全裝配式混凝土框架型鋼暗牛腿節(jié)點(diǎn)受力性能分析
摘要:型鋼暗牛腿節(jié)點(diǎn)是一種新型的全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接形式,這種連接形式具有傳力路徑明確、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)而日益受到人們關(guān)注。但是,由于受力復(fù)雜和局壓的現(xiàn)象,該節(jié)點(diǎn)中型鋼下的混凝土存在著極容易被壓碎的問(wèn)題?;诖?,本文利用在型鋼下加焊承壓角鋼的辦法來(lái)改進(jìn)這種連接形式,并通過(guò)有限元軟件對(duì)這種改進(jìn)后的型鋼暗牛腿進(jìn)行了非線性分析。最后本文給出了節(jié)點(diǎn)改進(jìn)前后的破壞形式和極限承載力的對(duì)比,并對(duì)此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用給出了建議。
關(guān)鍵詞:預(yù)制混凝土; 框架節(jié)點(diǎn); 型鋼暗牛腿; 有限元; 局部承壓
預(yù)制構(gòu)件組成的裝配式結(jié)構(gòu)的安全性,不完全取決于構(gòu)件的質(zhì)量,同時(shí)還取決于這些構(gòu)件與周邊構(gòu)件的連接。可靠的連接可以按設(shè)計(jì)的要求實(shí)現(xiàn)合理傳遞規(guī)定的內(nèi)力。
據(jù)幾次大地震的調(diào)查表明,預(yù)制混凝土墻結(jié)構(gòu)在震后破壞較輕,而大空間的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為因各構(gòu)件間的連接破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體離散、倒塌[4]。預(yù)制構(gòu)件間的連接是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),也是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)及結(jié)構(gòu)整體抗震研究的前提和基礎(chǔ)。
1 問(wèn)題的提出
國(guó)外裝配式框架節(jié)點(diǎn)考慮延性的設(shè)計(jì)方法比較先進(jìn),技術(shù)上的進(jìn)步已經(jīng)達(dá)到了對(duì)任何常用的框架
結(jié)構(gòu),都可以建造具有抗震能力的整體結(jié)構(gòu)[1]。我國(guó)的預(yù)制裝配式延性框架的研究還比較落后,與發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平在研發(fā)和應(yīng)用上還有較大的差距,客觀上要求開(kāi)發(fā)新型的裝配式延性框架以及其延性連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造方法。新型延性框架中的“干式”節(jié)點(diǎn)除了滿足承載能力要求外還將考慮節(jié)點(diǎn)的抗震性能,把構(gòu)件端部的變形性能也考慮進(jìn)來(lái)。根據(jù)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),新型節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)該具備如下特點(diǎn):
(1)對(duì)于預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)而言連接方式應(yīng)為剛接,形成強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。
(2)傳力路徑明確,盡量將剪力傳遞路徑與彎矩傳遞路徑分開(kāi)。
(3)充分利用延性較好的鋼材形成塑性鉸,并且盡量使塑性鉸區(qū)在離開(kāi)柱邊的地方產(chǎn)生,這樣可以保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力安全。
本文主要針對(duì)一種新型干式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析其受力性能以及存在的不足,給出自己的改善方法并對(duì)這種改善后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析,最后對(duì)該新型節(jié)點(diǎn)的發(fā)展提出自己的建議。
2 一種新型干式連接的優(yōu)缺點(diǎn)
由于牛腿的承載力很高,豎向力能較可靠地傳遞,牛腿連接的方式在干式連接中相當(dāng)普遍。在住宅或商業(yè)用房中,牛腿應(yīng)盡量滿足建筑的要求,此時(shí)常把牛腿做成不影響美觀的暗牛腿。對(duì)于暗牛腿,可以有很多種做法,如型鋼暗牛腿,混凝土暗牛腿等。
在這些暗牛腿連接中,型鋼暗牛腿連接由于其傳力明確,變形性能良好使得這種連接方式具有很好的未來(lái)前景。下面將對(duì)這種型鋼暗牛腿連接節(jié)點(diǎn)的連接形式以及受力性能進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。
如圖 1 所示該節(jié)點(diǎn)就是將型鋼直接伸出來(lái)而不用混凝土包裹直接做成暗牛腿,梁端的剪力可以直接通過(guò)牛腿傳遞到柱子上,梁端的彎矩可以通過(guò)梁端和牛腿頂部設(shè)置的預(yù)埋件傳遞。當(dāng)剪力較大時(shí),用型鋼作成的牛腿還可以減小暗牛腿的高度,相應(yīng)地增加梁端缺口梁的高度以增加抗剪能力。
由此可見(jiàn),新型節(jié)點(diǎn)的牛腿與普通的牛腿的區(qū)別在于:牛腿不僅要為預(yù)制梁端提供豎向反力,而且要能夠提供反向彎矩,并且該種連接有效地將剪力與彎矩的傳遞路徑分開(kāi)。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)連接蓋板,可以較好的發(fā)揮鋼材的延性,是連接構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而保護(hù)混凝土構(gòu)件。
但是該種連接形式中型鋼暗牛腿下的混凝土受力是相當(dāng)復(fù)雜的,型鋼暗牛腿下的混凝土極容易被壓碎,也就是存在著局壓現(xiàn)象?;炷恋木謮浩?span style="text-indent:2em;">壞可以導(dǎo)致整個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)喪失承載能力,使得節(jié)點(diǎn)無(wú)法充分發(fā)揮其承載力以及變形能力。這是該種連接方式的一個(gè)缺點(diǎn)[2]。
本文將對(duì)這種型鋼下混凝土存在的局壓現(xiàn)象提出自己的改進(jìn)措施,并用有限元對(duì)改進(jìn)后的型鋼暗牛腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析,對(duì)比改進(jìn)前的節(jié)點(diǎn)承載能力提出建議。
3 改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)的有限元分析
本文上述部分說(shuō)明了型鋼暗牛腿節(jié)點(diǎn)的受力性能良好,并且傳力路徑明確的優(yōu)點(diǎn)。但是局部承壓?jiǎn)栴}是該連接方式的一個(gè)不足之處。為了使得該連接形式的各部分能充分發(fā)揮其承載力以及變形性能,可以通過(guò)在型鋼暗牛退的上下各一定高度范圍內(nèi)加密柱的箍筋,或者在柱邊型鋼的下翼緣外側(cè)加焊一塊角鋼等辦法來(lái)使豎向應(yīng)力更好的傳遞并且防止局部受壓破壞[3]。
由于型鋼暗牛腿節(jié)點(diǎn)本身采用的就是焊接連接形式,故在型鋼底部加焊一塊角鋼的辦法在工程中的應(yīng)用可行性是很高的。本文著重對(duì)這種改進(jìn)辦法進(jìn)行有限元的分析。通過(guò)有限元分析來(lái)了解這種改良辦法的效果,以及改良后的節(jié)點(diǎn)承載力提高的情況。
3.1 有限元算例的參數(shù)介紹
本次有限元分析采用的軟件為美國(guó) ANSYS 公司開(kāi)發(fā)研制的 ANSYS 10.0,該軟件可以得到大量的結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息,比如結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)變、應(yīng)力、裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)等。為了能把這種改良后的節(jié)點(diǎn)承載力狀況和參考文獻(xiàn)[3]中的原節(jié)點(diǎn)的承載力狀況進(jìn)行對(duì)比,故有限元分析中模型的尺寸均與文獻(xiàn)[3]中的一致。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要的模型參數(shù)介紹:模型中的混凝土材料均采用 solid65 進(jìn)行模擬,solid65 單元可以很好地模擬混凝土的開(kāi)裂(三個(gè)正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變,還可以模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。模型中采用分離式配筋,鋼筋采用 link8 模擬。模型中的承壓鋼板則采用 solid95 模擬,該單元具有二十個(gè)節(jié)點(diǎn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有 3 個(gè)自由度,是一種高精度單元。可以模擬各種金屬材料,如鋼板等。
型鋼暗牛腿選用槽鋼 2[16,埋入柱內(nèi) 500mm,伸出柱面 200mm,柱為邊長(zhǎng) 600mm 的方柱,柱高取 2900mm,柱子的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30。柱中箍筋為 HPB 235 級(jí)鋼筋直徑均為 8mm 且間距為100mm。柱中縱向受力鋼筋為 HRB 335 級(jí)鋼直徑為20mm,型鋼以及改良該節(jié)點(diǎn)性能所用的承壓角鋼均采用 HPB 235 級(jí)鋼。型鋼下邊緣加入承壓角鋼,選用等邊角鋼 L100×10。
本次模擬采用映射分網(wǎng)形式,將單元?jiǎng)澐譃殚L(zhǎng)寬高相差不大的實(shí)體,并在著重研究的部位如型鋼下的混凝土以及承壓角鋼處進(jìn)行比較密的劃分,以求得更加真實(shí)的應(yīng)力。通過(guò)約束位移來(lái)模擬邊界條件,將柱的最下端固結(jié);將柱子最上端水平面內(nèi)的水平位移釋放掉來(lái)模擬滑動(dòng)鉸支座。
由于本次有限元分析著重考慮型鋼下的混凝土局壓現(xiàn)象以及改良后的效果,所以本次模擬不考慮梁的受力性能,所以將梁傳來(lái)的荷載轉(zhuǎn)化為面載加在型鋼上部表面,并且不考慮牛腿下部梁端傳來(lái)的水平力。
3.2 有限元結(jié)果分析
[Page]本次試算采用非線性分析,首先初步估算一個(gè)極限承載力,然后將這個(gè)數(shù)值乘以一個(gè)比較大的系數(shù)進(jìn)行荷載的施加,求出不收斂時(shí)承載力的大致范圍,然后通過(guò)荷載步的方法往前找到模型破壞時(shí)的承載力。
如圖 2 模型結(jié)果顯示,改良后的節(jié)點(diǎn)破壞原因?yàn)樾弯撘砭壍那茐?,而并非是型鋼下的混凝土被壓壞。這與原節(jié)點(diǎn)的破壞形式有著明顯的不同,這種破壞形式可以充分的發(fā)揮型鋼的承載能力以及延性性能,從而保護(hù)了節(jié)點(diǎn)區(qū)。加焊承壓角鋼后的應(yīng)力分布如圖 3 所示,可以從圖中發(fā)現(xiàn)型鋼下混凝土應(yīng)力均勻且在較小的水平,局部承壓現(xiàn)象得到明顯改善。也就是說(shuō)所加的承壓角鋼對(duì)型鋼下的混凝土的局壓現(xiàn)象有很好的改善效果。
由于承壓角鋼很好的保護(hù)了型鋼下的混凝土不受到局部壓應(yīng)力的影響,使得整個(gè)節(jié)點(diǎn)的承載力有了很大程度的提高。由文獻(xiàn)[2]中所給的局部承壓計(jì)算公式 1 計(jì)算出來(lái)的原節(jié)點(diǎn)受局壓破壞時(shí)的極限承載力、有限元計(jì)算出來(lái)的沒(méi)有加焊承壓角鋼的極限承載力以及由本文用 ANSYS 分析計(jì)算出來(lái)的加焊承壓角鋼后的節(jié)點(diǎn)極限承載力分別列于表 1 中進(jìn)行對(duì)比:
注:原型鋼暗牛腿節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算值參看文獻(xiàn)[3]
注:公式推導(dǎo)參看參考文獻(xiàn)[2]
式中:
l-埋入柱中的型鋼長(zhǎng)度;
a-剪跨;
b-型鋼的寬度;
fc' -柱中混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;
H-型鋼暗牛腿的截面高度;
表 1 中原節(jié)點(diǎn)的承載力是型鋼下混凝土的局部壓應(yīng)力起控制作用,也就是通過(guò)計(jì)算混凝土受局壓破壞時(shí)的荷載來(lái)定義承載力。改良后的節(jié)點(diǎn)局部壓應(yīng)力已不再起控制作用,其承載能力是由型鋼翼緣屈服時(shí)的承載能力為準(zhǔn),所以改良后節(jié)點(diǎn)的承載力是由型鋼翼緣屈曲破壞時(shí)的荷載來(lái)定義的。
通過(guò)表 1 中的承載力對(duì)比,可以清楚地看到改良后的節(jié)點(diǎn)的承載力有明顯的增加。這是由于原節(jié)點(diǎn)存在著比較大的局壓(如圖 4 所示),混凝土極容易被壓碎,節(jié)點(diǎn)其他部分的承載能力無(wú)法充分的發(fā)揮,所以當(dāng)荷載過(guò)大節(jié)點(diǎn)就產(chǎn)生的局壓破壞。而加焊了承壓角鋼之后,承壓角鋼承受了部分型鋼傳來(lái)的力,減輕了型鋼下混凝土的局部受壓狀況,很好的保護(hù)好了型鋼下的混凝土,使得節(jié)點(diǎn)各部分的性能更好的發(fā)揮,由于混凝土受壓應(yīng)力均勻所以破壞形態(tài)也發(fā)生了改變,不再是局壓破壞而是型鋼翼緣屈曲破壞(如圖 2 所示),解決局部壓應(yīng)力問(wèn)題使得承載能力也提高了很多。
4 結(jié)論
型鋼暗牛腿的受力是相當(dāng)復(fù)雜的,特別是埋在混凝土柱中的部分,國(guó)內(nèi)外對(duì)于這種連接方式的理論研究都還不成熟,本文主要針對(duì)這種節(jié)點(diǎn)做了改進(jìn)并通過(guò)有限元分析了改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)受力性能??偨Y(jié)全文,主要包括以下幾個(gè)方面:
(1)加焊承壓角鋼后,型鋼下的混凝土得到了很好的保護(hù),破壞形式由混凝土局壓破壞轉(zhuǎn)化為型鋼翼緣變形過(guò)大而發(fā)生的翼緣屈曲破壞。這種破壞形式很好的保護(hù)了節(jié)點(diǎn)區(qū),實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求。
(2)加焊承壓角鋼后,局壓破壞已不再是節(jié)點(diǎn)承載能力的制約原因,節(jié)點(diǎn)各部分可以更好的發(fā)揮性能,節(jié)點(diǎn)的承載能力有了明顯提高,本文算例中的豎向承載力提高了近 60%。
(3)由于混凝土節(jié)點(diǎn)區(qū)的增強(qiáng),破壞形式為型鋼翼緣屈服破壞,這種破壞形式充分的發(fā)揮鋼材的延性,有利于在地震作用下增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性,起到更好的耗能作用。
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編輯:王欣欣
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