（机械设计及理论专业论文）钢管混凝土柱结构抗震性能研究.pdf

捅要 ，_ ， i 近年来，由于钢管混凝土柱结构具有许务优点而在高层建筑中得到越来越广 泛的应用，因而对其进行研究具有重要意义。，本文在广州新中国大厦模型的基础 上，对钢管混凝土柱单梁节点进行了试验研究，考查节点的静力工作性能和在低 周反复载荷作用下的动力性能，检验了节点设计的合理性和可靠性。进而对单粱节 点用a n s y s 进行了有限元受力分析，了解节点的内部受力机理。分析表明，在梁 钢筋及钢牛腿进入屈服的非线性阶段，节点区钢管的应力依然处于弹性状态，符合 “强柱弱粱，强节点，弱构件”的设计要求。根据试验和有限元计算的结果，提 出了合理的节点设计意见。采用杆系模型，对由单梁节点组成的钢管混凝土柱框 架模型进行了弹塑性地震反应时程分析，分析其在各种地震波作用下的反应，检 验其实际的抗震性能，计算结果与广州大学试验结果基本吻合。试验和计算结果 表明：钢管混凝土单梁节点受力可靠，钢管混凝土柱框架结构抗震性能好，在强 烈地震的作用下，结构没有发生不可逆的破坏，能有效抵抗地震波的作用。 关键词：钢管混杂7 有限元：芬薪：弹塑性爵袅分析：莸 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m n sh a v e b e e n w i d e l ya p p l i e d i n h i g h r i s e s t r u c t u r ed u et ot h e i r m a n y a d v a n t a g e s ，t h u si t i s v e r ym e a n i n g f u lt o d of u r t h e rr e s e a r c ho n t h i ss t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ec o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b u l a rc o l u m n s i n g l e b e a mj o i n tw a sc a r r i e d o u t ， w h i c hi sb a s e do nt h em o d e lo fn e wc h i n ab u l i d i n gi ng u a n g z h o u t h es t a t i cb e h a v i o ra n d d y n a m i c b e h a v i o ru n d e r l o w c y c l i c r e v e r s e dl o a do ft h ej o i n tw e r ea n a l y s e dt oe x a m i n et h er a t i o n a l i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ej o i n td e s i g n f u r t h e r m o r e ，t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l 3 ，s e o fi o i n tw i t h a n s y s w a s p u t f o r w a r dt of i n do u tt h e i n t e r n a lm e c h a n i e a lb e h a v i o u ro ft h e i o i n t s a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s e s t h es t e e lt u b es t r e s si nt h ei o i n t si ss t i l l i na ne l a s t i cs t a t e w h e nt h er e i n f o r e e db a ra n ds t e e lb r a c k e te n t e ri n t ot h ey i e l d e d n o n - l i n e a rs t a g e t h u s ，i ta c c o r d sw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n to f t h ec o l u m ni s s t r o n g e rt h a nt h eb e a m ；t h ej o i n ti ss t r o n g e rt h a n t h ef r a m em e m b e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n ta n d f e a ，ar a t i o n a lp r o p o s a lo nt h ed e s i g no fj o i n t s i s p u tf o r w a r d w i t ht h e a i do fp o l em o d e l ，t h ec o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a r c o l u m ns t r u c t u r ee l a s t o p l a s t i ct i m eh i s t o r ya n a l y s e sw a sc a r r i e d o u tt oc a l c u l a t ei t s r e s p o n s eu n d e rs e i m i c w a v e s t h i sr e s u l t s c o n c o r d sw i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft h em o d e li n g u a n g z h o u u n i v e r s i t y t h ee x p e r i m e n t a l a n dc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w ：t h e s i n g l e b e a m o i n to ft h ec o n c r e t ef i l l e d s t e e lt u b u l a rc o l u m n si s r e l i a b l eu n d e rs t r e s s i r r e v e r s i b l ed e s t r u c t i o nd o e sn o tt a k ep l a c e i nt h i ss t r u c t u r ee v e nu n d e rs t r o n ge a r t h q u a k e t h e r e f o r e ，i tc a n r e s i s tt h es e i s m i cw a v ee f f e c t i v e l y 一 k e yw o r d s ：c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b u l a r ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s ； e l a s t o p l a s t i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i s ；a s e i s m i c l l 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于广州新中国大厦工程，该楼5 6 层，楼高2 0 1 8 米，采用框剪 结构体系，主楼部分从地下室到地上2 4 层的框架柱采用钢管混凝土柱，地上钢管 混凝土柱节点采用单梁节点，该楼外廓图见图1 1 。 图1 1 广州新中国大厦外廓圈 应广东省建筑设计研究院委托，广州大学对其模型进行了节点静动力试验研 究和振动台试验研究，获得了大量的试验数据。为了从理论上进一步分析钢管混 凝土柱结构的内部受力机理及其抗震性能，本文主要从理论计算的角度对相应模 型进行计算分析，并与实验结果进行对比，找出钢管混凝土柱结构的薄弱点，为 该结构的进一步完善提供参考依据。本课题研究的节点型式为单梁节点，属现浇 r c 粱钢管混凝土柱节点。由于模型复杂而巨大，节点单元数万个，计算重特别大， 同时钢管混凝土相关理论并不成熟，本文在进行有限元分析时采用了当今比较通 用的有限元分析程序a n s y s 进行计算，并获得了较好的计算结果。而在进行时程 分析时，根据相关理论，编制了相应的程序。 1 2 国内外研究现状小2 3 钢管混凝土结构是在型钢混凝土结构的基础上发展起来的，它利用钢管和混 凝土两种材料在受力过程的相互制约，使钢管混凝土结构具有承载能力高、塑性 和韧性好、抗震和防火性能优越，节约材料及施工周期短的特点。 经过多年的实践与研究，钢管混凝土结构在各种建筑结构中得到了广泛的应 用，试验与理论研究也广泛深入开展。特别是近几十年来，随着计算机的迅速发 展，相应的数值计算方法趋于成熟与完善，使复杂的理论分析与计算成为可能。 特别是有限元法的出现与成熟，极大的促进了钢管混凝土结构的研究发展，取得 了大量的研究成果。 随着钢管混凝土理论的日益完善和工程的广泛应用，钢管混凝土柱与梁的连 接一一节点成为钢管混凝土结构研究与推广的关键技术问题之一矗e 国建材总局、 建设部先后于8 9 年、9 0 年和9 1 年颁布了钢管混凝土结构设计与施工规程，并提 供了几种典型的钢管混凝土柱节点型式及构造措旌。近年来，随着钢管混凝土结 构体系在高层和超高层建筑中的广泛应用，许多工程师还跟据工程经验和实际情 况创造并设计出许多新型节点。 随着钢管混凝土结构体系在高层和超高层建筑中的广泛应用，节点设计成为 广大设计人员关注的关键问题，综合以往的研究成果和经验，节点设计应遵循以 下基本原则： ( 1 ) 节点设计应力求传力明确、简捷，构造简单，节约材料，便于标准化、工厂化 制作且易于现场施工。 ( 2 ) 节点传力构件应将梁中内力可靠的传递给钢管混凝土柱，连接件与钢管的施焊 应遵循等强原则，尽量减少焊接对钢构件的热损失。 ( 3 ) 伸入钢管混凝土柱内的构件应尽量减小对管内混凝土浇灌的不利影响，保证节 点区混凝土浇注密实。 ( 4 ) 节点设计应尽量减少因截面削弱或开孔洞对原钢管混凝土柱的不利影响。 f 5 ) 柱对接或截面接口不宜设在节点区附近。 1 3 钢管混凝土结构的优点和工程实践幢埘 钢管混凝土能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的 需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被越来越广泛的应用于各种厂房、 支架、空间结构、高层和超高层以及桥梁结构中，取得良好的经滚效益和建筑效 果。 2 钢管混凝土在高层和超高层建筑中，主要用于柱结构，其主要有点有： ( 1 ) 受力合理，能充分发挥混凝土和钢材的特长，从而使构件的承载能力大大提高。 对于同样的负荷，钢管混凝土构件的截面比钢筋混凝土构件显著减小。对混凝 土来说，由于钢管约束，改变了受力性能，变单向受压为三向受压，使混凝土 抗压强度提高了几倍。对钢管来说，由于混凝土填充了钢管，保证了薄壁钢管 的局部稳定，使其对于局部缺陷敏感的弱点得到了弥补。 ( 2 ) 具有良好的塑性。混凝土是脆性材料，混凝土的破坏具有明显的脆性性质。而 在钢管混凝土结构中，由于核心混凝土处于三向受压状态，约束混凝土和普通 混凝土不同，不仅改善了使用阶段的弹性性质，而且在破坏时产生很大的塑性 变形。根据哈尔滨工业大学的试验证实，钢管混凝土柱的破坏，完全没有脆性 特征，属于塑性破坏1 3 】。 ( 3 ) 施工简单，缩短工期。钢管混凝土柱结构可采用“逆做法”施工，大大加快了 施工速度。 ( 4 ) 获得很好的经济效益。与钢结构相比，节省了大量的钢材，根据多项工程统计， 钢管混凝土大约能节省钢材5 0 。而与钢筋混凝土结构相比，大约可减少混 凝土用量的一半，而钢用量大致相当。因而相应的降低了造价。 ( 5 ) 具有良好的抗震性能。由于结构自重大大减轻，这对减小地震作用大为有利。 钢管混凝土结构具有良好的延性，这在抗震设计中是极为重要的。 ( 6 ) 具有良好的造型和最小的受风面积。 由于钢管混凝土结构具有一系列的优点，因而被广泛应用于高层建筑中。 目前，国内外已有多幢高层建筑采用了钢管混凝土柱结构。见表1 1 。 1 4 钢管混凝土目前的研究方法 对于钢管混凝土构件的研究存在各种不同的方法，其区别在于如何估算钢管 和核心混凝土之间相互约束而产生的效应。这种效应的存在构成了钢管混凝土构 件的固有特性，从而导致其力学性能的复杂性。研究学者们从不同的角度对上述 问题进行了研究，由于对钢管和混凝土之间约束效应的理解不同，因而估计的准 确程度也有所不同，所获计算方法和计算结果也就会有差异。但无论采用那种方 法，其目的都是为了寻找钢管混凝土合理的设计方法。 由于混凝土工作性能的非线性，以及两种材料共同工作时性能的复杂性，求 极限载荷是比较简捷的方法。基本概念是：钢管对核心混凝土提供了约束，使混 3 凝土三向受压，从而提高了承载力，达到极限承载力时，钢管纵向应力为零，环 向应力达到屈服点，因而约束效应达到最大。对于钢管混凝土临界力的计算方法 可以归纳为以下几类： 表1 1 采用钢管混凝土的高层建筑一览表 序号建筑物名称地点层数高度柱子截面 1好世界广场广州3 61 1 6 3由1 2 0 0 2 0 2 世界金融大厦北京 3 61 2 0巾1 4 0 0 3 0 3新中国大厦广州 5 62 0 1 8由1 6 0 0 2 8 4 京光广场广州6 02 2 0中1 6 0 0 2 0 5赛格广场大厦深圳7 62 9 1 6由1 6 0 0 x 2 8 6 l d c q u e e n s 香港7 32 9 28 0 0 8 0 0 r o a dc e n t r a l 7t w o u i i i o n 芝加哥 6 22 7 0由3 2 0 0 x 1 8 s q u a r e 8邮电信息枢纽深圳4 81 8 0如1 6 0 0 2 0 中心大厦 9f o r r e s tc e n t e f珀斯5 82 0 5由1 6 0 0 x 2 8 1 ) 采用欧拉公式确定承载力 2 ) 根据试验结果回归计算公式 采用对实验数据回归分析的方法推导钢管混凝土构件的承载力计算公式，其优 点是直观和简单，也是一种解决复杂问题比较简易的方法，但由于实验数据有限， 外延性相对较差，因而不得不从试验结果的对比中找差异进行修正，使结果趋于 复杂。 3 ) 数值解法 随着计算机技术的迅猛发展以及对钢管混凝土本身认识的深入，使得采用数 值解法成为可能，有限元法的出现极大地促进了钢管混凝士结构的研究。 采用有限元法进行钢管混凝土分析较为准确，其优点在于：方法通用性强，对 于不同载荷情况和不同几何或物理参数的结构可采用一个通用程序进行，计算较 为准确。但有限元法也存在如下缺点： 4 1 ) 在确定钢材和混凝土的本构关系模型，尤其是混凝土的模型时，由于混凝土本 身的离散性大，工作行为较为复杂，为了使计算结果与实验结果吻合，不得不提 出大量参数修正现有模型，这不利于掌握核心混凝土的实质： 2 ) 计算显得过于复杂，不便于实际应用，通常一个大的模型需要很大的计算盘。 鉴于以上的原因，一般在对钢管混凝土结构进行分析时，均采用试验与理论计 算相结合的方法，以验证其准确性，本文在对新中国大厦模型进行分析时也采用 了这种方法。 1 5 本文的主要工作 1 、试验研究了钢管混凝土柱单梁节点的静力工作性能和反复载荷作用下的动 力性能。 2 、采用有限元方法，对单梁节点进行了受力分析，计算其在不同载荷作用下 的受力反应，分析其内部的受力机理。分析表明，在粱钢筋及钢构件进入屈服的 非线性阶段，节点区钢管的应力依然处于弹性，符合“强柱弱粱，强节点，弱构件” 的设计要求。 3 、检验钢管混凝土柱单粱节点设计的合理性和可靠性，并提出合理的设计建 议。 4 、采用杆系模型，对钢管混凝土框架进行了地震时程分析。分析其在各种震 况下的反应，计算表明，钢管混凝土框架具有良好的抗震性能，计算结果与试验 结果基本吻合，说明该计算方法有效可行。 目前对钢管混凝土柱结构的研究大多集中在试验研究方面，而对其进行理论 分析计算的尚不多见。特别是在整体结构的动态时域反应方面研究工作较少本 文主要试从理论计算的角度，采用有限元的方法来研究钢管混凝土柱节点的受力 机理及其框架结构的整体抗震性能。 第二章钢管混凝土单梁节点试验研究 为检验钢管混凝土柱单梁节点的工作性能和受力机理，考查节点设计的合理 性和可靠性，本章对钢管混凝土柱单粱节点进行了静力试验和低周反复载荷试验。 试验结果表明，单梁节点设计载荷的作用下，工作性能安全可靠，并且具有一定 的安全储备。 2 1 钢管混凝土柱节点模型概况 本文节点方案来源于广州新中国大厦工程，取其中典型的框架中柱r c 单梁 节点，它是由部分伸入c f s t 柱的“】【”形双槽钢钢牛腿与r c 梁纵筋搭接形成劲 性梁并整体浇构形成的，两主轴方向的r c 梁通过节点区的斜梁相联系，节点区 设有水平环筋以增加节点的整体性和刚性，并且钢牛腿与钢管交接处设有钢环箍 以减小此处的应力集中，节点构造图如图2 1 ，其中，槽钢总长8 0 0 m m ，伸入管 内1 2 5 m m ：钢筋直径均为中1 8 ，其中梁顶钢筋伸至管柱外表面并锚固在混凝土中， 与钢管不连接w “”。 图2 1 节点构造示意图 考虑到实验室的条件，节点模型比例为l ：2 ，节点试件的设计由广州建筑设 计研究院根据实际工程节点按照相似理论设计而成。节点试件的材料、几何尺寸 及配筋情况见表2 2 。节点试件的钢构件由工厂制作，节点试件的钢筋绑扎、混 凝土浇捣及试件养护在广州大学抗震中心完成。 表2 1模型材料性能( 表中f 表示抗压强度m p a ，e 表示弹性模量m p a ) 钢构件混凝土钢筋 e sf ce 。 一 e s 3 5 12 1 e 52 2 2 5 5 e 43 4 0e 5 6 表2 2 节点试件的材料、几何尺寸及配筋一览表 材钢构件a y 3 混凝土c 3 0 料 钢管混凝土柱( 勰) 直径d 壁厚t 柱高h5 0 0 x 8 2 0 0 0 几 承重销( 哪)腹板翼缘 】【”形双槽钢 2 8 0 65 0 6 何 r c 粱( m r ) 截面高h 宽b4 0 0 x 3 0 0 尺 东西向梁全长 3 6 0 0 南北向梁全长 2 8 0 0 寸 r c 板厚( m ) 6 0 配粱主筋由1 8 筋 梁箍筋 巾6 2 2 试验概况 2 2 1 加载方式 本文研究的节点为框架中柱节点，结构在竖向载荷和水平载荷的作用下节 点试件粱自由端柱端为反弯点，分别承受反复载荷，钢管混凝土柱同时承受竖向 载荷。为使节点受荷简单明确，便于试验和分析，节点试件的低周反复载荷试验 中只考虑长梁方向( 东西向) 粱自由端承受反复载荷，短粱方向( 南北向) 梁自 由端只承受恒定的竖向载荷“，其受力简图见图2 2 。 7 2 2 2 加载装置 图2 2 节点试件受力简图 根据实验室条件，采用三道门式反力架分别作为东西向粱自由端、及柱头加载 的反力基座，其中两道反力架位于东西向粱自由端的正上方，另一到位于c f s t 柱上方并平行于南北向梁。试验加载设备及加载系统如下( 见图2 3 ) ： ( 1 ) 东西向梁自由端：采用两步2 5 t 液压伺服作动器施加竖向载荷或反复载荷，加 载由计算机控制： ( 2 ) 南北向梁自由端：采用两步5 0 t 千斤顶同步施加竖向载荷，加载由一台稳压油 站控制； ( 3 ) 柱头：采用一部3 2 0 t 液压千斤顶施加竖向载荷，加载由一台油站控制。 ( a ) 东西向( 长梁方向) ( b ) 南北向( 短梁方向) 图2 3 试验加载装置示意图 1 一试件：2 一反力粱：3 一反力架；4 一反力墙；5 - - 2 5 t 液压伺服动作器：6 - - 3 2 0 t 千斤顶：7 5 0 t 液压千斤顶；8 一力传感器；9 - - 柱头抗侧力装置：1 0 - - 柱脚抗侧 力装置；1 1 一混凝土垫块 2 2 3 试验载荷 根据研究目的，节点试验分为两个阶段：各种加载组合下的静力试验和反复 载荷作用下的低周反复载荷试验。 1 各种加载组合下的静力试验 为了深入研究节点的静力工作性能和受力机理，检验节点的可靠性和合理 性，表2 3 给出了根据节点的设计载荷制定的节点静力试验的加载组合。 根据材料性能试验结果，计算出屈服弯矩对应的节点长向粱自由端的屈服载 荷p ，为1 4 2 k n ( 向下) ，设计极限弯矩对应的梁自由端的设计载荷为p n 为8 9 k n ( 向 下) 。为便于与实际工程设计参考对照，本章在试验载荷后的括号内给出了试验值 和设计值的比值。 2 低周反复载荷试验 节点低周反复载荷试验采用变力一变位移加载制度，加载步骤如下： ( 1 ) 在柱头施加竖直向下载荷，一次加至p ，= 2 5 0 0 k n 。并在整个试验过程中保持 恒定。 一 ( 2 ) 分别在东西向梁自由端施加反复载荷p 。，加载频率为0 2 h z “”“。 9 力控加载阶段：加载分为4 级，各级载荷分别为5 0 、2 5 、1 5 、1 0 的 梁端屈服载荷p ，每级载荷反复一次。 位控加载阶段：每级位移控制值以梁端屈服载荷对应的梁自由端位移，( 计 算值) 的倍数增加：，一2 ，一3 ，一，一，每级控制位移反复3 次。 表2 3 单梁节点静力试验加载组合 试验序号柱头竖向载荷南北向自由端东西向自由端 竖向载荷竖向载荷 p ( k n )p ：( k n )p 3 ( k i ) 】2 5 0 06 53 0 22 5 0 01 3 06 0 32 5 0 01 9 59 0 2 2 4 测量内容及测量仪器3 3 m 5 1 根据研究目的，确定测量内容如下： ( 1 ) 测定各加载点加载数值 测量仪器：力传感器( 电阻应变式力传感器c t 3 0 0 0 ，量程l o n 一3 0 0 0 k n ，灵敏度 2 m v )测点序号：1 0 1 1 0 5 测量目的：测量实际加载数值，绘制p 一曲线。 ( 2 ) 测定粱自由端扰度 测量仪器：位移传感器( 电感式位移传感器p z l 2 ，分辨率0 o l 册，非线性度 士o 0 5 )测点序号：1 0 6 1 0 7 测量目的：绘制p _ 曲线，绘制节点位移延性。 ( 3 ) 测定节点区梁柱相对转角 测量仪器：位移传感器、百分表测点序号：1 0 8 1 0 9 测量目的：绘制p o 曲线，评价节点刚度节点转角延性。 ( 4 ) 测定钢构件及钢筋应变 测量仪器：静、动态电阻应变仪( 6 h 9 2 ：测量范围士1 0 0 0 0 雌，灵敏度0 5 v l o o g a ) 测点序号：l - 7 0 测量目的：分析节点受力机理，评价节点强度。 ( 5 ) 测定各级载荷下构件裂缝宽度 测量仪器：裂缝观测仪 1 0 测量方法：于各级加载平台进行人工观测。 测量目的：记录裂缝开展情况，描述试件破坏形态。 测量系统如图2 4 所示，测点如图2 5 和2 6 所示。 图2 4 测量系统示意图 lp l 图2 5 测量仪器布置图( 图中数字为测点序号) 图2 6 单梁节点测点布置图 2 3 试验结果 2 3 1 静力试验 1 裂缝情况 裂缝情况如表2 4 所示 表2 4裂缝描述 载荷裂缝部位裂缝大小 2 5 k n南北向梁自由端附近及两向粱之间的楼板上产生环形及4 5 0o 0 1 m m 方向裂缝l 3 6 k n两向梁之间的楼板产生环形裂缝2o o l m m 1 3 0 k n南北向梁自由端( 加载部位附近) 出现交叉斜裂缝3 0 1 m m 在整个静力试验过程中，节点区环梁无裂缝出现 2 传力机理 1 ) 节点区外劲性梁 单粱节点的特点是，粱主筋与钢牛腿采用搭接方式而非焊接，并在双向梁间 设置斜梁及节点区的环向钢筋以增强节点区的整体性。由此可见，梁主筋在进入 劲性梁后，钢筋应力将通过混凝土逐步传递给钢牛腿，最终达到两者间的变形协 调，这就形成了一段应力过渡区。图2 7 给出了在东向梁自由端施加的各级载荷 下测点3 5 、3 7 所在截面和测点3 9 、4 l 所在截面上的梁主筋和钢牛腿翼缘的应变 变化。从图中可见，上述两截面上的钢筋应变( 应力) 是逐渐减小的，而钢牛腿 上的应变( 应力) 确是逐渐增大的。根据图中的应变变化趋势可以判定，钢筋和 钢牛腿二者在节点区外能够达到变形协调。 2 ) 节点核心区 在东向梁自由端施加的各级载荷下，图2 8 和图2 9 给出了节点区内与钢管 混凝土柱相交处的钢牛腿翼缘和截面应力变化，图中可见测点在各级载荷下呈线 性变化，这说明节点区钢牛腿将梁端弯矩的一部分可靠的传给了钢管混凝土柱。 根据应变数据计算，表2 5 列出了钢牛腿根部所承受的弯矩，从中可见钢牛腿承 担了大约4 0 的管柱弯矩。表2 6 列出了各级载荷作用下钢牛腿根部所承受的剪 力，从中可见钢牛腿承担了大约4 0 的管柱剪力。 a 、梁项主筋与钢牛腿上翼缘测点 b 、梁顶主筋与钢牛腿下翼缘测点 图2 7 应力过渡区粱主筋与钢牛腿翼缘测点的应变变化 图2 8 节点区内与钢管混凝土柱相交处的钢牛腿翼缘应力变化 图2 9 节点区内与钢管混凝土柱相交处的钢牛腿截面应力变化 表2 5 钢牛腿根部所承受的弯矩 梁自由端载荷钢牛腿根部弯矩管柱计算弯矩n = m 乩 p ( k n ) m ( k n j l 】)地( k n m ) 3 0 ( 0 3 3 p h ) 1 9 04 9 50 3 8 6 0 ( 0 6 7 p ) 3 9 79 9 oo 4 0 9 0 ( 1 o pn h )5 9 51 4 8 50 4 0 表中钢牛腿根部弯矩m 根据东向梁自由端施加各级载荷作用下的应变数据计 算所得，管柱计算弯矩m 0 为东向梁施加各级载荷作用下，梁的柱端按理论计算所 得的弯矩。 表2 6 钢牛腿根部所承受的剪力 粱自由端载荷_ 雕 v ；鱼6 矗 p ( k n ) 1 5 n = v p ( n 咖2 )( k n ) 3 0 ( 0 3 3 p # ) 5 1 91 2 4 60 4 2 6 0 ( 0 6 7 p i f ) 9 9 82 3 9 50 4 0 9 0 ( 1 o p # ) 1 4 1 53 3 9 6o 3 8 表中剪力y 根据钢牛腿根部腹板上应变仪的应变数据并近似以腹板高度中部 的剪应力计算。 2 3 2 低周反复载荷试验 1 节点核心区传力机理 1 4 图2 1 0 给出了西向梁反复载荷试验中，力控加载阶段各级载荷作用下钢牛腿 翼缘全长上各测点的应变变化。从图中可以看出，当梁端载荷为1 5 6 k n ( 实际屈 服载荷) 时，钢牛腿的应变达到2 2 0 7u ，已超过屈服应变( ，= 1 7 5 5pe ) ， 这说明牛腿上翼缘已经届服并进入塑性阶段。表2 7 和表2 8 给出了钢牛腿所承 受的弯矩和剪力，可见粱端载荷达到屈服载荷时，钢牛腿上的弯矩和剪力有明显 增加，这说明梁主筋屈服后梁自由端增加的载荷产生的管柱弯矩和剪力大部分由 钢牛腿承担。随着载荷的增大，斜梁中的弯矩明显增加，其与钢牛腿共同承担的 弯矩达到9 0 。这也说明楼板承担并传递l o 的弯矩给钢管混凝土柱，其对节点 弯矩传递的贡献是不容忽视的。 图2 1 0 钢牛腿翼缘全长上各测点的应变变化 表2 7 钢牛腿根部所承受的弯矩 梁自由端载荷钢牛腿根部弯矩管柱计算弯矩 n = m m o p ( k n )m ( k n m )地( k n m ) 5 0 ( 0 5 6 p t ) 3 3 08 2 5o 4 1 0 0 ( 1 1 p ”) 7 7 61 6 5 0 0 4 7 1 5 6 ( 1 7 p t ) 1 9 3 42 5 7 40 7 5 表2 8 钢牛腿根部所承受的剪力 梁自由端载荷f m v ；苴b h p ( k n ) 1 5 n = v p ( n m 2 ) ( k n ) 5 0 ( 0 5 6 p t ”) 8 2 4 1 9 7 80 4 0 1 0 0 ( 1 1 p * ) 1 8 1 04 3 6 0 0 4 3 1 5 6 ( 1 7 p * ”) 4 0 1 8 9 6 4 30 6 2 根据以上试验结果可见，当梁端载荷达到屈服载荷时，钢牛腿和节点区内的 斜梁承担粱自由端载荷对钢管混凝土柱产生的弯矩和剪力的比重较设计载荷作用 下承担弯矩和剪力的比重明显增加。这说明随着载荷的增加，钢牛腿和节点区内 斜梁逐渐成为节点传递弯矩和剪力的主要传力构件，其传力方式逐渐明朗。 2 裂缝情况 低周反复载荷试验加载过程中，单粱节点的破坏形式为梁端的剪切破坏和弯 曲破坏。剪切破坏裂缝为在钢牛腿端部约为4 5 角的斜线交叉裂缝：弯曲破坏在钢 牛腿端部，混凝土压碎，破坏以剪切破坏为主。当南北向粱自由端荷载加至1 8 0 k n 时，梁南北向粱自由端( 加载部位附近) 交叉斜裂缝3 最大宽度约为o i m m ，楼 板上裂缝最大宽度为0 5 m m 。在整个低周反复载荷试验过程中，板裂缝均无延伸 至节点区，节点区外观完整，节点区环梁无裂缝出现，但有节点区环凝土与钢管 壁轻微脱离现象。 3 节点强度 因节点试件的破坏发生在梁端，并且在整个试验中节点区基本完好，因而梁的 安全度是节点强度的可靠保证。下面对粱的安全度做以评价： 按材料的实测强度，粱所能承受的计算弯矩为1 1 5 7 k n m ( 负弯矩) 和 9 1 5 k n m ( 正弯矩) ，该值是根据r c 梁与劲性r c 梁交界处的截面计算出来的，梁 的安全系数如表2 9 所示，可见粱的强度满足要求。 表2 9梁安全系数 弯矩性质计算抗弯能力实际抗弯能力安全系数 m 0 c n m )m 1 ( k n m ) k 负弯矩 1 1 5 71 2 7 11 1 0 正弯矩 9 1 51 2 2 31 3 3 表中实际抗弯能力为计算截面梁主筋开始屈服时梁的抗弯能力 4 节点刚度 节点设计时，粱、柱混凝土均按c 3 0 考虑，钢管材料为a y 3 ( q 2 3 5 ) 钢主筋钢 材按h 钢。节点承载力由梁的抗弯能力控制，设计允许弯矩为7 2 5 k n m ( 负弯矩) 和5 7 3 k n m ( 正弯矩) 。节点的抗弯模量见表2 1 0 所示，与文献中节点试验得 出的抗弯刚度模量相比较，抗弯刚度模量较小，刚度较大，可以认为节点是刚性 的。 表2 1 0节点抗弯刚度模量 弯矩设计对应的按实有对应的 抗弯刚度模量 弯矩实测转角强度计算实测转角( k n m ) 性质 毓。口 弯矩肛 占。 j = 辘l ，e j ：产辘t e2 ( k n m )( 弧度)( k n i 1 1 )( 弧度) 负 7 2 51 2 x 1 0 31 1 5 72 2 1 0 。6 0 x 1 0 45 3 1 0 弯矩 止5 7 3l - 5 x 1 0 。39 1 52 0 1 0 3 3 8 1 0 44 6 1 0 4 弯矩 ( k n ) 1 5 0 - 勘j 1 0 0 5 0 一 2 0 0 l 图2 1 l 单梁节点一载荷位移( p 一) 曲线 荷载4 0 0j ( k n ) 3 0 0 ， - 3 0 0 。 4 0 0 图2 1 2 单梁节点载荷一相对转角( p o ) 曲线 5 节点延性 图2 1 1 和2 1 2 给出了本次试验单梁节点梁自由端载荷与粱自由端位移( p 一 ) 的关系曲线和梁自由端载荷与梁柱相对转角( 0 - 0 ) 的关系曲线。从p 一曲线 可以看出，梁承受向下载荷时的曲线下降较快，因而梁承受向下载荷时的耗能能 1 7 力将较梁承受向上载荷时的耗能能力差。从p - e 关系曲线可以看出，当粱自由端 载荷为2 0 0 k n 时，梁柱相对最大转角为0 2 6 。( 0 0 0 4 5 弧度) ，说明节点区的刚度 较大，节点的转角延性系数较小，其原因是，由于梁塑性铰远离节点，使布置转 角测点的节点区的强度和变形变化较小，从而导致了转角延性系数较小。 2 4 试验结论与建议 根据以上单梁节点试验结果和分析，可以得出以下结论： l 、在设计载荷的作用下，节点的工作性能安全可靠，在整个载荷试验过程中， 板裂缝均无延伸至节点区，节点区外观完整，节点区环粱无裂缝出现，但有节点 区混凝土与钢管壁轻微脱离现象。 2 、随着载荷的增加，钢牛腿和节点区内斜梁逐渐成为节点传递弯矩和剪力 的主要传力构件，其传力方式逐渐明朗。为实现节点传力进一步明确、简捷! 可 靠，建议在节点区内采用上下环板代替钢牛腿的上下翼缘，粱钢筋和上下环板直 接焊接，牛腿的长度由钢筋和环板的焊缝长度决定。 第三章钢管混凝土柱节点有限元分析 随着铜管混凝土结构的广泛应用，对钢管混凝土柱节点的研究也越来越多， 由于节点受力的复杂性，目前对钢管混凝土柱节点的研究大多集中在试验研究方 面，通过研究节点在各种载荷作用下的反应来研究节点的受力特性，而对其进行 理论分析计算的尚不多见。本章借助于通用有限元软件a n y s ，对钢管混凝土单 粱节点进行了有限元分析，一分析其在载荷作用下的反应，找出其薄弱点，提出改 进意见，为钢管混凝土单梁节点进一步的设计提供参考依据。 根据试件模型的数据，并简化了某些细节，建立了与试件模型全尺寸的有限 元分析模型，如图3 1 所示。 图3 1节点有限元空问分析模型( 一半) 3 1 单元体模型 结构的离散化是指把连续体分割成有限个单元组成的集合体，这些单元仅在 节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递，连续体的离散化又称为网格划分。 离散而成的有限单元集合体将替代原来的弹性连续体，所有的分析计算都将在这 个计算模型上进行1 1 2 9 1 1 3 ”。 有限元离散过程中的一个重要环节就是单元类型的选择。应该结合被分析结 构的几何形状特点，综合载荷约束等因数全面考虑。 由于钢管混凝土梁构件是由混凝土、钢筋、型钢( 牛腿) 三部分组成，型钢 与混凝土之间的粘结力较小，在受理过程中型钢与混凝土之间发生滑移，尤其是 在达到极限载荷以后，滑移显著，因此选用分离式有限元离散化模型。混凝土、 型钢、钢筋分别选用不同的单元。在型钢与混凝土粘结界面，钢筋与混凝土粘结 界面设置粘结单元，来模拟两种材料之间的粘性滑移性能。 混凝土单元选用了六面体等参单元来离散材料，由于型钢的存在，混凝土六 边形单元共有三种大小、三种厚度。与混凝土单元划分相对应，型钢也采取了六 边形等参单元。型钢单元与混凝土单元划分必须保持一致，使型钢单元节点与混 凝土单元节点重合具有相等的坐标值，但单元与节点编号都不同。型钢单元有两 种大小，两种厚度( 即冀缘和腹板分别取用) ，如图3 2 所示。 图3 2 梁网格划分示意图 钢筋离散为两节点线性单元，即认为其只受轴力，不受剪力。同样，线性单 元的划分也与混凝土单元划分保持一致。线性单元节点与包在其外的混凝土单元 节点重合，且有相等的坐标值，但节点与单元标号均不同圈【3 1 1 。 3 2 选择单元位移函数 用来模拟单元内位移分布规律的函数称为位移函数，通常选择多项式，多项 式的项数和阶数取决于单元的自由度数和有关解的收敛性要求。单元位移函数要 转换成用节点位移表示，所以它也决定了相应的位移插值函数。选择合理的位移 函数是有限元分析的关键，决定有限元解答的收敛性与近似程度。 混凝土和型钢单元都选取六面体等参单元，如图3 3 所示，每个单元具有8 个节点，每个节点具有3 个自由度。 - n 图3 38 节点单元示意图 其位移函数为 = 口l + 口2 孝+ 口3 1 7 + a 4 f + 口5 善叩+ 口6 叩f + 口7 毒f + 口。善7 心 v = 口9 + 口l o 善+ + q 1 6 孝叩f w = 口”+ 口1 8 手+ + q 2 4 【善叩f 其中q 。矗2 由节点上的函数值、w f 确定 3 3 材料的本构关系 3 3 1 混凝土本构关系 混凝土的特点是材料组成的不均匀性，并且存在初始微裂缝。尽管近3 0 年来 广泛研究并已取得很大进展，混凝土结构的数值分析依然遇到许多困难。这主要 是因为混凝土内在力学性能的高度复杂性，这导致许多材料模型的出现。当代众 多学者提出的混凝土在复杂应力状态下的本构关系可以归纳为五种：非线性弹性 理论；2 ) 亚弹性理论：3 ) 塑性理论；4 ) 内时理论；5 ) 塑性断裂理论 4 3 c 2 5 】 3 1 3 。 但是，这种复杂的混凝土本构关系在工程结构分析中极少应用，用于实际的 大多是那些相对简单的模型。 由于考虑界面之间的粘结性能对钢管混凝土结构的整体性能的影响微不足 道，本文假设钢管和混凝土之间完全粘结。从文献资料来看，大多数研究者在分 析钢管混凝土结梅时都采用这一假定e 例如n e o g i ，t o m i i ，z e g h i c h e 等) 忆 混凝土按正交异性材料考虑，混凝土三向受力状态下的应力应变关系采用 2 1 与单轴相似的形式，混凝土受压曲线如图3 4 所示。混凝土三向受压下的强度条 件是个比较复杂的问题。根据国内外总多学者的试验，较多学者认为三向受压的 混凝土强度和测压应力呈线性关系，即 产，；+ 口 厂为混凝土三向受压时抗压强度；五为混凝土无侧压时抗压强度：口为侧压应力； k 为侧压系数，一般认为可取k = 4 。 图3 4 混凝土受压曲线 3 3 2 钢管钢筋和型钢的本构关系及屈服准则h 1 型钢也是弹塑性材料，其本构关系一般用等效应力和等效应变表示，也按理 想弹塑性材料处理。 对于钢筋线单元，只受单向应力，用v o nm i s e s 屈服准则来判断钢筋是否屈 服最为简单。若h i 工，则钢筋屈服，进入塑性区。 为使有限元分析中问题简化，钢筋的本构关系简化为理想弹塑性模型，不考 虑其应力应变关系中的强化段包括辛格效应等其他因素。即在屈服前，应力应变 曲线为斜直线，钢筋屈服后，应力应变关系简化为水平线。 对于在三向应力状态下的钢管和型钢的本构关系和单向拉伸时的本构关系类 似。为了方便计算取强化段为直线关系。同时当达到极限关系时。材料进入破坏 面，采用水平塑性段。 三向应力状态下的应力强度和应变强度为 q ：去峙，一q ) 2 + p ，一吒) 2 + p ：一o x ) 2 + 6 k + 2 + 胆 式( 3 - 1 ) 铲孚卜q 气训2 + 吾幢船t ) 啦掀) 3 4 混凝土开裂、压坏后的处理 混凝土开裂后，无数条裂缝存在于单元的开裂方向，该方向的混凝土弹性模 量调整为r ，r 则随着求解的收敛而逐步减小到零。混凝土于某方向压溃后，压 溃单元的刚度调整为0 ，由于单元开裂和压溃，刚度调整产生的不平衡应力转换 成不平衡结点力，通过迭代过程逐步消除1 2 5 1 。 由于缺少混凝的材料试验资料，本文只给出了单轴抗拉强度f t 和单轴抗压 强度f c ，其他强度指标则由下列关系得到【1 1 ： 双向抗压强度f e b = 1 2f c 周围静水压力oh 下的双向抗压强度f1 = 1 4 5 f c 周围静水压力o h 下的单向抗压强度f 2 = 1 7 2 5 f c 静水压力oh = 佃1 + o - 2 + 叮3 ) 3 适用条件o h s 1 7 3 2f c 以上关系在本文研究的加载工况和受力机理分析中是适用的。 钢筋单元、型钢单元屈服后的处理： 钢筋单元盯； 厂v 时，认为单元屈服 超额应力：盯。= 莎，一工 节点力： r 。= 嘲7 “ 3 5 单元力学特性分析 钢筋混凝土r c 粱的有限元模型 钢筋混凝土结构有限元分析有3 种模型：分离式模型组合式模型，整体式 模型。本文中的r c 梁分别采用组合式模型和整体式模型，即箍筋采用整体式模 型加入混凝土单元，梁主筋和各种受力筋采用组合式模型加入整体。 在整体式模型中混凝土采用空间8 节点块体单元，该单元节点具有三个自由 度，假设单元坐标系已经转换为整体坐标系，则配有箍筋的混凝土单元的弹性矩 阵为 d e 】= ( 1 一l - v r ) 【d c 】+ 芝n r d r 式( 3 3 ) 式中：【d c 】为混凝土的弹性矩阵，【】) r 】为箍筋单元的弹性矩阵，v r 为某方向 的箍筋配筋率【堋。 1 ) 梁主筋和各种受力筋采用空间2 节点线单元，该单元节点具有三个自由度， 只能承受沿轴线方向的荷载忽略其横向抗剪，与混凝土完全粘结，如图3 5 所 示。 图3 52 节点线单元示意图 采用位移法，即将节点位移作为基本未知量。 弘- 兰 - c - s c s b r 式( 3 4 ) 式中 司为应变矩阵，c = c o s 0 ，s = s i n 0 ，0 为钢筋单元与x 轴的夹角，上为单 元长度，由应力应变关系可得 仃；d 6 = d 陋 。 式( 3 5 ) 设钢筋面积为a ，利用虚功原理，可以得到刚度矩阵。 k 】；【8 】7 d b a o l 式( 3 6 ) 在弹性区，d = ，则 i x = 睾 c 2 c s c 2 一c s c s s 2 一c s s 2 一c 2 一c s c 2 岱 一c s s 2 c s s 2 式( 3 7 ) 在塑性区，d = 0 ，则【同= o 假设单元坐标系已经转换为整体坐标系，且设梁主筋沿整体坐标中的x 向 则粱主筋单元刚度矩阵如下： i100 ；000 k 。：i 0 0 0 j 一1o0 0oo o0m l00 0o0 00 0 lo o 0