型钢混凝土框架梁柱节点受力性能研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 论文题目：型钢混凝土框架梁柱节点受力性能研究 专 业：结构工程 硕 士 生：徐珍珍 (签名) 指导教师：郭秉山 (签名) 摘 要 型钢混凝土结构（src）作为一种新型的结构形式，充分发挥了钢与混凝土两种材 料的优良特性，逐渐成了高层和超高层建筑的主要结构形式之一。节点连接梁柱，是框 架的关键部位，梁和柱的内力通过节点传递，节点工作的安全可靠是保证结构正常工作 的前提。节点受力复杂，通常处于压弯剪复合应力状态，因此研究并弄清楚节点的受力 性能、破坏机理，使节点设计得传力明确、计算可靠、构造合理非常重要。本文就 src 框架边节点的抗震性能进行研究， 提出设计建议， 具有一定的理论意义和工程应用价值。 本文考虑材料非线性和几何非线性， 利用有限元软件 ansys 对型钢混凝土框架边节 点在单调荷载和循环荷载作用下的破坏过程和受力机理进行了深入研究。改变轴压比、 混凝土强度和配箍率建立了 12 个有限元模型。根据模拟计算结果，得到了试件梁端竖 向荷载与位移的滞回曲线和骨架曲线，讨论各因素对滞回曲线和骨架曲线的影响,研究 了节点的延性性能和耗能能力，并对节点核心区型钢、箍筋以及梁、柱钢筋进行应力和 应变分析。 研究结果表明， 轴压力对于提高节点抗裂度、 刚度以及承载力的影响较明显； 在低轴压比情况下随着轴压比的提高,节点的延性性能和耗能能力有适当增强但总体变 化不大。在一定范围内，提高混凝土强度等级可适当增加延性，增强耗能能力。在混凝 土强度等级、轴压比不变的情况下，随着配箍率的提高，构件的强度及刚度逐渐增大， 延性性能和耗能能力有小幅提高。 基于有限元分析结果，进行了节点核心区受力及传力机理分析，确定了节点抗剪的 各组成部分,通过考虑配箍率确定了节点抗剪计算中混凝土强度影响系数，以及型钢腹 板应力分布不均匀对型钢抗剪承载能力的影响， 提出了型钢高强混凝土框架节点抗剪承 载能力计算公式。 关 键 词：型钢混凝土；框架边节点；轴压比；抗剪承载力 研究类型：应用研究 subject : study on the hysteretic behavior of the steel encased concrete structure of joint specialty : structural engineering name : xuzhen- zhen (signature) instructor :guo bingshan (signature) abstract the steel encased concrete structure as a new type of structural form，can play fully excellent features of steel and concrete ,so it gradually become one of the primary structures for the high- rise and supper high- rise buildings . to steel encased concrete structure, the design and calculation of nodes is a key issue. nodes are the key parts to connect beams and columns. without these nodes, the internal forces of beams and columns can not be passed through. so safe and reliable of the nodes job is a premise to ensure the structural normal work. because of the complexity stress, nodes usually are in bending- shear composite stress state, so it is very important to research and find out the nodes tress performance and failure mechanism, to make the nodes design have a clear pass- force, reliable calculation and reasonable structure. in the complex earthquake, it is more important to attach the rational- right design of the nodes. based on this, the experimental study on seismic behavior of frame side joint in steel encased concrete structure is presented and give theoretical evidence to properly establish the design method. this paper studied the mechanical behavior, stress distribution and failure mechanism of steel encased- concrete structure of the side frame joints under horizontal monotonic load and cyclic loading, using the finite element software ansys. the experimental research of 12 src frame side joints ，by changing axial compression ratio 、concrete strength and stirrup ratio,under the cyclic reversed loading have been carried out in this thesis. after that, based on the results of the tests, the processes of load bearing failure mechanism are studied. the seismic behavior of the src frame side joint is analyzed and the evaluation that affects the seismic behaviors by axial compression ratio 、concrete strength grade and stirrup ratio have been discussed ; at the same time , the ductility and the energy dissipation capacity have been studied . the strains of steel stirrup and section of the columns and beams in the joints core are analyzed. the results indicate the deformation capacity is improved by inserting profiled bar into the core of the column.the deformation capacity and the energy dissipating is improved in a certain extent by increasing strength classes of concrete in a certain range.the joint crack resistance,rigidity and load- carrying capacity is improved obviously under axial compressive force;with the ratio of axial compressive force increasing,the deformation capacity and the energy dissipating of joint is improved in a small range in low ratio of axial compressive force.with the increasing of the volume ratio of the shaped- steel the strength and rigidity of the component is increased gradually,the deformation capacity and the energy dissipating is improved a little. based on finite element analysis ,the contribution of each part are determined and theory and the practical calculating formulas of shear bearing capacity of src frame side joints is derived , the factor of brittle property of high concrete strength influencing on the shear capacity is determined , the influence of concrete strength and the stress of steel web plate are included . keywords: steel encased- concrete structure; side frame joints; axial compression ratio ; shear bearing capacity thesis : application base research 目录 i 目 录 1 绪论.1 1.1 概述.1 1.2 型钢混凝土框架结构的应用与发展.2 1.3 节点在型钢混凝土结构中的作用.4 1.3.1 节点的受力特点.4 1.3.2 型钢混凝土节点的连接形式.5 1.4 型刚混凝土梁柱节点的研究现状与发展趋势.6 1.4.1 国内外试验研究.6 1.4.2 国内外有限元分析研究.7 1.4.3 存在的问题.8 1.5 我国现有规范对节点设计的规定.9 1.5.1 节点核心区剪力设计值.9 1.5.2 节点受剪承载力.9 1.6 本文研究工作任务.10 2 型钢混凝土结构有限元理论基础及受力性能的主要指标 .11 2.1 有限元基本理论.11 2.1.1 结构的离散化，输入或生成有限元网格.11 2.1.2 单元分析.11 2.1.3 总体分析.12 2.2mises 模式简介.13 2.2.1 屈服条件.13 2.2.2 弹塑性矩阵的推导 .13 2.3 塑性理论 .15 2.3.1 屈服条件.15 2.3.2 流动法则.15 2.3.3 硬化准则.16 2.4 有限元非线性问题求解的基本方法.16 2.4.1 增量法.17 2.4.2 直接法.17 2.4.3 混合法.17 2.5 受力性能的主要指标.19 目录 ii 2.5.1 材料的基本性能.19 2.5.2 耗能能力和延性.21 2.5.3 刚度及刚度退化.23 3 型钢混凝土节点的非线性有限元分析.24 3.1 混凝土的破坏准则.24 3.2 型钢混凝土的本构关系 .27 3.2.1 混凝土的本构模型的选取.27 3.2.2 钢筋的本构关系.29 3.2.3 型钢的本构关系.30 3.3 型钢混凝土结构有限元模拟.30 3.3.1 钢筋混凝土有限元模型.31 3.3.2 混凝土单元solid65.31 3.3.3 钢筋单元link.30 3.3.4 型钢单元solid45.31 3.3.5 型钢混凝土有限元模型.31 3.4 几何模型的建立.32 3.4.1 材料参数的输入及单元划分.32 3.4.2 边界条件及荷载.33 3.4.3 计算收敛问题及处理方法.33 4 型钢混凝土边节点受力性能分析.34 4.1 试件的设计.34 4.1.1base 试件的设计.34 4.1.2 参数试件的设计.35 4.2 有限元模型的建立.36 4.2.1 计算假定.36 4.2.2 材料性能指标的选取 .36 4.2.3 网格的划分.37 4.2.4 边界条件及荷载控制 .39 4.3 有限元计算结果与分析 .41 4.3.1base 试件.41 4.3.2jdzy 系列试件 .49 4.3.3jdcq 系列试件.52 4.3.4jdgj 系列试件.56 目录 iii 5 型钢混凝土边节点抗剪承载力分析.62 5.1 型钢高强混凝土节点受力机理.62 5.2 型钢混凝土梁、柱节点抗剪承载力理论分析.64 5.2.1 钢骨腹板承载力.65 5.2.2 箍筋抗剪承载力.69 5.2.3 混凝土抗剪承载力.71 6 结论.73 6.1 结论.73 6.2 展望.73 致 谢.75 参考文献.76 1 绪论 1 1 绪论 1.1 概述 型钢混疑上组合结构(steel encased concrete，简称 src)结构是型钢埋入钢筋混 凝土中的一种独立的结构形式1。在英国、美国等西方国家将这种结构叫做混凝土包钢 结构；在日本称之为钢骨钢筋混凝土结构；在前苏联则被称为劲性钢筋混凝土结构。我 国建设部2001年10月23日发布的 型钢混凝土组合结构技术规程) （jgj 1382001） 则正式将该种结构称为型钢混凝土组合结构。 型钢混凝土组合结构构件是由型钢、主筋、箍筋及混凝土组合而成，即核心部分有 型刚结构构件，其外部则为以箍筋约束并配置适当纵向受力主筋的混凝土结构。 其型钢可分为实腹式和空腹式两大类：实腹式型钢构件可由型钢或钢板焊成，常见 的截面形式有 i、h、 、等2，也有矩形及圆形钢管。图 1.1 给出了不同配钢形式的 型钢混凝土柱和梁的截面示意图。 （a）实腹式型钢混凝土梁截面 （b）空腹式型钢混凝土梁截面 （c）实腹式型钢混凝土柱截面 （d）空腹式型钢混凝土柱截面 图 1.1 型钢混凝土梁柱截面示意图 型钢混凝土结构和钢筋混凝土结构相比较具有一系列优点3： (1)承载力高：由于含钢率的限制，钢筋混凝土结构的承载力难以满足多层或高层建 西安科技大学硕士学位论文 2 筑的要求。型钢混凝土结构中的型钢可以不受含钢率的限制，所以型钢混凝土结构构件 的承载力可以高于同样外形尺寸的钢筋混凝土构件的承载力1倍以上；因而可以减少构 件的截面，不会形成肥梁胖柱。尤其是对于高层建筑，构件截面减少，可以增加使用面 积和净高，其经济效益是可观的。 (2)施工周期短：型钢混凝土中的型钢在混凝土未浇筑以前就已形成钢结构骨架，它 具有相当大的承载力，能够承受构件自重和施工荷载，并且可将模板固定在型钢上，又 可以省去为支模板而设置的支撑柱，从而减少了支模板的人工和材料。此外，型钢混凝 土多层和高层建筑不必待混凝土达到一定强度就可以继续施工上层， 其施工期限比混凝 土结构大为缩短。 (3)抗震性能好：型钢混凝土组合结构由于型钢的设置，其延性比钢筋混凝土结构有 明显提高，因此在大震中此种结构呈现出较好的抗震性能。 型钢混凝土结构和钢结构相比较具有如下优点： (1)良好的耐久性和耐火性：型钢外包裹的混凝土具有抵抗有害介质的侵蚀，防止钢 材锈蚀等作用；同时，型钢外混凝土的保护层厚度，也决定着结构构件的耐火性能，比 钢结构要好。 (2)节约钢材：由于以混凝土和型钢共同承担荷载，使型钢混凝土成为节约钢材的一 个重要手段。 (3)受力性能好：普通的钢结构构件常具有受压失稳的弱点，而型钢混凝土结构构件 内的型钢因周围混凝土的约束，型钢受压失稳的弱点得到了克服。 1.2 型钢混凝土框架结构的应用与发展 近些年来，随着我国经济的迅速发展，许多大城市都兴建了大量的高层建筑，框架 结构依据其平面布置灵活，易于满足建筑物设置大房间的要求，随竖向荷载很合理，且 施工速度快等综合优势在国内外普遍应用，同时也在国内外高速发展。但大多采用钢筋 混凝土结构，其构件截面过大而占据了较多使用面积，已经影响到建筑使用功能的充分 发挥，且框架结构的侧向刚度较小，抵抗水平荷载的能力较差，一般在非地震区用于15 层以下的房屋，在地震区常用于10层以下的房屋，高度受到限制，适用范畴受到限制。 随着建筑用途和功能的多样化，单一的钢筋混凝土结构已经很难适应发展的需要。因而 在以后的结构发展中，在广州、北京、上海、福州等城市兴建的高层建筑的过程中形成 了型钢混凝土结构。由于此结构采用了较多的钢材能大大提高梁、柱承载力、延性和抗 震性能等优点，特别适用于地震区，尤其是地震区的高层和超高层建筑中采用型钢混凝 土结构更具有优越性。在日本，src结构与钢结构、木结构和rc结构并列为四大结构。 1923年在东京建成的30iti高全src结构的日本兴业银行， 在关东大地震中几乎没有受到 什么损坏，引起日本工程界的重视。随着工程应用的实践及科学研究的深入进行，发现 1 绪论 3 结构还具有更多的优点。在经历了1923年关东大地震、1968年十胜冲地震及1995年的阪 神地震后，发现在地震中其他大量房屋建筑遭严重破坏的情况下，src结构几乎未遭破 坏或仅有少量轻微破坏，这就推动了日本研究与应用src结构的热潮。 近年来，在国内和国外，src结构的应用情况见表1.1、表1.2和图1.2。 表表1.1国内型钢混凝土建筑筑统计国内型钢混凝土建筑筑统计 工程名称 地点 结构高度（m） 陆空金茂大厦 上海 420.5 森茂大厦 上海 210.0 京城大厦 北京 183.5 世界金融大厦 上海 189.0 大连森茂大厦 大连 109.0 香格里拉饭店 北京 82.7 鸿昌大厦 深圳 218.0 地王商业大厦 深圳 325.0 表表1.2国外型钢混凝土建筑筑统计国外型钢混凝土建筑筑统计 建筑物名称 层数 结构高度（m） 得克斯商业中心大厦 79 305 休斯敦海湾大楼 52 221 达拉斯第一国际大厦 72 276 休斯敦第一城市大厦 49 207 新加坡财政部办公大楼 55 242 北海饭店 36 121 悉尼款特斯中心 / 198 西安科技大学硕士学位论文 4 （a）金茂大厦 （b）美国得克斯商业中心大厦 图1.2 组合结构著名建筑 1.3 节点在型钢混凝土结构中的作用 在型钢混凝土结构的设计计算中，梁、柱受力性能的研究，包括承载力、位移、延 性、刚度退化和耗能能力是关键问题。因为梁和柱是框架结构的主要受力构件，然而节 点是梁和柱的传力枢纽，也是框架的薄弱环节，是连接梁和柱的关键部位。梁和柱的内 力通过节点传递，因此节点工作的安全可靠是保证结构正常工作的前提。型钢混凝土梁 柱节点受力复杂，影响因素较多，因而研究节点在荷载作用下的受力性能、破坏机理， 使节点设计得传力明确、计算可靠、构造合理是非常重要的。在复杂的外荷载作用下， 比如地震作用下，更应该注重节点的合理的正确的设计。在抗震设计中，提出了“强节 点，弱构件”的原则，充分体现节点在结构中的重要地位4。 1.3.1 节点的受力特点 型钢混凝土梁柱节点内含型钢，型钢腹板参与工作，增加了一个重要的抗力因素， 加之翼缘框对核心区混凝土的约束作用， 使节点抗裂度和抗剪极限承载力都高于普通混 凝土梁柱节点。同时节点荷载(f)一位移()滞回曲线表明，无论是延性还是耗能能力， 型钢混凝土节点都优于钢筋混凝土节点。 钢筋混凝土节点在承载能力达到极限后便急剧 下降，位移延性系数仅为2.0左右;型钢混凝土节点由于型钢的塑化作用，达到极限荷载 后承载力下降速度缓慢，滞回环很丰满，位移延性系数均大于4.0，具有良好的延性和耗 能能力。大量试验表明，配有最小配箍量的型钢混凝土节点，其剪切变形比同条件的普 1 绪论 5 通混凝土节点要小，而且型钢混凝土节点的刚度退化缓慢。梁柱节点在反复荷载下的性 能是非常复杂的，至今对此仍没有清楚的认识。由试验分析可知，影响梁柱节点性能的 因素很多，如混凝土强变、配箍率、梁截面尺寸、梁柱型钢尺寸、梁柱型钢强度、轴压 比等等。 1.3.2 型钢混凝土节点的连接形式 型钢混凝土结构中， 梁柱节点的形式多种多样， 包括了下列几种形式:(1)型钢混凝 土梁一型钢混凝土柱的节点连接;(2)钢筋混凝土梁一型钢混凝土柱的节点连接;(3)钢 梁一型钢混凝土柱的节点连接。 节点区钢骨部分的连接构造应符合钢结构的节点连接要求。在柱钢骨的梁翼缘水平 位置处应设置加劲肋，其构造应便于混凝土浇灌，并保证混凝土密实。柱中钢骨和主筋 的布置应为梁中主筋贯穿留出通道。梁中主筋不应穿过柱钢骨翼缘，也不得与柱钢骨直 接焊接。钢骨腹板部分设置钢筋贯穿孔时，截面缺损率不应超过腹板面积的20%。 对于型钢混凝土梁一型钢混凝土柱的节点连接和钢梁一型钢混凝土柱的节点连接， 其型钢部分的连接构造形式应能保证梁端型钢部分应力可靠的传递到柱型钢， 其节点部 分型钢的连接形式，分为柱翼缘贯通型和梁翼缘贯通型。 对于钢筋混凝土梁型钢混凝土柱连接的节点，可采用两种连接形式。一种是在与 型钢混凝土柱连接的梁端，设置一段钢梁与梁主筋搭接，如图 1.3（a）所示。另一种是 梁内主筋穿过型钢混凝土柱连续配置， 部分主筋可在柱两端截断， 如图 1.3 （b） 和图 1.3 （c）所示。 (a) (b) (c) 图1.3型钢混凝土梁型钢混凝土柱节点连接形式 西安科技大学硕士学位论文 6 1.4 型刚混凝土梁柱节点的研究现状与发展趋势 1.4.1 国内外试验研究 国外对型钢混凝土结构的研究以日本和美国进行的较为广泛和深入一些， 研究的内 容主要有： (1)日本的横尾义贯于1967年对src柱-src梁中柱节点5，通过梁柱斜对称单调加载， 以腹板厚度、节点混凝土厚度为主要参数，得出的节点破坏类型为剪切破坏。 (2)若林实于1981年对src柱-src梁中柱节点进行试验研究6，以柱端加载为加载方 式，最后得出的节点破坏形式为剪切破坏。 (3)美国tauqir m.sheikh，gregory g.delelein,joseph a.yura and jameso.jirsa 等人对15个模型比例为2/3的组合结构矩形梁柱节点进行了低周反复荷载和单调荷载下 的试验研究7，其中包括钢骨混凝土柱-钢梁节点，试验通过内含型钢柱、设置剪力键、 在梁翼缘上焊接纵筋、改变fbp板的厚度等等不同形式的构造措施，研究不同的节点构 造对节点性能的影响。主要结论:矩形钢骨混凝土梁柱节点具有较高的承载能力和良好 的延性；构造措施可以提高节点的强度、改善节点的延性；提出了抗剪机理，给出了相 应的节点设计计算公式。 (4)高仲学， 苏毅等人研究了在钢管上开孔对配有圆钢管的钢骨混凝土柱钢筋混凝土 梁组合框架节点受力性能的影响8。介绍了三种节点承受低周反复荷载的试验，第一种 是不开孔的，第二种是开穿筋小圆孔的，第三种是开矩形大孔的。试验结果表明，开穿 筋小圆孔的节点受力性能最好。 主要原因是穿过圆钢管的梁主筋与钢管内的混凝土有很 好的粘结；在钢管的小孔处形成了钢筋混凝土抗剪销钉，小圆孔也使得钢管内外的混凝 土得以沟通；同时钢管参加受剪的主要部位位于节点高度的中部，故在节点上下边缘处 开小圆孔对节点受剪性能影响不大。 (5)东南大学唐九如等对5个模型比例为1:2的边柱节点进行了低周反复荷载试验9， 重点考察了节点核心区的抗剪机理、抗剪强度，其中两个矩形钢骨混凝土柱-钢梁节点， 两个矩形钢骨混凝土柱-钢骨混凝土梁节点，并与钢筋混凝土节点进行对比试验，同时 研究了箍筋对节点性能的影响。 (6) 1988年，赵鸿铁等通过10个src柱-src梁中柱节点在低周反复荷载作用下的试 验，对src节点的破坏模式、传力机理及剪切强度等问题进行了探讨10，试验参数包括 轴压比、型钢腹板尺寸等，并作了纯钢节点的对比试验。研究发现节点核心区翼缘框不 直接参加节点抗剪， 其主要作用是对型钢腹板和混凝土进行约束， 并基于试验提出了src 节点剪切强度的实用计算公式。 (7)2002年，陈伟恩等对src柱-钢梁节点