鋼梁-鋼筋混凝土柱節(jié)點(diǎn)靜力性能研究.pdf

1、近年來，在組合結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一種新型的結(jié)構(gòu)形式，即由鋼筋混凝土柱和鋼梁(RCS)組成的框架結(jié)構(gòu)。柱子為壓彎構(gòu)件，采用鋼筋混凝土柱，可利用混凝土受壓性能好，易于就地取材，以及鋼筋混凝土構(gòu)件剛度大、耐久性和耐火性好的優(yōu)點(diǎn)，從而節(jié)約鋼材，降低成本，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。梁為受彎構(gòu)件，采用鋼梁，可利用鋼材強(qiáng)度高，以及錮結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量輕、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而減小構(gòu)件截面尺寸，降低房屋高度．增大有效使用空間，降低基礎(chǔ)造價(jià)，加快施工進(jìn)度。工程應(yīng)用實(shí)踐也表明，

2、梁柱采用兩種不同的材料，充分發(fā)揮了材料各自的優(yōu)點(diǎn)，從選材上具有合理性和經(jīng)濟(jì)性。
　　 國外對(duì)RCS框架節(jié)點(diǎn)做了大量研究，并應(yīng)用于實(shí)際工程中。但還存在一些問題，表現(xiàn)在：研究的手段主要是試驗(yàn)，應(yīng)用有限元分析RCS節(jié)點(diǎn)尚處于起步階段；研究大部分集中于RCS 中柱節(jié)點(diǎn)，對(duì)邊柱節(jié)點(diǎn)和項(xiàng)層中柱節(jié)點(diǎn)的研究還不夠充分，對(duì)頂層邊柱節(jié)點(diǎn)缺乏研究；美國ASCE 1994指南強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式用于中柱節(jié)點(diǎn)過于保守。
　　 針對(duì)上述節(jié)點(diǎn)研究存在的問題，

3、在國外已有研究的基礎(chǔ)上，本文主要研究工作如下：
　　 探索采用有限元方法研究RCS梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力性能；對(duì)邊柱RCS梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力性能進(jìn)行進(jìn)一步研究，探討邊柱節(jié)點(diǎn)在靜力荷載作用下的受力、內(nèi)力的傳遞、節(jié)點(diǎn)的破壞模式、節(jié)點(diǎn)的變形、節(jié)點(diǎn)的抗剪機(jī)理、抗剪強(qiáng)度，以及不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、混凝土強(qiáng)度、柱軸向力、梁柱截面幾何尺寸等各種因素對(duì)邊柱節(jié)點(diǎn)受力性能的影響；提出中柱節(jié)點(diǎn)和邊柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)模型與設(shè)計(jì)公式，為RCS節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、構(gòu)造提供理論依據(jù)。
　

4、　 研究表明，通過合理設(shè)置參數(shù)，ANSYS有限元軟件能夠模擬RCS節(jié)點(diǎn)在靜力荷載作用下的性能，并和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。RCS邊柱節(jié)點(diǎn)性能會(huì)受節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、混凝土強(qiáng)度、柱軸向壓(拉)力及梁柱截面尺寸的影響。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不同會(huì)直接影響節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度、延性，以及混凝土的調(diào)動(dòng)程度。FBPS、U型箍筋、鋼柱、E-FBPS、鋼柱面板和鋼帶板都是有效的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，它們之間適當(dāng)組合，可較大地提高節(jié)點(diǎn)的極限荷載，同時(shí)提高節(jié)點(diǎn)的剛度?；炷翉?qiáng)度會(huì)直接影響內(nèi)、外混凝土

5、的抗剪承載力，混凝土圓柱體強(qiáng)度越高，內(nèi)、外混凝土抗剪承載力越高；但對(duì)鋼梁膜板的抗剪承載力無影響。軸向壓力和拉力對(duì)節(jié)點(diǎn)性能影響不同。當(dāng)軸壓比在0.04～0.3之間變動(dòng)時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限抗剪強(qiáng)度并無影響，但當(dāng)軸壓比大于0.40時(shí)，節(jié)點(diǎn)的極限抗剪強(qiáng)度反而降低。隨著軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)的剛度增大了，但柱子的延性卻降低了。軸向拉力的增大使節(jié)點(diǎn)的極限抗剪強(qiáng)度、剛度和柱子的延性都降低。軸向拉(壓)力對(duì)鋼梁腹板的抗剪承載力影響不大。軸向壓力使得內(nèi)、外混凝土

6、的抗剪承載力提高，但提高量不大。而軸向拉力卻相反。梁和柱的截面高度、寬度發(fā)生相對(duì)變化，會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的破壞形式、節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和延性。RCS邊柱節(jié)點(diǎn)試件可能會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)破壞，也可能會(huì)發(fā)生梁端出現(xiàn)塑性鉸。如果柱子比較弱，還可能會(huì)發(fā)生柱子破壞。節(jié)點(diǎn)區(qū)存在較大的剪力，常常會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)剪切破壞。
　　 RCS梁柱節(jié)點(diǎn)一般承受柱子傳來的軸力、彎矩和剪力，以及梁傳來的彎矩、剪力和軸力。梁的軸力很小，可忽略不計(jì)。在軸向壓力不是很大的情況下(小于30

7、％的柱抗壓強(qiáng)度)，忽略柱軸向壓力影響不太。在外荷載作用下，RCS節(jié)點(diǎn)的破壞過程大體可歸納為三個(gè)階段；初裂階段、鋼腹板屈服階段和極限階段。：RCS節(jié)點(diǎn)有兩種破壞形式：剪切破壞和承壓破壞。無論哪一種破壞形式，內(nèi)、外單元之間都有扭轉(zhuǎn)剪力的傳遞。節(jié)點(diǎn)一般會(huì)發(fā)生剪切破壞，剪切破壞中常常伴隨有承壓破壞。由于RCS節(jié)點(diǎn)梁和柱的截面寬度相差較大，RCS節(jié)點(diǎn)變形是三維空間變形，在外荷載作用下，內(nèi)、外混凝土之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)混凝土的變形要大于外混凝土的變

8、形。內(nèi)混凝土的變形包括剪切變形和承壓變形；外混凝土的變形僅剪切變形。有限元分析結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞的前提下，承壓變形占節(jié)點(diǎn)總變形很大比例。試驗(yàn)研究也表明，在大部分情況下，即使節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞，仍然存在較大的承壓變形。RCS節(jié)點(diǎn)的抗剪有三種機(jī)理：鋼膜板抗剪機(jī)理、內(nèi)混凝土斜壓桿機(jī)理和外混凝土斜壓桿機(jī)理。RCS節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模型仍然采用P-M型，但作了一些修正：1)考慮到RCS節(jié)點(diǎn)變形為空間變形，將內(nèi)、外混凝土分開，分別按處于平面應(yīng)變狀態(tài)來

9、處理；2)考慮到節(jié)點(diǎn)承壓變形較大，內(nèi)混凝土除了考慮剪切變形之外，還要考慮承壓變形的影響，而外混凝土只考慮剪切變形?；谇懊娴脑O(shè)計(jì)模型，得到RCS邊柱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度(名義強(qiáng)度、鋼腹板屈服時(shí)的強(qiáng)度、外混凝土初裂時(shí)的強(qiáng)度)計(jì)算公式和設(shè)計(jì)公式。取內(nèi)混凝土總變形等于2％時(shí)的強(qiáng)度為節(jié)點(diǎn)的名義強(qiáng)度，內(nèi)混凝土總變形等于1％時(shí)的強(qiáng)度為鋼腹板屈服時(shí)的強(qiáng)度，外混凝土初裂時(shí)的強(qiáng)度為節(jié)點(diǎn)的初裂強(qiáng)度。按本文提出公式算得的：RCS邊柱節(jié)點(diǎn)名義強(qiáng)度、鋼腹板屈服時(shí)的強(qiáng)度和外混