1、钢筋混凝土柱钢梁RCS空间组合节点的有限元研究钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)空间组合节点的有限元研究 ? 钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)空间组合节点的有限元研究 钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)空间组合节点的有限元研究 熊礼全*毛海涛付亚男王海龙郭正超 (重庆三峡学院,重庆 404000) 摘要：节点是影响钢梁-钢筋混凝土柱(RCS)组合框架结构体系受力性能的关键部件。借助ABAQUS有限元分析软件,对RCS空间组合节点在静力荷载作用下的受力性能进行有限元分析。研究表明,通过合理设置参数,ABAQUS有限元软件能够模拟RCS梁柱节点在静力荷载作用下的性能,并与试验结果吻合较好。结合ABAQUS有限元模
2、拟,比较了轴压比、混凝土强度、楼板厚度、楼板宽度等参数对RCS空间组合节点承载力和刚度的影响,并提出RCS组合结构设计建议。 关键词：钢筋混凝土柱-钢梁(RCS); 空间组合节点; 有限元; 数值模拟 0引言 20世纪80年代初期,美国学者率先成功研制了一种新型组合结构形式,即由钢筋混凝土柱与型钢梁组成的组合框架结构(composite frame consisting of reinforcedconcrete column and steel beam,简称RCS)1。RCS组合框架结构体系将作为压弯杆件的框架柱设计成抗轴力性能强、稳定性能好的钢筋混凝土构件,而对主要承受弯矩和剪力作用的梁
3、(包括框架主次梁)则设计成抗弯剪性能好的钢梁,并采取适当的构造措施保证框架梁柱节点在节点刚度、荷载的传递、变形协调等方面与传统的结构一致,通常这种组合结构的楼板采用组合楼板即钢筋混凝土楼板和压型钢板组合所成。RCS组合框架可以充分发挥钢与混凝土两种材料各自的优点2-3,使整个组合框架的综合性能比传统的钢筋混凝土框架和钢框架更加地适合当今经济发展和使用性能的要求,基于RCS组合结构的优点,RCS组合结构在欧美等地实际工程中得到较广泛的应用4。 由于RCS组合节点形式的多样性5-7,且节点受力较复杂。目前国内外学者大多对RCS组合节点的研究主要集中在平面节点(即梁、柱试件处于同一个竖向平面内),与
4、实际工程节点受力有较大的差别。试验是结构领域不可或缺的研究手段,然而试验本身(试件、设备、测量手段等差异)具有有一定的局限性。因此,为了更好的了解RCS组合框架结构节点的受力特点和推广RCS组合结构在我国的应用,结合我国的工程实际,本文借助ABAQUS有限元分析软件,对RCS中柱节点进行三维非线性有限元分析,并和试验结果相比较。对RCS空间组合节点受力机理进行研究和参数分析,并提出关于RCS组合结构的设计建议,具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 1钢梁-钢筋混凝土柱组合节点有限元研究现状 一直以来,国内外学者对RCS组合节点有限元的研究多集中于平面节点,即梁、柱等构件位于同一平面,且荷载也
5、作用于这一平面内的节点,对组合节点强度、滞回性能、应力状态等受力进行了较深入研究。研究表明8-12,节点的应力传递机理、节点的有效宽度、轴压比、水平箍筋、柱内纵向钢筋、混凝土强度等因素均会对RCS组合节点框架节点的受力性能有一定的影响。 考虑实际工程中RCS组合节点处于三维空间受力状态,为了更好地了解节点的受力性能,对于空间节点的研究一直在不断深入和发展,新西兰、日本、美国、中国等相继完成了一定数量的框架节点抗震性能的试验研究,但对RCS空间组合节点的有限元研究较少,其他结构的空间节点研究表明13-15考虑楼板厚度、楼板宽度、双向加载比例、梁柱强度比等参数对节点受力性能有较大的影响。 2钢梁-
6、钢筋混凝土柱空间组合节点设计 RCS空间组合节点采用文献16中试件5,几何尺寸如图1所示。试件的设计比例为11,钢筋混凝土柱的长度为2 740 mm,型钢梁长为2 740 mm,柱端是铰接,模拟实际结构中受力反弯点。在柱上端作用890 kN(200 kips)的轴力,轴压比n=0.2,代表作用在柱子的重力荷载。试件5按照美国的ASCE1994的设计指南进行设计,采用“梁贯通式”节点。 图1试件5的基本尺寸Fig.1Geometry dimensions of joint-5 试件5的构造措施比较复杂,如图2所示。 图2试件5的构造措施Fig.2Joint configuration 试件的构造
7、措施包括三个部分,第一部分,混凝土柱中埋有小型型钢,型钢的截面为W1222,型钢截面相对于混凝土柱的截面较小,不计入混凝土柱配筋率中。离柱中心330 mm的位置上焊接了一块尺寸为280 mm40 mm10 mm的面承板,加强节点刚度和节点有效传力机制,纵横型钢梁在节点处的连接为高强螺栓连接,通过三颗螺栓和小型型钢对次梁的连接,在其构造措施如图2(a)所示。第二个部分,RCS空间组合试件为了防止型钢梁翼缘处柱的破坏即斜压破坏,在型钢翼缘处焊接了尺寸为380 mm380 mm10 mm的扁钢箍。在主次梁的翼缘上,焊接了间距为76 mm,直径为19 mm的高强螺栓,可以保障试件剪力在型钢梁和楼板间的
8、传递,其构造措施如图2(b)所示。第三部分,斜板的尺寸为382 mm310 mm10 mm的钢板,斜板与梁上的面承板采用焊接,其构造措施如图2(c)所示。限于篇幅,详细的柱子配筋以及材料性质见文献16。 3钢梁-钢筋混凝土柱空间组合节点有限元模型建立 3.1基本假设 针对混凝土受力复杂性、RCS构造措施的多样性,为了能够较准确的反映节点受力,ABAQUS有限元软件对RCS组合节点模拟分析时,需要做如下几个基本假定:节点小变形;忽略钢筋、型钢和混凝土之间的黏结滑移影响;忽略纵筋的销拴作用;不考虑混凝土的徐变、收缩以及温度变化等对组合节点混凝土的影响17。 3.2材料的本构关系 混凝土单轴受压应力
9、-应变关系模型是根据混凝土结构设计规范(GB 500102012)18中混凝土的本构模型,暂忽略箍筋对混凝土的约束作用。混凝土受拉采用应力-断裂能模型,并参考欧洲的模型规范(CEBFIP MC9019)。 本文钢材应力-应变关系模型采用二次塑流模型。钢材采用各向同性的弹塑性材料进行模拟,选用Von Mises屈服准则作为屈服条件。钢材的骨架曲线采用Esmaeilly 和 Xiao20建议的曲线,曲线如图3所示,具体参数详见文献20。其中,钢筋的屈服强度Fy按照试验数据的实际情况选取,弹性模型的取值为Es=206 000 MPa,泊松比vs=0.3。 3.3单元类型及界面的处理 1) 单元类型的
10、选择 在试件的有限元模型中,混凝土柱、混凝土楼板采用C3D8R实体单元,即为八节点减缩积分三维实体单元。型钢部分采用S4R四节点壳单元,钢筋和箍筋采用T3D2即三维两节点桁架单元。 图3钢材应力-应变曲线Fig.3Steel stress-strain curve 2) 边界条件 柱端约束采用在柱端设置参考点的方法,将柱端面与参考点设为刚体连接,通过在参考点上施加轴力和约束,实现轴心受压与三维柱端铰接约束的模拟。试件的约束条件为:约束柱顶参考点的X向、Y向平动自由度,约束柱底参考点的X向、Y向、Z向平动自由度,以实现两端铰接。整个节点边界条件的设置与试验条件基本一致。 3) 型钢与混凝土柱界面
11、处理 根据型钢梁和钢筋混凝土柱节点在本课题组的试验现象21,在模型建立过程中通过定义接触来模拟型钢梁和钢筋混凝土柱在节点区界面的关系,法线方向采用硬接触,切线方向采用通过库伦摩擦模型定义黏结滑移。忽略钢筋在混凝土中的黏结滑移,钢筋与混凝土中变形连续。模型如图4所示。 图4组合节点模型Fig.4Joint model 4有限元计算结果与试验结果的比较 为了验证ABAQUS有限元软件对RCS组合结构计算的适用性,选用了课题组两个RCS平面组合节点和试件五的有限元计算结果和试验进行比较。两个RCS平面组合节点选用RCSJ-2和RCSJ-4,节点的详细情况参考文献21。RCS平面组合节点和RCS空间组
12、合节点有限元计算结果和试验结果比较如图5所示。从图中可见,试验计算结果和有限元计算结果接近。由于有限元分析对材料本构关系、混凝土开裂及材料损伤退化等材料特性的简化及相关忽略,使得其结果与试验结果存在一定的误差,但结果的平均误差仅为3%5%之间。 图5试件试验与模拟荷载-变形骨架曲线比较Fig.5Comparison of load-deformation response among all specimens 5参数分析 5.1骨架曲线分析 图6为RCS空间组合试件5在单调荷载作用下梁端荷载位移曲线(梁端相对位移角包括梁端弯曲变形引起的相对侧移、节点区剪切变形引起的相对侧移)。 图6试件5梁
13、端荷载位移曲线Fig.6Load-deformation response for Joint-5 从图可以看出,节点在受力过程中经历了四个阶段,分别为弹性阶段、屈服阶段、极限阶段、破坏阶段。RCS空间组合节点从节点开始屈服到节点破坏这一受力过程中,节点的延性系数为4.62,此类节点具有很好的延性。 5.2轴压比 选定轴压比n作为分析参数,对试件在单调荷载作用下梁柱节点的极限承载力、刚度进行比较。本节所谓的刚度是指弹性阶段梁端位移增量与梁端反力增量的比值,承载力用节点在极限承载力时梁端反力表示。保持其他条件不变,设定名义轴压比n为0.10.7,得到不同轴压比作用下节点梁端荷载位移曲线、承载力、
14、刚度变化曲线,如图7所示。 图7轴压比对节点的影响Fig.7The influence of the axial-compression ratio on joint 结果表明,当轴压比nn0.5时,节点梁端承载力随轴压比的增加而减小,在轴压比n=0.5时,节点梁端承载力达到峰值。不同轴压比对节点刚度的影响曲线可以看出,节点刚度随轴压比的增加而增大。随着轴压比的增加,RCS空间组合节点在破坏阶段的荷载位移骨架曲线下降速度也在增加,说明轴压比的增加也增加了节点的脆性。 5.3混凝土强度 选定混凝土强度C作为分析参数,本文所采用的混凝土强度的变化范围仅仅为C25C40,比较分析普通混凝土强度对RC
15、S空间组合节点承载力及刚度的影响,如图8所示。结果表明,随着混凝土强度的提高,组合节点梁端承载力及刚度都有明显提高,同时骨架曲线表明节点脆性增大。 图8混凝土强度对节点的影响Fig.8The influence of concrete strength 5.4楼板厚度 选定楼板厚度h作为分析参数,设楼板厚度的变化范围为50150 mm,比较分析不同楼板厚度对考虑楼板的RCS空间组合节点承载力及刚度的影响,如图9所示。 结果表明,RCS空间组合节点的梁端承载力、节点刚度都随混凝土楼板厚度的增加均有较大变化,同时当楼板厚度增加一定程度后,节点承载力和节点刚度的增加趋势较为平缓。 5.5楼板宽度 选
16、定楼板宽度w作为分析参数,设楼板宽度的变化范围为6003 200 mm,比较分析不同楼板宽度对考虑楼板的RCS空间组合节点承载力及刚度的影响,如图10所示。 图9楼板厚度对节点的影响Fig.9The influence of slab thickness 结果表明,RCS空间组合节点的梁端承载力、节点刚度都随混凝土楼板宽度的变化呈倒抛物线变化,在楼板宽度等于2 000 mm时,节点梁端承载力达到峰值。 结果表明,组合节点梁端承载力及刚度都随楼板配筋率的增加而增加,近似呈线性增加,但是楼板配筋率对节点影响比较小,所以对于RCS组合结构,其楼板配筋可以参考钢筋混凝土结构楼板的配筋形式和配筋率进行配
17、筋即可。 5.6楼板配筋率 选定楼板配筋率作为分析参数,设楼板配筋率的变化范围为0.5%2.0%,比较分析不同楼板配筋率对考虑楼板的RCS空间组合节点承载力及刚度的影响,如图11所示。 图10楼板宽度对节点的影响Fig.10The influence of slab width 5.7型钢梁腹板厚度 选定型钢梁腹板厚度t作为分析参数,设型钢梁腹板厚度的变化范围为612 mm,比较分析不同型钢梁腹板厚度对考虑楼板的RCS空间组合节点承载力及刚度的影响,如图12所示。结果表明,组合节点梁端承载力及刚度都随型钢梁腹板厚度的增加而增加,近似呈线性增加。 6设计建议 通过ABAQUS有限元软件对RCS空
18、间组合节点的分析表明,在轴压比n=0.5时,节点承载力和节点刚度达到最大值;混凝土强度对考虑楼板的RCS空间节点影响较大;楼板厚度对节点承载力和节点刚度有较大的影响,综合分析发现,节点楼板厚度取90120 mm最佳。楼板宽度对节点承载力和节点刚度呈倒抛物线形影响,在楼板宽度约等于2 000 mm时节点承载力和节点刚度达到最大值。楼板配筋率对节点承载力和节点刚度影响较小,在设计中仅仅需要按照钢筋混凝土结构的楼板设计即可。型钢梁腹板的厚度对节点承载力和节点刚对的影响最为突出,最主要的原因为节点受力过程中型钢梁的“框架剪力墙”模型对节点承载力影响很大所致。 图11楼板配筋率对节点的影响Fig.11T
19、he influence of slab reinforcement ratio 7结论 (1) RCS组合结构充分利用了混凝土构件和钢构件各自在结构及经济上的优点,RCS组合结构体系正得到越来越多的研究和应用。 (2) 通过合理设置参数,包括材料的本构关系、边界条件、单元的选择等,ABAQUS有限元软件模拟对RCS空间组合节点在静力荷载作用下的性能,与试验结果吻合较好。 图12型钢梁腹板对节点影响Fig.12The influence of shear web thickness (3) 对RCS空间组合节点进行参数分析,主要针对轴压比、混凝土强度等参数对节点承载力和节点刚度的影响,并根据模
20、拟结果对RCS组合结构提出设计建议。 (4) 由于RCS组合结构的复杂性,对于RCS组合节点的受力性能还需要进一步的研究。 参考文献 1Sheikh T M,Deierlein G G,Yura J A.Beam-column moment connection for composite frames:Part 1J.Journal of Structural Engineering,1989,115(11):2858-2876. 2Griffis L G.Composite frame constructionM/Dowling P J,et al.Constructional Steel
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