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钢梁—钢筋混凝土柱节点静力性能研究

申红侠  
【摘要】: 近年来,在组合结构中出现一种新型的结构形式,即由钢筋混凝土柱和钢梁(RCS)组成的框架结构。柱子为压弯构件,采用钢筋混凝土柱,可利用混凝土受压性能好,易于就地取材,以及钢筋混凝土构件刚度大、耐久性和耐火性好的优点,从而节约钢材,降低成本,增加结构的稳定性。梁为受弯构件,采用钢梁,可利用钢材强度高,以及钢结构构件质量轻、施工速度快的优点,从而减小构件截面尺寸,降低房屋高度,增大有效使用空间,降低基础造价,加快施工进度。工程应用实践也表明,梁柱采用两种不同的材料,充分发挥了材料各自的优点,从选材上具有合理性和经济性。 国外对RCS框架节点做了大量研究,并应用于实际工程中。但还存在一些问题,表现在:研究的手段主要是试验,应用有限元分析RCS节点尚处于起步阶段;研究大部分集中于RCS中柱节点,对边柱节点和顶层中柱节点的研究还不够充分,对顶层边柱节点缺乏研究;美国ASCE 1994指南强度设计公式用于中柱节点过于保守。 针对上述节点研究存在的问题,在国外已有研究的基础上,本文主要研究工作如下:探索采用有限元方法研究RCS梁柱节点的静力性能;对边柱RCS梁柱节点的静力性能进行进一步研究,深入探讨边柱节点在静力荷载作用下的受力、内力的传递、节点的破坏模式、节点的变形、节点的抗剪机理、抗剪强度,以及不同节点构造、混凝土强度、柱轴向力、梁柱截面几何尺寸等各种因素对边柱节点受力性能的影响;提出中柱节点和边柱节点的设计模型与设计公式,为RCS节点设计、构造提供理论依据。 研究表明,通过合理设置参数,ANSYS有限元软件能够模拟RCS节点在静力荷载作用下的性能,并和试验结果吻合较好。RCS边柱节点性能会受节点构造、混凝土强度、柱轴向压(拉)力及梁柱截面尺寸的影响。节点构造不同会直接影响节点强度、刚度、延性,以及混凝土的调动程度。FBPS、U型箍筋、钢柱、E-FBPS、钢柱面板和钢带板都是有效的节点构造,它们之间适当组合,可较大地提高节点的极限荷载,同时提高节点的刚度。混凝土强度会直接影响内、外混凝土的抗剪承载力,混凝土圆柱体强度越高,内、外混凝土抗剪承载力越高;但对钢梁腹板的抗剪承载力无影响。轴向压力和拉力对节点性能影响不同。当轴压比在0.04~0.3之间变动时,对节点的极限抗剪强度并无影响,但当轴压比大于0.40时,节点的极限抗剪强度反而降低。随着轴压比的增大,节点的刚度增大了,但柱子的延性却降低了。轴向拉力的增大使节点的极限抗剪强度、刚度和柱子的延性都降低。轴向拉(压)力对钢梁腹板的抗剪承载力影响不大。轴向压力使得内、外混凝土的抗剪承载力提高,但提高量不大。而轴向拉力却相反。梁和柱的截面高度、宽度发生相对变化,会影响节点的破坏形式、节点的强度、刚度和延性。RCS边柱节点试件可能会发生节点破坏,也可能会发生梁端出现塑性铰。如果柱子比较弱,还可能会发生柱子破坏。节点区存在较大的剪力,常常会发生节点剪切破坏。 RCS梁柱节点一般承受柱子传来的轴力、弯矩和剪力,以及梁传来的弯矩、剪力和轴力。梁的轴力很小,可忽略不计。在轴向压力不是很大的情况下(小于30%的柱抗压强度),忽略柱轴向压力影响不大。在外荷载作用下,RCS节点的破坏过程大体可归纳为三个阶段:初裂阶段、钢腹板屈服阶段和极限阶段。RCS节点有两种破坏形式:剪切破坏和承压破坏。无论哪一种破坏形式,内、外单元之间都有扭转剪力的传递。节点一般会发生剪切破坏,剪切破坏中常常伴随有承压破坏。由于RCS节点梁和柱的截面宽度相差较大,RCS节点变形是三维空间变形,在外荷载作用下,内、外混凝土之间存在相对转动,内混凝土的变形要大于外混凝土的变形。内混凝土的变形包括剪切变形和承压变形;外混凝土的变形仅剪切变形。有限元分析结果表明,在节点发生剪切破坏的前提下,承压变形占节点总变形很大比例。试验研究也表明,在大部分情况下,即使节点发生剪切破坏,仍然存在较大的承压变形。RCS节点的抗剪有三种机理:钢腹板抗剪机理、内混凝土斜压杆机理和外混凝土斜压杆机理。RCS节点设计模型仍然采用P-M模型,但作了一些修正:1)考虑到RCS节点变形为空间变形,将内、外混凝土分开,分别按处于平面应变状态来处理;2)考虑到节点承压变形较大,内混凝土除了考虑剪切变形之外,还要考虑承压变形的影响,而外混凝土只考虑剪切变形。基于前面的设计模型,得到RCS边柱节点强度(名义强度、钢腹板屈服时的强度、外混凝土初裂时的强度)计算公式和设计公式。取内混凝土总变形等于2%时的强度为节点的名义强度,内混凝土总变形等于1%时的强度为钢腹板屈服时的强度,外混凝土初裂时的强度为节点的初裂强度。按本文提出公式算得的RCS边柱节点名义强度、钢腹板屈服时的强度和外混凝土初裂时的强度均与有限元计算结果吻合很好;算得的RCS边柱节点设计强度和ASCE1994指南设计强度相比,二者吻合较好。


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