架梁寬度,高度宜比框架梁高50mm。

環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中的環(huán)形牛腿由均勻分布的肋板和上、下加強(qiáng)環(huán)組成,肋板與鋼管壁、加強(qiáng)環(huán)與鋼管壁及肋板與加強(qiáng)環(huán)均可采用焊縫連接,加強(qiáng)環(huán)應(yīng)預(yù)留直徑不小于50mm的排氣孔。環(huán)形牛腿的受剪承載力由環(huán)形牛腿上的混凝土局部承壓強(qiáng)度、肋板抗剪強(qiáng)度、肋板與管壁的焊接強(qiáng)度、環(huán)形牛腿上部混凝土直剪強(qiáng)度決定。

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)高差過大環(huán)梁進(jìn)行受力分析?？紤]在-4.000m標(biāo)高位置增加環(huán)梁縱筋和減小環(huán)梁箍筋間距等因素的影響,基于環(huán)梁節(jié)點(diǎn)有限元結(jié)果和節(jié)點(diǎn)傳力路徑分析,得到梁高相差過大時(shí)的節(jié)點(diǎn)受力加強(qiáng)措施,可為相應(yīng)工程及研究提供參考。

1 工程概況

坪山新能源汽車產(chǎn)業(yè)園區(qū)1～3棟項(xiàng)目總建筑面積25.6萬(wàn)m2,包括廠房、研發(fā)用房、配套宿舍、配套食堂和配套商業(yè)等多種建筑類型。1號(hào)研發(fā)樓為鋼管約束混凝土框架梁-核心筒結(jié)構(gòu),地下3層,地上23層,結(jié)構(gòu)高度99m;2號(hào)研發(fā)樓為鋼管約束混凝土框架梁-核心筒結(jié)構(gòu),地下2層,地上19層,結(jié)構(gòu)高度84m;3號(hào)廠房分為A,B座,為鋼管混凝土框架梁-剪力墻結(jié)構(gòu),地下2層,地上17層,結(jié)構(gòu)高度91.7m。項(xiàng)目建筑效果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目效果Fig.1 Project renderings

根據(jù)項(xiàng)目類型,確定本工程抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度7度(0.10g),設(shè)計(jì)地震分組第一組,場(chǎng)地類別Ⅱ類。深圳地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓為0.75kN/m2,地面粗糙度取C類。

項(xiàng)目地下室梁柱節(jié)點(diǎn)均采用鋼管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,如圖2所示。鋼牛腿節(jié)點(diǎn)施工順序?yàn)橄戎?后綁扎框架梁鋼筋;鋼筋與鋼管混凝土柱牛腿通常采用焊接,框架梁下部縱筋施工時(shí)需仰焊,因此焊接質(zhì)量較差。本節(jié)點(diǎn)環(huán)梁鋼筋施工順序?yàn)橄冉壴h(huán)梁鋼筋,后吊裝至鋼管混凝土柱固定,再綁扎框架梁鋼筋,進(jìn)行支模,便于混凝土澆筑。

圖2 環(huán)梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.2 Ring beam joint construction

項(xiàng)目中采用的環(huán)梁節(jié)點(diǎn)包括無(wú)高差環(huán)梁節(jié)點(diǎn)(框架梁頂標(biāo)高相同)和有高差環(huán)梁節(jié)點(diǎn)(框架梁頂標(biāo)高不同)兩種形式。為驗(yàn)證有高差環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的可行性和安全性,選取梁頂高差最大(高差1.65m)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。

鋼管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖3所示。鋼管混凝土柱為φ750×12,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60;鋼牛腿尺寸為525mm×500mm×20mm(b×h×t);鋼材均采用Q345鋼。環(huán)梁截面尺寸為600mm×3 050mm,環(huán)梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)φ35;環(huán)梁箍筋為φ14@125。

圖3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.3 Joint construction

2 節(jié)點(diǎn)傳力分析

鋼管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中,傳力構(gòu)件主要是鋼筋和牛腿。

節(jié)點(diǎn)受力分析如圖4所示。由圖4可知,框架梁端承受剪力(V1,V2)和彎矩(M1,M2)作用時(shí),KL2和KL4梁端部位置下部受壓,上部受拉?？蚣芰合虏克軌毫κ紫葌鬟f給環(huán)梁,在環(huán)梁受力一側(cè)對(duì)鋼管混凝土柱產(chǎn)生壓力F1,F3。根據(jù)環(huán)梁節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn),鋼管混凝土柱另一側(cè)會(huì)形成對(duì)應(yīng)的壓力F2,F4,因此F1和F2,F3和F4形成兩組力偶,可抵抗環(huán)梁扭轉(zhuǎn)。同時(shí)F1,F2,F3和F4擠壓鋼管混凝土柱產(chǎn)生靜摩擦力,一般情況下,靜摩擦力可滿足節(jié)點(diǎn)抗剪要求[2]。

圖4 結(jié)構(gòu)受力分析Fig.4 Structural stress analysis

1)梁端剪力傳遞 環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中承受剪力的構(gòu)件主要是框架梁箍筋、環(huán)梁箍筋和牛腿。首先剪力從框架梁梁端傳遞給框架梁和框架梁箍筋;其次通過框架梁埋入環(huán)梁中的鋼筋將剪力傳遞給環(huán)梁鋼筋;然后剪力通過環(huán)梁箍筋向下傳遞給牛腿;最后從牛腿傳遞給鋼管混凝土柱。

2)梁端彎矩傳遞 環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中承受彎矩的構(gòu)件主要是框架梁縱筋、環(huán)梁縱筋、腰筋和牛腿。彎矩在節(jié)點(diǎn)中的傳遞主要是從框架梁縱筋向環(huán)梁傳遞,通過框架梁縱筋傳遞給環(huán)梁的縱筋和腰筋,在環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中環(huán)梁縱筋和腰筋是環(huán)狀,因此會(huì)形成多組力偶來(lái)抵抗彎矩,從而將彎矩傳遞給鋼管。

3 有限元模型建立

3.1 模型建立及加載

根據(jù)YJK結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,考慮結(jié)構(gòu)不同荷載組合作用,選取包絡(luò)工況下環(huán)梁節(jié)點(diǎn)根部位置最大彎矩值和剪力值,確定最不利環(huán)梁節(jié)點(diǎn),如圖5所示。環(huán)梁寬600mm,高3 100mm,框架梁尺寸及最不利荷載如表1所示。將梁根部荷載等效到梁端進(jìn)行加載模擬。

表1 框架梁尺寸及荷載Table 1 Frame beam dimensions and loads

圖5 框架梁編號(hào)Fig.5 Frame beam number

3.2 材料本構(gòu)

模型中混凝土本構(gòu)關(guān)系采用ABAQUS有限元軟件中的混凝土塑性損傷模型,鋼材和鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用硬化的雙折線模型。

3.3 單元屬性和邊界條件

混凝土構(gòu)件采用C3D8R單元,鋼構(gòu)件采用S4R單元,鋼筋采用T3D2單元,均采用Embedded Region命令將其嵌入混凝土進(jìn)行模擬。為較真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力,鋼管混凝土柱高度取2層樓高,因此模型中鋼管混凝土柱兩端均約束x,y,z3個(gè)方向的線位移和轉(zhuǎn)角。模型混凝土單元尺寸為0.15m,結(jié)構(gòu)有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

4 節(jié)點(diǎn)有限元分析

4.1 影響因素分析

由于規(guī)范暫無(wú)對(duì)高差較大環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的相關(guān)規(guī)定,按照無(wú)高差環(huán)梁節(jié)點(diǎn)規(guī)范要求對(duì)高差較大環(huán)梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),在標(biāo)高較小的兩根框架梁位置只設(shè)腰筋。首先對(duì)按規(guī)范設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬分析。

節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋應(yīng)力如圖7所示。由圖7可知,環(huán)梁拉筋首先達(dá)到屈服狀態(tài),而后環(huán)梁腰筋進(jìn)入屈服;環(huán)梁拉筋最終應(yīng)力為401.8MPa,環(huán)梁腰筋應(yīng)力達(dá)378.2MPa。最大位置出現(xiàn)在KL4與環(huán)梁相交處,此位置環(huán)梁拉筋和腰筋均出現(xiàn)屈服。因此提出2種方式對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改善:①在KL4上部的環(huán)梁位置增加縱筋;②改變環(huán)梁箍筋直徑和間距。通過有限元對(duì)比分析,得到增加縱筋和減小箍筋間距為較有效的方式。

圖7 未增加縱筋鋼筋Mises應(yīng)力(單位:Pa)Fig.7 Mises stress of steel bars without additional longitudinal reinforcement(unit:Pa)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎、模板支護(hù)、混凝土澆筑施工情況,增加環(huán)梁上部縱筋更便于施工。增大箍筋間距后鋼筋籠綁扎難度增加,且影響混凝土澆筑質(zhì)量。

4.1.1KL4上部增加環(huán)梁縱筋

模型中環(huán)梁箍筋采用HRB400,φ14@125;在標(biāo)高較小的框架梁上部對(duì)應(yīng)位置處增加環(huán)梁縱筋(簡(jiǎn)稱φ14@125+縱筋),對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比,具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 環(huán)梁增加縱筋影響對(duì)比Table 2 Influence contrast of ring beam with longitudinal reinforcement MPa

環(huán)梁節(jié)點(diǎn)在KL4上部對(duì)應(yīng)位置處,按照規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)只有構(gòu)造腰筋(φ12@200),由表1可知,KL4承受的剪力和彎矩都較大,環(huán)梁腰筋不能完全提供節(jié)點(diǎn)所需的環(huán)箍力,因此考慮在此位置增加縱筋,以增強(qiáng)環(huán)梁受力。由表2可知,增加縱筋,環(huán)梁箍筋應(yīng)力大幅降低,降低15.7%;環(huán)梁拉筋應(yīng)力降低17.9%;環(huán)梁腰筋應(yīng)力降低幅度最大,降低45.8%;鋼管應(yīng)力也有所下降;鋼管混凝土、牛腿、環(huán)梁混凝土應(yīng)力變化可忽略。

4.1.2環(huán)梁箍筋間距

根據(jù)分析,環(huán)梁拉筋首先進(jìn)入屈服狀態(tài)的原因?yàn)槔顚?duì)環(huán)梁縱筋和腰筋的拉結(jié)力不足。首先考慮分別增大拉筋直徑和減小腰筋間距,但通過對(duì)比分析可知,增大拉筋直徑和減小腰筋間距對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力影響較小,因此主要考慮減小環(huán)梁箍筋間距。

此模型中環(huán)梁箍筋采用HRB400,直徑12mm,同時(shí)在標(biāo)高較小的框架梁上部對(duì)應(yīng)位置處增加環(huán)梁縱筋。而后分別對(duì)箍筋布置φ12@150+縱筋,φ12@125+縱筋,φ12@100+縱筋進(jìn)行對(duì)比分析,具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 環(huán)梁箍筋間距影響對(duì)比Table 3 Ring beam stirrup spacing influence contrast MPa

由表3可知,隨著箍筋間距的減小,環(huán)梁箍筋應(yīng)力變化較小,僅降低了0.4%和1.6%,可忽略不計(jì);環(huán)梁縱筋應(yīng)力分別降低17%和29.9%,影響較明顯;環(huán)梁拉筋應(yīng)力降低1.3%和16.8%,箍筋間距從125mm縮小為100mm時(shí)影響較明顯;環(huán)梁腰筋應(yīng)力變化先增大而后再減小;鋼管、鋼管混凝土、牛腿、環(huán)梁混凝土應(yīng)力變化均可忽略。

4.2 加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)分析

由4.1節(jié)可知,鋼筋屈服主要出現(xiàn)在環(huán)梁節(jié)點(diǎn)梁頂標(biāo)高較小和受力較大的KL4處,因此KL4為環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行參數(shù)化分析后,確定了該項(xiàng)目采用的加強(qiáng)構(gòu)造措施,即在KL4上部對(duì)應(yīng)環(huán)梁位置增加縱筋,并對(duì)此加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.2.1環(huán)梁混凝土

節(jié)點(diǎn)混凝土構(gòu)件應(yīng)力如圖8所示。由圖8可知,環(huán)梁與框架梁下部相連位置應(yīng)力較大,最大環(huán)梁應(yīng)力為19.35MPa。KL2梁端剪力和彎矩較大,根部下端位置受壓,此處環(huán)梁內(nèi)部鋼筋只有環(huán)梁腰筋,因此混凝土承受全部壓力;KL4梁端剪力和彎矩最大,但此處混凝土應(yīng)力值小于KL2處,原因在于KL4梁下端與環(huán)梁連接處有環(huán)梁縱筋,混凝土承受的壓力通過鋼筋傳遞到環(huán)梁及鋼管混凝土柱。

圖8 節(jié)點(diǎn)混凝土構(gòu)件應(yīng)力(單位:Pa)Fig.8 Stress of node concrete components(unit:Pa)

節(jié)點(diǎn)混凝土剖面受力分析如圖9所示。由圖9可知,所有框架梁應(yīng)力均為斜向傳遞,其中KL4斜向傳遞角度最大,為45°;KL2最小,為30°。整個(gè)環(huán)梁節(jié)點(diǎn)下端受壓,且KL4受力最大,因此環(huán)梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在KL4對(duì)應(yīng)環(huán)梁位置與鋼管混凝土柱相交處。

圖9 節(jié)點(diǎn)混凝土剖面受力(單位:Pa)Fig.9 Stress analysis of node concrete section(unit:Pa)

4.2.2鋼管混凝土

鋼管核心混凝土應(yīng)力如圖10所示。由圖10可知,應(yīng)力最大值位于KL4下部,為14.26MPa。KL4處剪力和彎矩通過環(huán)梁節(jié)點(diǎn)下部傳遞至鋼管混凝土柱,因此,核心混凝土應(yīng)力在環(huán)梁節(jié)點(diǎn)下部較大,與節(jié)點(diǎn)混凝土最大應(yīng)力位置相呼應(yīng)。

圖10 鋼管核心混凝土應(yīng)力(單位:Pa)Fig.10 Steel tube core concrete stress(unit:Pa)

4.2.3鋼管

鋼管應(yīng)力如圖11所示。由圖11可知,鋼管應(yīng)力最大值位于KL2相反側(cè),值為124.7MPa。KL2受剪力和彎矩作用時(shí),KL2上部混凝土和鋼筋受拉,環(huán)梁相當(dāng)于環(huán)箍,一側(cè)受壓時(shí),與之對(duì)應(yīng)的另一側(cè)就會(huì)受拉。從環(huán)梁節(jié)點(diǎn)整體受力可知,在KL2對(duì)應(yīng)位置,鋼管壁所受壓力最大。

圖11 鋼管應(yīng)力(單位:Pa)Fig.11 Steel tube stress(unit:Pa)

4.2.4鋼筋

節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力如圖12所示。根據(jù)節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力變化過程可知,框架梁受正彎矩和剪力作用時(shí),梁上部鋼筋會(huì)先承受拉力。以KL4鋼筋為例,梁端鋼筋錨入環(huán)梁中,當(dāng)框架梁鋼筋受拉時(shí),基于相互連接作用,使環(huán)梁中與此處相連的環(huán)梁縱筋、腰筋受沿徑向向外的拉力,因此環(huán)梁縱筋、箍筋應(yīng)力較大,腰筋和拉筋應(yīng)力也較大。其他計(jì)算模型均驗(yàn)證了環(huán)梁拉筋首先達(dá)到屈服,其次是環(huán)梁箍筋進(jìn)入屈服。

圖12 節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力(單位:Pa)Fig.12 Joint reinforcement stress(unit:Pa)

4.2.5牛腿

牛腿應(yīng)力如圖13所示。由圖13可知,牛腿最大正應(yīng)力為51.45MPa,最大剪應(yīng)力為15MPa。牛腿的主要作用為抗剪和抗彎,同時(shí)增強(qiáng)環(huán)梁混凝土與鋼管混凝土柱的連接。牛腿在KL4一側(cè)應(yīng)力最大,主要是此側(cè)剪力和彎矩較大。

圖13 牛腿應(yīng)力(單位:Pa)Fig.13 Corbel stress(unit:Pa)

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于混凝土塑性損傷本構(gòu)模型,采用ABAQUS有限元軟件,對(duì)規(guī)范未涉及的梁頂標(biāo)高相差過大的鋼管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能進(jìn)行分析,驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)的可靠性。并考慮在標(biāo)高較小框架梁的梁頂位置增加環(huán)梁縱筋和減小環(huán)梁箍筋間距等因素的影響,基于環(huán)梁節(jié)點(diǎn)有限元結(jié)果和節(jié)點(diǎn)傳力路徑分析,得到了節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)構(gòu)造措施。

1)節(jié)點(diǎn)中承受剪力的構(gòu)件主要有梁箍筋、環(huán)梁箍筋和牛腿;承受彎矩的構(gòu)件主要有梁的縱筋、環(huán)梁縱筋、腰筋和牛腿。

2)對(duì)于梁高差較大的環(huán)梁節(jié)點(diǎn),分析按照規(guī)范設(shè)計(jì)的環(huán)梁,在標(biāo)高較小處框架梁頂部處環(huán)梁腰筋出現(xiàn)屈服,因此提出在此位置增加環(huán)梁縱筋和減小環(huán)梁箍筋間距。

3)增加KL4上部縱筋,環(huán)梁箍筋、環(huán)梁拉筋應(yīng)力減小較明顯;環(huán)梁腰筋應(yīng)力變化最大。箍筋間距減小時(shí),環(huán)梁縱筋應(yīng)力變化較明顯。

綜上所述,對(duì)于梁頂標(biāo)高相差較大的環(huán)梁節(jié)點(diǎn),可通過在標(biāo)高較小處框架梁頂部增加環(huán)梁縱筋和減小環(huán)梁箍筋間距加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能,其中增加環(huán)梁縱筋影響最明顯,可為相應(yīng)工程及研究提供參考。