钢管混凝土节点（通用7篇）
钢管混凝土节点 篇1
摘要：本文介绍了钢管混凝土结构的特点、单一应力状态下的承载力计算, 以及结构设计中常用柱、梁节点—环形牛腿承载力计算。
关键词：钢管混凝土,承载力,节点,设计
一、钢管混凝土的特点
钢管混凝土是钢管套箍混凝土 (Steel TubeConfined Concrete) 的简称, 英文缩写为STCC。钢管混凝土在承受纵向压力的初期, 核心混凝土的横向变形比钢管的横向变形小, 混凝土与钢管独自承受纵下压力, 属于各自单轴受压应力状态。当刚才应力超过比例极限后, 混凝土的横向变形超过钢材, 横向变形受到的钢管的约束, 使混凝土处于三向受压应力状态, 提高了混凝土的抗压强度。另一方面, 混凝土的存在可以避免或延缓薄壁钢管过早地发生局部屈曲, 同时, 钢管也处于三向应力状态, 纵向及径向受压, 环向受拉, 刚才的屈服强度有所降低, 而极限应变却增大, 即强度变低, 塑性变形能力增大。因此, 通过两种材料组合相互弥补了彼此的弱点, 充分发挥彼此的长处, 从而使钢管混凝土具有很高的承载力, 大大高于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土承载力之和, 并且使混凝土的塑性和韧性性能大为改善。
钢管混凝土构件受压时, 由于产生紧箍效应, 核心混凝土的抗压强度大大提高, 而钢管又能较充分的发挥强度, 因而构件的抗压承载力高。实验证明, 圆形钢管混凝土整个构件的抗压承载力约为钢管和混凝土单独承载力之和的1.7~2.0倍, 方形钢管混凝土则为1.1~1.5倍。与传统的钢筋混凝土结构相比, 具有承载力高、重量轻、塑性韧性好、耐疲劳、耐冲击、施工方便及节省水泥木材等优点。
1. 具有良好的塑性和韧性
一般情况下, 单纯受压的混凝土的破坏属于脆性破坏, 但混凝土在钢管的约束下, 不但提高和扩大了混凝土的弹性工作性能, 而且破坏时会产生很大的塑性变形, 除此外, 钢管混凝土还具备有良好的延性, 因此, 对于钢管混凝土柱的轴压比限制将大为放宽, 非常适合在有抗震要求的地方使用。
2. 施工简便
钢管本身就是耐侧压的模板, 因而浇灌混凝土时, 可省去支模、拆模的工序, 尤其适合应用于地铁结构施工盖挖逆做法工序。钢管本身又是劲性承重骨架, 在施工阶段它可起劲性骨架的作用, 其焊接工作量远比一般型钢骨架为少, 吊装质量较轻, 从而可简化施工安装工艺、节省脚手架、缩短工期、减少施工用地。在寒冷地区、冬季也可以安装空钢管骨架, 开春后浇筑混凝土, 施工不受季节的限制。
3. 经济效应突出
与钢筋混凝土柱相比, 钢管混凝土无需模板, 节约混凝土50%以上, 减轻结构自重50%以上, 并可减少钢筋混凝土柱尺寸50~60%, 同时增加建筑的使用面积, 加快施工进度, 而钢材用量和造价大体相等。
二、钢管混凝土的应用
鉴于钢管混凝土的诸多优点, 其越来越多地被应用在了桥梁、高层建筑及地铁车站的建设中。特别是地铁车站, 这是我国最早采用钢管混凝土结构技术的工程项目。它可以减小柱子的截面尺寸, 有效提高地铁空间的利用率。而且, 近年来, 在交通繁忙的城市中心修建地铁车站多为浅埋式的, 具有多层功能的地下建筑, 为了减少施工活动对城市生活的干扰和对地上交通以及邻近建筑的影响, 必须将过去的明挖法顺做法施工改为盖挖逆做法施工。所谓盖挖逆做法施工就是在顶盖保护下进行开挖, 按从顶至底的顺序施工车站结构, 而顶盖上的地面仍保证正常的交通进行。为此, 必须在土方开挖前建设置好车站顶盖的中间支撑柱, 在此情况下, 采用钢管混凝土柱作为中间支撑柱便成为最优的选择, 它将临时柱与永久柱合而为一。由于具有良好的经济效应, 钢管混凝土结构被越来越多的应用于地铁车站结构中, 例如武汉地铁四号线中山北路站、中南路站, 以及地铁二号线的江汉路站等。
三、钢管混凝土的节点设计
钢管混凝土结构应用越来越广泛, 但是对它的关键部位还是要仔细处理, 整个结构最重要的部位就是梁柱节点, 它的设计计算成为重中之重。钢管混凝土柱/梁节点设计包括梁端的剪力和弯矩传递两部分, 而剪力传递又分为钢管外部传递和钢管内部传递两类。所谓的钢管内部剪力传递, 就是将钢管壁所承受的剪力传递于核心混凝土。
1. 节点弯矩传递构造
为保证钢管对核心混凝土的套箍作用不被削弱, 在钢管壁上不应直接施焊受拉钢筋。柱/梁节点处的梁端不平衡弯矩M应转化为以压力方式作用于钢管柱上的力偶D来实现其传递 (见图1) 。
2. 节点剪力传递构造
钢管混凝土柱的剪力传递构造主要包括承重销 (穿心牛腿) 、环形牛腿 (不穿心牛腿) 和抗剪环 (环形凸缘) 三种构造形式。以下主要介绍地铁车站结构设计中常用梁/柱节点—环形牛腿构造形式 (见图2) 。
为简化计算, 对梁/柱节点的计算模型, 作以下偏于安全的假设。
(1) 在作剪力传递时, 不计楼盖混凝土与钢管柱接触面之间的粘结力。
(2) 在作弯矩传递时, 视加强环与环筋为独立环带, 不考虑其邻域钢管壁的共同作用, 以免削弱钢管的套箍能力。
3. 环形牛腿承剪能力计算
(1) 环形牛腿支承面上的混凝土局部承压强度所决定的牛腿抗剪承载力设计值
β——混凝土局部承压强度提高系数, 偏于保守地取β=1;D——钢管柱的外径;b——环板的宽度。
(2) 肋板抗剪强度所决定的牛腿承载力设计值
n——肋板的数量;hw——肋板的高度;tw——肋板的厚度;fv——钢材的抗剪强度设计值。
(3) 肋板与管壁连接的焊缝强度所决定的牛腿承载力设计值
Σlw——角焊缝的计算总长度;he——角焊缝的计算高度;ffw——角焊缝的抗剪强度设计值。
(4) 牛腿上部混凝土直剪 (冲切) 强度所决定的牛腿承载力设计值
l——直剪面的高度;ft——楼盖混凝土的抗拉强度设计值。
(5) 上下加强环板环向抗拉 (压) 强度所决定的牛腿承载力设计值
环形牛腿承剪能力由以上五种承剪能力中最小者决定, 即
4. 抗剪环承剪能力计算
(1) 抗剪环支承面上的混凝土局部承压强度所决定的牛腿抗剪承载力设计值
β——混凝土局部承压强度提高系数, 偏于保守地取β=1;D——钢管柱的外径;b——环筋直径 (等于d) 或环带厚度。
(2) 环筋 (环带) 与钢管壁之间的焊缝强度所决定的抗剪承载力设计值
Σlw——角焊缝的计算总长度;he——角焊缝的计算高度;ffw——角焊缝的抗剪强度设计值。
(3) 抗剪环上部混凝土直剪 (冲切) 强度所决定的抗剪承载力设计值
l——直剪面的高度;ft——楼盖混凝土的抗拉强度设计值。
(4) 闭合环筋 (环带) 的抗弯强度决定的抗剪承载力设计值
抗剪环承剪能力由以上四种承剪能力中最小者决定, 即
四、结语
钢管混凝土在我国的发展只有几十年的历史, 但发展速度非常快。鉴于它的诸多优点, 已经被广泛地应用到工程的各个领域, 尤其是在轨道交通建设中。但钢管混凝土在耐火性能不如钢筋混凝土, 因此, 需要在其它措施上加强防火处理, 这样可以更好地促进钢管混凝土在工程实践中的应用和推广。
参考文献
[1]CECS28:90, 钢管混凝土结构设计与施工规程[S].
[2]06SG524, 钢管混凝土结构构造[S].
[3]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构 (修订版) [M].人民交通出版社, 2007.
钢管混凝土中对于梁节点的认识 篇2
钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点是高层建筑应用钢管混凝土柱的关键,目前在工程中已有多种连接节点被采用。但由于节点构造比较复杂,在一定程度上影响了钢管混凝土结构的推广。文献[1]提出了一种新型节点,即钢筋混凝土环梁节点。这种节点通过绕钢管设置一钢筋混凝土环梁用于传递弯矩,在环梁中部或底部钢管外表面贴焊一环形钢筋,称为抗剪环,用于传递剪力(见图1)。环梁节点首先用于广州中华广场及昆明邦克大厦,由于节点受力可靠,制作简单,施工方便,节省投资,受到建设方及施工单位的欢迎,至今已有20多幢高层建筑采用了环梁节点。同时在科研过程中完成了充分的试验研究,先后在北京、上海、广州的实验室和建筑工地的现场,环梁节点曾试验了8批次共68个原型和模型试件。
1 力学特性
1)延性满足要求。
试验表明,无论节点的破坏面出现在环梁还是框架梁,节点破坏均始于钢筋的屈服,表现出很好的延性。节点的平均转角位移延性系数达6.34,最低也达4,超出延性系数不小于3的抗震设计要求。在节点破坏时,环梁未达到其极限承载力,外观完好。这表明适当的设计可以保证节点破坏时塑性铰出现在环梁范围外,从而确保节点有足够的延性。
2)符合抗剪设计要求。
试验表明,若环梁混凝土不严重破坏,则环梁节点有可靠的抗剪承载能力,能较大安全度地满足工程实际需要。即使在不断加大剪力作用下环梁沿管壁产生明显滑移时,节点抗剪承载能力仍可稳定保持,甚至略有增长,直至承载力下降。同时,在实际工程应用中,环梁、框架梁和楼板是一个整体,即使在大震作用下环梁出现塑性铰、环梁与钢管之间部分粘结破坏,由于贴焊于钢管上的抗剪环可以承担框架梁传来的极限剪力,也不会出现整个楼盖从钢管向下滑脱的现象。
3)符合“强柱弱梁”的设计理念。
RC环梁中节点的破坏仅局限于环梁及框架梁端,钢管混凝土柱不受影响,而且即使节点发生破坏,环梁仍保持基本完整,仍能对钢管混凝土柱提供水平侧向约束,使得节点的破坏基本上不影响钢管混凝土柱的承载力。正是由于这种梁、柱相对独立的特点,节点的破坏不影响柱的完整性,也不影响柱的承载力,可真正实现“强柱弱梁”的抗震设计理念。
4)符合“强连接、弱构件”的设计思想。
RC环梁连接的RC梁—STCC柱框架为强柱弱梁框架,有两类破坏形态和耗能机制:框架梁端弯曲破坏形成塑性铰的耗能机制,以及环梁破坏的耗能机制破坏形态与框架梁尺寸、环梁尺寸、环梁箍筋以及环筋与框架梁纵筋的相对配筋量有关。通过合理设计,可实现框架梁端弯曲破坏、避免环梁破坏的耗能机制,即实现“强连接、弱构件”的抗震设计原则。
2 适于工程应用的研究成果
1)文献[2]中最先以试验验证了环梁节点的承载能力,并对环梁节点的抗剪承载能力进行了分析,论证了其可靠性,并提出环梁节点抗剪承载力设计值估算公式:Qs=min{Qs1,Qs2}。其中,Qs1为钢筋抗剪环与钢管之间的焊缝所能提供的抗剪承载力设计值,Qs1=βf·fwt·he∑lw,βf为正面角焊缝强度增大系数,fwt为焊缝的抗剪强度,he为焊缝有效高度,∑lw为焊缝总长;Qs2为抗剪环与环梁混凝土间可传递的压力设计值,Qs2=115πϕdfc,其中,ϕ为钢管直径,d为抗剪环钢筋直径。
2)文献[3]中偏安全地以不带楼板的节点建立力学模型进行分析计算,认为环梁拉弯控制截面位置在与框架梁夹角成45°位置截面,截面弯矩M和拉力N按下面公式取值,环梁纵筋的配筋设计按规范规定的矩形截面偏心受拉构件正截面承载力计算方法:M=0.17Me。框架梁夹角成90°:N=Me/h。框架梁夹角成180°:N=0.8Me/h,环梁剪扭控制截面位置在框架梁纵筋锚固区两侧,扭矩按T=0.6Me取值。文中建立的环梁箍筋设计方法将抗剪配筋与抗扭配筋合并计算,公式为:T≤(2.6Asvfsvb0h0)/s。其中,Me为框架梁端弯矩,其余符号意义同GB 50010-2002。
3)当环梁面纵筋与框架梁负筋的比值Agh1/Agk1=1时,节点的破坏面发生于环梁与框架梁的交接面即框架梁根部。这表明,只要环梁的配筋合适,新型节点传递弯矩的能力是可靠的,且可以控制节点在框架梁端受弯破坏,节点有较大的延性。
3 结语
环梁节点的受拉屈服区域主要集中在环梁与框架梁轴向成45°角的区域内,框架梁和环梁的最薄弱部位在框架梁与环梁交接处。有学者认为将框架梁与环梁交接处设计成一个过渡曲面,并配置适量的过渡钢筋(如图2所示)。但这种设计会给实际工程应用带来一定的不便,笔者认为在实际工程应用中,由于楼板的存在,可以在楼板中垂直于45°角的位置设置一定的钢筋作加强处理。
总之,大量的工程实例和试验研究验证了钢管混凝土柱环梁节点的可靠性和实用性。现在的试验研究给我们提供了许多宝贵的研究成果。但由于环梁节点的复杂性和特殊性,仍有许多问题有待进一步的研究。怎样研究出一套简单合理的节点设计方案和计算方法是解决目前应用中存在问题的关键。
摘要：介绍了有限元计算和荷载试验中得到的钢管混凝土柱环梁节点的力学性能和破坏形态,归纳了现有的适于工程实际应用的抗弯、抗剪承载力设计方法以及环梁和框架梁配筋要求,并对带楼板环梁节点的楼板配筋进行了探讨。
关键词：钢管混凝土柱,环梁,节点,框架梁
参考文献
[1]李少云,方小丹,杨润强.广州市翠湖山庄工程钢管混凝土柱节点足尺静载试验研究[J].土木工程学报,2001(12):64-65.
[2]方小丹,李少云,陈爱军.新型钢管混凝土柱节点的试验研究[J].建筑结构学报,1999(5):78-79.
[3]陈爱军.新型钢管混凝土柱节点的试验研究[D].广州:华南理工大学,1998.
[4]宋欣.钢管混凝土柱环梁节点设计方法研究[D].广州:华南理工大学,2000.
[5]黄霭明.钢管混凝土环梁节点对钢管混凝土柱承载能力影响的研究[D].广州:华南理工大学,1999.
钢管混凝土节点 篇3
随着我国经济和科学技术的不断发展, 高层建筑、大跨度结构大量地涌现, 而对于这些大型结构, 通常需要采用承载力高、延性好、安全可靠的构件。其中, 钢管混凝土组合结构以其承载力高、塑性、韧性性能好等优点受到工程应用与研究领域的广泛关注[1]。
为了充分发挥钢管混凝土良好的力学性能, 在实际工程中梁柱节点的连接就显得尤为重要, 特别是当遇到地震作用时, 梁柱节点对于建筑物的安全起到了决定性作用。正是因为梁柱节点连接的重要性, 国内外研究人员对此也展开了深入的研究, 并将研究成果制定成规范, 供设计及施工人员使用, 从而保证节点的构造设计满足良好的塑形以及抗震性能要求[2]。
加强环式节点由于其传力路径简洁明确, 节点刚度大, 承载力高, 并且具有良好的经济效益以及施工的便捷性, 已经在实际工程中得到大量的运用, 同时该节点也是《钢管混凝土结构设计与施工规程》 (CECS159:2004) [3]推荐的节点形式之一。该节点的原理, 是利用上下加强环分别承受拉、压力, 形成力偶来抵抗梁端弯矩, 同时利用垂直肋板、型钢承重销、穿心钢板、明牛腿等来传递梁端剪力。但其缺点也是很明显的, 由于其只与钢管混凝土柱表面的钢管所焊接接触, 其剪力并未有效地传递到核心区混凝土上, 导致在节点连接处较为薄弱, 易产生塑性铰进而被破坏。因此, 有必要对加强环式节点进行更深入的研究, 并作出相应的改进, 增强其在节点连接处的性能。
1 研究现状及进展
1.1 外加强环式节点试验研究
Choi等[4]对11个不同尺寸的钢管混凝土柱-钢梁节点在往复荷载作用下的力学性能进行了试验研究, 重点比较了“无外加强环板”、“无焊接的改进T型外加强环板”和“外加强环板加环向锚固钢筋”等不同的构造方法下, 节点的力学性能。结果表明, 焊接的外加强环板和外加强环板加环向锚固钢筋等类型的节点都具有较高的承载能力和刚度, 其滞回曲线饱满, 表现出良好的延性。
蒋涛等[5]进行了矩形钢管混凝土柱-钢管混凝土梁节点的拟静力试验研究。其研究了两种外加强环式节点的连接方式, 试验结果表明:钢筋贯通式节点利用钢筋传递梁端弯矩, 抗震性能较好, 但节点制作过程特别复杂, 存在梁端部钢板开孔焊接预埋钢筋和二次浇灌水泥砂浆的问题。外加强环式节点荷载-位移滞回曲线表现出捏缩现象, 主要由于梁端部封板刚度不足, 因此节点的变形集中到梁端部封板上, 最终导致梁端部封板屈曲和焊缝撕裂。这两种节点连接型式均表现出较好的抗震性能, 符合节点设计中“强节点, 弱构件”的原则, 具有一定的参考价值。
张大旭, 张素梅[6]对圆形钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点的各项力学性能行了试验研究, 包括强柱弱梁及削弱节点区 (节点区钢管壁减薄) 两类节点, 根据试验结果, 对钢管混凝土梁柱节点梁端荷载-位移滞回曲线进行了理论分析, 并建立了节点恢复力模型, 按照传统和改进的两种分析方法, 编制数值计算程序进行了荷载-位移滞回曲线分析, 理论计算结果与试验数据吻合良好。
吕西林等[7]对带内隔板的方钢管混凝土柱与钢梁节点连接进行了试验研究和理论分析, 提出了方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的设计及构造建议, 并已纳入国家设计规范。
1.2 内加强环式节点试验研究
王磊[8]进行了不同焊缝形式连接内加强环和钢管壁的节点试件进行试验, 考察了不同焊缝形式对节点受力情况和应力分布的影响, 并对梁柱节点处应力集中问题进行了讨论, 最后还给出了相应的设计建议。
李强[9]对大量Y形、K形内加强环式节点进行了比较系统的分析与研究, 并给出了集中因子的影响因素, 提出了相应的设计建议。
1.3 外加强环式节点数值模拟研究
Alostaz和Schneider[10]利用有限元方法分析了钢管混凝土柱--钢梁节点在不同构造措施下的抗震性能。节点的构造类型主要选取了焊接节点、预埋式焊接节点、内埋铆钉式节点、贯穿腹板式节点、贯通钢梁式节点、翼缘贯通式节点和腹板贯通式节点等。研究了钢管径厚比、轴压比及梁端的弯矩剪力比等参数对节点力学性能的影响。结果表明:直接焊接节点承载力不高, 而将钢梁内力传递给核心混凝土组件的节点具有更高的承载力和刚度;不同节点构造措施对其力学性能的提高效果不同, 其中穿心钢梁式构造是实现理想刚接节点最有效的方法。
Chang-Koon Chol等[11]利用ADINA软件中的一种新的实体单元建模, 模拟端板螺栓连接钢框架节点。结果表明:有限元模型可以准确地反应实际构件的真实响应;同时, 该方法也可以用来进行大规模参数分析, 并分析和设计一般的钢结构。
1.4 内加强环式节点数值模拟研究
张鑫[12]对12个内加强环式节点建立了有限元模型, 利用ANSYS软件中PUSHOVER对12个节点进行了抗震性能试验, 主要考察其滞回性能及刚度退化情况。试验结果表明, 随着内加强环厚度的增大, 节点区承载力明显提高, 当加强环的厚度与梁翼缘厚度相同时, 加强环受力较好, 且较为经济;随着钢管混凝土柱端轴压力的增大, 节点的承载力有所提高, 轴压比在0.4~0.8范围时, 内加强环的应力均未超过屈服应力, 具有一定的安全储备;随着钢管壁厚的增加, 梁柱连接处的刚度变大, 节点的承载力提高, 但是结构的延性大幅降低, 因此, 建议含钢率宜控制在0.052~0.074。
2 现阶段存在的问题
梁柱节点的性能是影响结构整体性能的关键所在, 节点既要可靠, 使其能在水平与竖向荷载的作用下有效的传递弯矩和剪力, 又要有利于施工, 方便现场操作。现阶段使用较多的梁柱节点形式主要有三种:外加强环式节点、内加强环式节点和贯穿加强板式节点。虽然上述3类节点基本能够满足实际工程应用的需求, 但此类节点还存在以下问题:
(1) 外加强环式节点施工比较方便, 但加劲钢板用钢量大, 现场焊接工作量较大, 施工不便, 并且影响施工质量。因此, 可考虑进行工厂预先焊接后直接装配使用, 此方面还需要深入研究。
(2) 内加强环式节点和贯穿加强板式节点的钢板用量较外隔板要少, 但焊缝施工不方便, 尤其是在小尺寸钢管内施焊几乎不可能, 不利于在构件截面尺寸较小的住宅建筑中使用。
(3) 加强环只是与钢管柱外部相连, 与核心区混凝土并未建立有效连接, 因此节点的抗剪、抗弯性能较为薄弱。因此, 需要设计一种与核心区混凝土建立可靠连接的节点方案, 增强节点抗剪承载力, 从而提高整个结构的安全性及抗震性能。
(4) 长期受力性能、疲劳性能研究目前还鲜有报道, 此方面还有待进一步研究。
) 3结束语
钢管混凝土节点 篇4
1 钢管混凝土结构
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。目前工程中最常见的3种钢管混凝土构件横截面形式主要是圆形、方形和矩形。钢管混凝土的特点主要可简要归纳为:承载力高;塑性和韧性好;制作和施工方便;耐火性能好;经济效果好。
2 板柱节点
钢管混凝土结构在高层建筑中的应用发展极快,但节点问题仍然是钢管混凝土结构应用中的一大难题,制约了这种性能优异的结构在工程中的推广和应用。钢管混凝土柱节点目前在应用中存在的主要问题有:
1)节点的力学性能和施工的简易性、经济性不能两全。2)影响建筑外观和使用。3)节点的应用不灵活。
目前工程中所应用的节点均只适用于常规的情况,对较为特殊的楼盖布置,如非正交梁系、各梁的标高与高度不同等情况,其应用就受到了一定的限制。
3 节点抗剪、抗冲切承载力研究
3.1 影响因素
在钢管混凝土柱结构体系设计中关键性的问题在于钢管混凝土柱与混凝土板的连接,即板柱节点问题。对于钢管混凝土板柱结构板柱节点,由于是钢与混凝土的连接,不如整体的钢结构或现浇混凝土结构的连续性好。若在该部位产生形变,则其节点性能不再是刚性的,必然影响到整个结构体系的受力性能和形变。
3.2 抗冲切计算公式
冲切强度的影响因素很多,并且它们之间的相互影响又很大。总的来说,影响冲切强度的主要因素有板中纵横向配筋率、集中荷载作用面的大小、混凝土强度以及其他一些因素。
我国TJ 10-74规范中是不考虑纵向配筋率ρ对受冲切的作用的。而事实上,纵向钢筋在板受冲切时的梢栓作用较大。一方面是直接作用,即破坏锥体受到双向梢栓作用,另一方面是间接作用,使裂缝两旁的骨料咬合力可进一步增大。因此,在GBJ 10-89中开始考虑纵向钢筋对受冲切承载力的作用。试验研究表明:梢栓力约占受冲切承载力的30%左右,但纵向钢筋对受冲切承载力的作用是有限的,所以规定最大配筋率为2%。
从我国《混凝土结构设计规范》可知:
1)在局部荷载作用或集中反力作用下配置箍筋或弯起筋的板,其受冲切承载力应符合下列规定:
其中,Fl为局部荷载设计值;βh为截面高度影响系数;ft为混凝土轴心抗拉强度;σpc,m为临界截面周长上两个方向混凝土有效预应力按长度的加权平均值;um为临界截面的周长;h0为截面有效高度。
系数η可以按式(2),式(3)计算,并取其中最小值:
其中,η1为局部荷载或集中反力作用面积形式的影响系数;η2为临界截面周长与板截面有效高度之比的影响系数;βs为局部荷载或集中反力作用面积为矩形的长边与短边尺寸的比值,βs≤4,当βs<2时,取βs=2;当面积为圆形时,取βs=2;as为板柱结构中柱类型的影响系数:对中性,取as=40;对边柱,取as=30;对角柱,取as=20。
2)当板开有孔洞且孔洞至局部荷载或集中反力作用面积边缘的距离不大于6h0时,受冲切承载力计算中取用的临界界面周长um,应扣除局部荷载或集中反力作用面积中心至开孔外边画出两条切线之间所包含的长度。
3)在局部荷载或集中反力作用下,当受冲切承载力不满足1)的要求且板厚受到限制时,可配置箍筋或弯起钢筋。此时,受冲切截面应符合下列条件:
配置箍筋或弯起钢筋的板,其受冲切承载力应符合下列规定:
a.当配置箍筋时:
b.当配置弯起钢筋时:
其中,Asvu为与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交的全部箍筋截面面积;Asbu为与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交的全部弯起钢筋截面面积;α为弯起钢筋与板底面的夹角。
4)对矩形截面柱的阶形基础,在柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力应符合下列规定:
其中,h0为柱与基础交接处或基础变阶处的截面有效高度,取两个配筋方向的截面有效高度的平均值;Ps为按荷载效应基本组合计算并考虑结构重要性系数的基础底面地基反力设计值(可扣除基础自重及其上的土重),当基础偏心受力时,可取最大的地基反力设计值;A为考虑冲切荷载时取用的多边形面积;bt为冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长:当计算柱与基础交接处受冲切承载力时,取柱宽;当计算基础变阶处受冲切承载力时,取上阶宽;bb=bt+2h0。
5)板柱结构在竖向荷载、水平荷载作用下,当考虑板柱节点临界面上的剪应力传递不平衡弯矩、并按1)或3)进行受冲切承载力计算时,其集中反力设计值F1应用等效集中反力设计值F1,eq代替,F1,eq可按规范附录的规定计算。
锚栓配筋作为混凝土板柱节点抗冲切措施,是近年来在国外产生并发展起来的一种新型的结构构造。配置抗冲切锚栓的混凝土板,如果试件受冲切后在配锚栓区域内破坏,则冲切承载力由锚栓与混凝土共同提供;如果试件在配锚栓区域外破坏,则冲切承载力只由破坏处混凝土提供。我国在这方面的研究很少,下面主要介绍国外的一些设计方法。
a.在配置锚栓区域内:
Vs=Avfyvh0/S (13)
其中,Vu为集中反力或局部荷载,kN;Vn为截面的计算承载能力,kN;ϕ为强度折减系数,取ϕ=0.85;Vc为计算竖向截面上由混凝土提供的承载力,kN;Vs为计算竖向截面上由锚栓提供的承载力,kN;R为混凝土的立方体抗压强度,N/m2;Um为计算竖向截面的周边长,mm;h0为板的有效高度,mm;Av 为距柱面距离相等的围绕柱子一周的锚栓截面面积,m2;fyv为锚栓的屈服强度,N/m2;α为计算竖向截面上周边至柱面的垂直距离与板的有效高度之比,且α<1时,取α=1(取冲切破坏锥体中点处的竖向截面);βc为柱子的长、短边之比,且当βc<2时,取βc=2;S为锚栓间距,mm。
b.在配置锚栓区域外。应验算距最外一排锚栓h0/2处截面,其承载力同样应满足式(10),但Vn应按式(14)取值:
4 结语
文中通过介绍影响钢管混凝土柱—平板结构节点的因素,对我国现行规范里抗冲切承载力的一些公式进行了陈述。所以在控制节点冲切力时,主要通过改变板中纵横向配筋率、集中荷载作用面的大小、混凝土强度这三个主要因素来达到所需目的。
摘要：对钢管混凝土结构进行了介绍,分析了钢管混凝土板柱节点在应用中存在的问题,介绍了影响钢管混凝土柱—平板结构节点的因素,对我国规范里抗冲切承载力的一些公式进行了陈述,从而促进钢管混凝土结构的研究和应用。
关键词：钢管混凝土,板柱节点,抗冲切性能,荷载
参考文献
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钢管混凝土节点 篇5
钢管混凝土节点作为框架结构的传力枢纽,在钢管混凝土结构中占有重要的地位[1,2]。劲性环梁式钢管混凝土节点将传统环梁式钢管混凝土节点的抗剪牛腿提高到梁纵筋以下,形成抗弯能力较强的抗弯剪牛腿,与钢筋混凝土环梁共同承受和传递梁端弯矩和剪力,框架梁的纵筋无需焊接,只需锚入环梁一定长度即可,它具有以下优点:①抗弯剪牛腿不穿心而直接焊于钢管壁上,以避免牛腿穿心带来的施工困难;②框架梁钢筋直接搭接在与钢管壁焊接的抗弯剪牛腿上,无需现场施焊,从而节约工程量,缩短施工工期;③采用圆形环梁,不仅能满足建筑使用功能,而且节点无方向性,可与任意方向的楼盖相接[3,4,5,6]。
目前,国内外学者对劲性环梁式节点的恢复力模型研究并不多见。文献[3]首次提出了劲性环梁式钢管混凝土节点的概念,对其传力机理和力学性能进行探讨,提出了初步的实用设计方法。基于文献[3]的研究成果,文献[4]针对劲性环梁式中柱节点的传力机理和内力分配方法进行了研究,提出该节点各构件的设计方法。文献[6]通过劲性环梁式钢管混凝土节点试件的低周往复荷载试验及ABAQUS有限元模拟计算,进一步验证了节点满足“强柱弱梁,强节点强锚固”的抗震设计原则,并已成功应用于广州新中国大厦、武汉政协大楼等建筑结构中[5,6]。本文在静力试验与有限元分析的基础上,结合劲性环梁式钢管混凝土节点滞回曲线和恢复力特性的研究和理论分析,建立了适合于劲性环梁式钢管混凝土框架节点的恢复力模型,为结构弹塑性时程分析提供理论基础。
1 试验概况
1.1 试件设计及加载
选取了10个劲性环梁式钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点在低周往复荷载作用下进行试验,试验中柱顶由千斤顶施加恒定竖向荷载,竖向荷载达到设计值后,保持柱顶荷载不变,然后利用MTS伺服作动器对梁端进行低周往复加载。节点试件如图1,参数如表1所示。
1.2 滞回曲线
实测的荷载-位移(P-Δ)滞回曲线如图2所示,在加载初期,滞回环较小,当卸载时,位移基本归零,构件处于弹性阶段,刚度恒定;随着位移荷载的增加,滞回环的面积加大,当卸载时,存在残余应力,并且每次加卸载后的残余应力越来越大,整体刚度开始降低,构件处于弹塑性阶段,试件从加载到破坏可归为四个阶段:开裂阶段、屈服阶段、极限阶段和破坏阶段。
注:①柱子钢材为Q235,截面均为Ø165mm×3mm,混凝土强度等级为C40;②框架梁钢筋为HRB335,截面均为100mm×220mm,混凝土强度等级C40;③环梁钢筋为HPB235,混凝土强度等级C40。
2 有限元模型
2.1 有限元模型建立
模型包括混凝土框架梁与环梁、框架柱核心混凝土、钢管以及牛腿及环板加劲肋部分、钢筋骨架。钢管和混凝土之间的接触采用面面接触单元(Surface to Surface Contact),切向摩擦采用ABAQUS所提供的库仑摩擦模型。摩擦系数取为0.25,法向定义硬接触。钢筋骨架、钢牛腿、加强环板及加劲肋均植入(Embedded)框架梁及环梁的混凝土中。混凝土采用三维实体单元(C3D8R)模拟,钢筋采用杆单元(T3D2)来模拟,钢材选用S4R壳单元。本文选取ABAQUS程序提供的混凝土塑性损伤模型(Concrete Damaged Plasticity),钢管及钢筋采用塑性材料(Plastic)模型。柱两端边界条件为铰接连接,框架梁两端为自由端。在柱顶施加轴向集中荷载模拟试验中的轴向力,在框架梁两端施加位移来模拟框架梁端低周往复加载。
2.2 有限元模型验证
以JD1为例,通过有限元计算与试验测得峰值承载力分别为28.46k N和28.00k N;试验和有限元计算的骨架曲线对比结果见图3。由此可以看出,理论分析结果和试验结果吻合较好,从而验证有限元分析的结果是可以反映试件的实际受力情况。通过验证的有限元模型对试件影响参数进行拓展分析,模型试件序号见表2。
3 恢复力模型
利用经过试验考核和修正的有限元模型进行参数分析,回归出劲性环梁式钢管混凝土节点的恢复力模型。
3.1 骨架曲线的确定
将有限元计算的骨架曲线无量纲化[8,9,10,11],即用P/Pu+和Δ/Δu+进行处理,其中,Pu+为有限元计算得到的节点最大承载力,Δu+为对应于Pu+时的位移,见图4。从图4可看出,所有试件的骨架曲线可用同一条如图5所示的三折线模型拟合。其中控制点A与A′为正反向屈服点,坐标为;B与B′为正反向极限点,坐标为;C与C′为正反向破坏点,坐标为,其中,Pmax=0.85Pu。
图5中三折线型骨架曲线模型中线段OA与OA′分别表示节点试件正反方向的相对弹性刚度;线段AB与A′B′分别为节点在正反向荷载作用下节点屈服后的相对塑性刚度;线段BC与B′C′斜率分别是节点达到极限承载力后由强度退化阶段的卸载刚度。其数学表达根据有限元模型计算结果进行回归,得到如下数学表达式:
3.2 滞回规则
由试验得到劲性环梁式节点滞回曲线可以看出,达到屈服荷载之后无论加载还是卸载,其相对刚度均有出现退化现象,表明节点在达到屈服荷载后有一定的损伤,且反复循环加载近似符合“定点指向”规律。根据试验与有限元计算结果给出在反复荷载作用下加载刚度与卸载刚度的退化规律,K1表示正向卸载刚度,K2表示反向加载刚度,K3表示反向卸载刚度,K4表示正向加载刚度,见图6。
荷载进入屈服阶段后,刚度开始退化,从D点开始卸载到力为零的点E,正向卸载刚度K1为线段DE的斜率,通过回归分析得出K1/KOA与Δ/Δu+的关系曲线,见图7(a),并得到其数学表达式:
式中:KOA为正向荷载作用下节点的初始刚度;Δ1为正向卸载时所对应的卸载点位移。
继续将残余变形点E与反向卸载点F相连,EF斜率为反向加载刚度K2,它与试件节点正向卸载时的残余变形Δ′以及反向加载的初始刚度KO′A′等有关。通过回归分析可以得出K2/KO′A′与Δ′/Δu+的关系曲线,见图7(b),并得到其数学表达式:
将反向加载点F与卸载至力为零的点G相连接,得到的线段FG,用它的斜率表示节点的反向卸载刚度K3,经过回归分析可以得到K3/KO′A′与Δ2/Δu-的关系曲线,如图7(c)所示,回归表达式为:
式中:Δ2为节点反向卸载时所对应的卸载点位移;将节点反向卸载的残余点G与正向卸载点D相连接,得到线段GD即为正向加载线,其斜率为反向加载刚度,进行回归分析,可得出K4/KOA与Δ2′/Δu-之间的关系曲线,如图7(d)所示;Δ2′为节点反向卸载时的残余变形,数学表达式为:
根据以上结果而确定的劲性环梁式节点恢复力模型的滞回规则为:往复荷载作用下,节点试件屈服前以弹性刚度沿着弹性段进行,当构件达到屈服以后,其加载刚度逐渐降低,且降低速率随加载循环次数和卸载时位移的增大而增大。
3.3 恢复力模型与试验结果的比较
将得到的恢复力模型和试验数据进行对比如图8所示,由图中曲线可以看出,节点的恢复力模型能较好地反映各构件荷载与位移的关系,其模型曲线与试验曲线符合较好。由此可验证节点恢复力模型的正确性。建立的模型可用于劲性环梁式钢管混凝土框架节点的弹塑性分析。
4 结论
(1)充分考虑了柱钢管壁厚、环梁纵筋直径、框架梁纵筋直径、钢牛腿长度及核心混凝土强度等参数的影响,根据归一化骨架曲线的特点采用了三折线模型来模拟劲性环梁式节点的骨架曲线。
(2)劲性环梁式节点达到屈服荷载之后的加载与卸载刚度均有退化。
(3)采用三折线模型计算所得的骨架曲线与试验所得的骨架曲线吻合程度较好,该模型可供劲性环梁式节点及其结构在进行弹塑性地震反应分析时参考。
参考文献
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钢管混凝土节点 篇6
异形柱应用于高层住宅建筑能使结构避免肥梁胖柱, 避免房间出现棱角, 适合建筑布局, 提高使用面积;节约大量钢支撑, 大大缩短了工期, 提高了工程质量。近年来钢管混凝土异形柱已经成功地运用在实际工程中, 如:广州名励大厦、江门中旅大厦等大型建筑工程中。钢管混凝土异形柱结构作为一种新型的结构形式在理论、试验研究以及实际工程中都缺乏可靠的设计施工依据, 目前对钢管混凝土异形柱的理论和应用研究还比较少, 主要有同济大学进行了T形、L形钢管混凝土柱抗震性能研究, 华南理工大学提出了带约束拉杆的T形、L形钢管混凝土柱。本文对T形钢管混凝土异性柱与钢梁节点进行了低周反复荷载试验及分析, 其结果, 可以为该类型节点的设计提供参考。
1 T形钢管混凝土异性柱与钢梁节点传力机理
钢管混凝土节点在地震作用下, 承受柱和框架梁传来的轴向力、弯矩和剪力[4]。但钢管使核心混凝土三向受压, 其节点内力比较复杂。大多数抗弯节点同时承受剪力和抵抗弯矩, 对于刚性节点[5], 弯矩是以翼缘上受拉和受压的形式由梁传给柱[12,7], 在T形钢管混凝土异形柱与钢梁节点中, 压力是由混凝土和钢管共同承担, 而拉力是由内设的水平加劲板和钢管腹板来共同承担。水平加劲板是用熔透焊在与钢梁上下翼缘相同位置高度处在钢管内部与柱翼缘相连接的, 由于钢梁翼缘中的拉力主要通过水平加劲肋传递[8], 试验设计中作如下假定: (1) 节点弯矩等于梁塑性弯矩; (2) 弯矩是通过梁翼缘以一对力的形式传递, 钢梁中的剪力通过焊缝传递给腹板[10]。试件设计破坏形式重要有以下几种: (1) 水平加劲板受拉破坏; (2) 柱腹板拉裂破坏; (3) 钢梁翼缘受拉破坏[5]。
2 T形钢管混凝土异性柱与钢梁节点试验设计
2.1 试件尺寸、参数设计及材料性能实验
试验试件采用1/2缩尺进行制作, 如图1, 混凝土与试件钢材参数如表1、表2所示[13], 钢管由钢板拼焊而成, 采用角焊缝。工字型钢梁由三块钢板全熔透焊接而成, 钢梁上下翼缘与柱壁采用设有垫板的对接焊缝, 混凝土使用商品豆石混凝土直接进行浇灌。
2.2 试验装置及加载制度
本次试验是梁柱节点试验, 以节点域为主要研究对象, 为了更好地反映实际情况, 故采用柱端加载的方法, 加载点设置在柱上端。
(1) 试验设备主要有:加载设备, 反力墙, 试验台座, 荷载架, 支撑架, 其中加载设备采用电液伺服加载系统, 如图2。
(2) 预测数据有:荷载大小, 支座反力, 支座位移, 荷载-变形曲线, 梁塑性铰区曲率和截面转角等。
(3) 加载制度:按照《建筑抗震试验方法规程》 (JGJ101-96) [3]的规定采用力-位移控制混合加载制度, 如图3所示。
(4) 加载:首先, 将柱顶荷载加到设计值N如表3所示, 并且保证在整个试验过程中, 变化幅度在其值的5%内。然后在柱端分级加载屈服水平地震力P如表3所示。
3 试验现象与试件破坏形态
对于T2试件当柱端荷载小于80k N时, 节点核心区的应变片均未达到屈服应变, 整个节点域处于完全弹性工作状态。当柱端推力超过80k N时, 经过三圈循环节点核心区有个别测点达到屈服应变, 继续加载当推力达到190k N时, 节点核心区大部分测点达到屈服应变, 此时可以确定屈服荷载大概为190k N, 屈服位移为24mm, 随后开始位移控制加载, 每级增加10mm, 当推至37mm第二圈时, 节点核心区柱翼缘上部与节点域腹板连接处竖向焊缝开裂如图4 (a) , 承载力开始下降, 当推至51mm左右时, 节点核心区柱翼缘上部与节点域腹板连接处竖向焊缝开裂延伸贯穿整个节点域如图4 (b) , 钢管柱T形面出现凹陷如图4 (c) , 承载力急速下降, 试件破坏。
T3试件与T2试件试验现象过程基本相似, 屈服荷载大概为280k N, 屈服位移为34mm, 此时可以听到柱内有明显的响声, 可以推断钢管柱内混凝土开始破坏, 当推至55mm左右时, 节点核心区柱翼缘下部与节点域腹板连接处竖向焊缝开裂, 承载力达到最大, 随后开始下降, 当推至70mm左右时, 节点核心区柱翼缘下部与节点域腹板连接处竖向焊缝开裂延伸贯穿整个节点域, 钢梁下翼缘焊缝拉断如图4 (d) , 承载力急速下降, 试件破坏。
4 试验结果与分析
试件滞回曲线如图5所示, 从滞回曲线上可以观察到:
(1) T2试件在荷载小于190k N, T3试件在荷载小于280k N时, 力和位移基本呈线性关系, 滞回曲线直线上升, 刚度无明显退化, 残余变形也很小, 试件处于弹性状态, 随荷载增大, 滞回曲线都比较饱满, 试件具有良好的强度和延性特征, 而且彼此大体形状相似, 表明此种节点具有较好的抗震性能, 即较强的耗能能力。
(2) 所有试件在正向或者反向加载达到极限荷载时, 节点核心区柱翼缘与节点域腹板的焊缝突然开裂, 承载力急剧下降, 焊缝开裂后所有试件随着柱端力的增加, 柱翼缘在工字梁翼缘的拉力作用下, 裂缝逐步加宽, 承载力也随之逐步下降, 图中滞回曲线下降段呈阶梯状。
(3) 根据我国《建筑抗震设计规范》[11]中对钢结构弹塑性层间位移角限值为1/50的规定, 以本试验的结果来看, 在设计规范所允许的层间位移角范围内, T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点能够保证结构承载力不退化。
从滞回曲线可得到节点试件的骨架曲线, 如图6所示, 从图中可以看出:
(1) 所有试件在达到极限荷载后, 均能表现出良好的延性和后期变形能力。具有较高的承载力和弹性刚度。
(2) T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点试件的骨架曲线有着较长下降段, 在大位移阶段具有良好的延性。
(3) 从骨架曲线可以看出T3试件比T2试件具有更高的承载能力, 这主要是因为T3试件的肢高肢厚比为3, T2试件为2, 从而T3试件节点域核心区面积也就相应较大。
5 结语
(1) T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点和其他常规钢结构节点一样, 具有较好的延性和相同的破坏特征, 且有较好的抗震性能。
(2) 对于T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点, 在肢高肢厚比不大于3的情况下, 随着肢高肢厚比的增加, 节点的承载能力会有所提高。
(3) 焊缝质量是保证T形钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点抗震性能的一个重要因素。
摘要：本文通过低周反复加载试验对2个T形带加劲肋柱贯通式钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点进行了试验研究, 研究了不同肢高肢厚比情况下节点的滞回性能、强度及延性、破坏特征等特性。试验结果表明, 钢管混凝土异形柱与钢梁框架节点滞回环饱满、耗能能力较好, 强度和延性较高, 抗震性能较好。试验结果能够为这种新型结构形式在实际工程中的应用提供指导意见。
钢管混凝土节点 篇7
为了全面考察穿心螺栓端板式节点域的应力分布及应力传递情况, 在SJ-1和SJ-2的节点域、节点板处布置了应变花, 其测点编号如图1所示。
图2 (a) ~ (d) 给出了SJ-1在弹性阶段各测点的荷载-主应变曲线。 (a) 图表示了节点板上各测点主应变随荷载变化情况。负向荷载下节点板上第一主应变增长比正向荷载下快。在负向荷载下, 测点4、测点1的主应变较大, 越靠近节点板边, 主应变越小, 测点3最小。在正向荷载下, 测点1、2、3的第一主应变比测点4、5的大, 即上弦杆连接处的主应变比端板连接处的大。 (b) 、 (c) 图分别表示了上弦杆、下弦杆腹板处主应变随荷载变化情况。上弦杆腹板处在正负荷载作用下, 测点6、7一直是主拉应变, 在负向荷载下的主应变明显大与正向荷载下的, 测点6的主应变较测点7的大, 即第一排螺栓处的主拉应变最大。测点8、9在正负荷载作用下, 拉应变明显高于压应变, 测点8主应变较测点9较高, 即下弦腹板内侧主应力大于外侧。 (d) 图表示上弦节点域各测点主应变随荷载变化情况, 在正负荷载下, 各测点主应变一直处于拉状态, 测点11处的主应变最大, 主应变基本对称。
图3 (a) ~ (d) 给出了SJ-2在弹性阶段各测点的荷载-主应变曲线。各测点荷载与主应变的曲线变化趋势与SJ-1相似, 但在相同荷载下, SJ-2的节点板主应变比SJ-1的要大, 这主要是由于端板厚度的影响, 薄端板的变形较大, 相反SJ-2节点域的主应变较SJ-1小。
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