工学论文：钢筋混凝土柱钢梁组合节点力学性能初探

    摘要: 设计 6 种不同构造形式的钢筋混凝土柱-钢梁( RCS) 组合节点。通过以往的试验研究，钢筋混凝土柱-钢梁组合节点具有较好的受力性能，国外对此类结构进行了较多研究，但国内对此种结构的研究较少。该文研究 6 种不同构造形式的 RCS 组合节点的受力性能及破坏模式。其中有面承板，扩展面承板，扁钢箍，正交短梁，柱面钢板和 X交叉钢筋等 6 种剪切件。采用 ABAQUS 通用有限元软件对 6 种不同构造形式的组合节点进行分析，对节点核心区受力情况进行研究。
　　关键词: 钢筋混凝土柱; 钢梁; 组合节点; 有限元; 数值模拟
   1 钢筋混凝土柱-钢梁组合节点设计钢筋混凝土柱-钢梁组合节点形式多样，一般可分为柱贯通型和梁贯通型两种。梁贯通型组合节点由于翼缘的存在，不利于浇灌混凝土的浇灌。为了研究柱贯通型 RCS 节点的受力特点与破坏模式，设计了 6种不同构造形式的钢筋混凝土柱-钢梁组合节点，对其进行研究分析。本文主要研究不同构造形式下构件承载力，为真实反应节点的受力性能，试件选用型号 Q235 常用钢材，钢筋选用 HPB335 级钢筋，混凝土强度选用 C40 混凝土( a) RCS-J1 ( b) RCS-J2( c) RCS-J3 ( d) RCS-J4( e) RCS-J5 ( f) RCS-J6图 1 RCS 节点详图Fig． 1 Details of joint表 1 试件材性参数表Table 1 Details of specimens试件号 构造形式 节点核心区构造 面承板厚度 扩展面承板 扁钢箍 正交短梁 交叉钢筋 柱面钢板RCS-J1 面承板 面承板 + 箍筋 10mm － － － － －RCS-J2 扩展面承板 面承板 + 扩展面承板 + 箍筋 10mm高 60mm，截面尺寸同钢梁－ － － －RCS-J3 扁钢箍 面承板 + 扁钢箍 + 箍筋 10mm － 60mm × 6mm － － －RCS-J4 正交短梁 面承板 + 正交短梁 + 箍筋 10mm － － 截面尺寸同钢梁 － －RCS-J5 X 交叉钢筋 面承板 + X 交叉钢筋 + 箍筋 10mm － － － 4B12 －RCS-J6 柱面钢板 面承板 + 柱面钢板 10mm － － － － 4mm注: ①钢梁屈服强度 fyb为235、钢筋屈服强度 fyc为335 和混凝土立方体强度 fcu为40，单位均为 N/mm2; ②柱截面尺寸 350mm ×350mm，梁截面 350mm ×175mm × 9mm × 11mm，柱纵筋 12B20; 3 柱箍筋为井字复合箍 B8@ 100 /200，节点核心区箍筋箍为双肢箍 B8@ 60。
　　2 建立有限元模型采用有限元软件 ABAQUS( Hibbitt 等)进行数值分析。
　　2． 1 材料的本构关系模型本文钢材应力-应变关系模型采用二次塑流模型。混凝土单轴受压应力-应变关系模型，暂忽略箍筋对混凝土的约束作用。采用 Attard 和 Setunge 等模型。其单轴应力( σc) -应变( εc) 关系如式( 1) :
　　Y =AX + BX21 + CX + DX2( 1)式中，Y = σc/ fc' ; X = εc/ εco; σc和 εc分别为混凝土的应力和应变，fc' 和 εco分别为混凝土圆柱体轴心抗压强度及其对应的应变。具体参数详见文献。本文混凝土受拉采用应力-断裂能模型。断裂能 Gf参考欧洲的模式规范( CEB-FIP MC90) 的建议，混凝土断裂能 Gf可按式( 2) 计算。Gf= α·fc'( )100． 7× 10－3( 2)其中: α = 1． 25dmax+ 10; dmax为粗骨料的粒径; fck为混凝土抗压强度。混凝土峰值拉应力 σt0参考沈聚敏等中提供的混凝土抗拉强度计算公式计算，混凝土峰值拉应力按式( 3) 计算:σt0= 0． 26 × ( 1． 5fck)2 /3( 3)
      2． 2 单元类型及网格划分在 ABAQUS 有限元模型中，混凝土、钢梁和加载板采用 8 节点完全积分格式的三维实体单元 C3D8。钢筋采用 Truss 单元。采用映射网格。为兼顾计算精等·钢筋混凝土柱-钢梁组合节点力学性能初探度与计算成本，网格单元尺寸为 50mm。
　　2． 3 边界条件及荷载施加方式本文的边界条件为柱底部及梁端铰接。加载方式是，先在柱顶施加轴向荷载，之后再施加水平荷载。采用全模型建模。与边界条件如图 2 所示。在钢筋混凝土柱底部为铰接，梁左右端为铰接。在柱顶端施加2 方向的位移约束，以防止柱发生侧移。在 ABAQUS 中设置两个加载步，第一个荷载步是以集中力形式施加于柱顶端的加载板。第二个荷载步是在柱顶端施加水平荷载，以位移形式加载。
　　2． 4 界面接触模型钢梁和混凝土的界面模型处理是合理模拟钢筋混凝土柱-钢梁节点力学性能的关键。钢梁与混凝土的界面模型由界面法线方向的接触和切线方向的粘结滑移构成。法线方向的接触采用硬接触，垂直于接触面的界面压力可以完全在界面间传递。本文钢管与混凝土界面切向力模拟采用库仑摩擦模型。其中，μ 为界面摩擦系数，建议取 μ = 0． 25。钢梁和面承板的接触，钢梁自身翼缘与腹板的接触，钢梁与扁钢箍( 柱面钢板) 的接触，钢梁与 X 筋以及加载板与柱端混凝土的接触，均采用绑定约束( TIE) 来模拟。
　　3 RCS 组合节点工作机理3． 1 RCS 组合节点的算例验证通过以上方法对文献中的试验进行了验证，计算结果良好。
　　3． 2 RCS 组合节点的计算结果对 6 种不同构造的 RCS 组合节点的结算，RCS-J2 节点由于扩展面承板的存在，节点区腹板高度增加和其包裹的混凝土体积增图 3 节点网格划分与边界条件示意图Fig． 3 Comparisons of predicted versus experimentalP-Δ curves图 4 6 种节点 V-γ曲线对比Fig． 4 Comparisons of six predicted V-γ curves( a) RCS-J1 ( b) RCS-J2( c) RCS-J3 ( d) RCS-J4( e) RCS-J5 ( f) RCS-J6大对节点抗剪承载力提高; RCS-J3 和 RCS-J2 相比，承载力差不多，部分扁钢箍参与可抗剪; RCS-J4 相当于十字型钢，其两侧的翼缘平行于腹板方向，提供部分抗剪承载力; RCS-J5 柱面钢板相当于增加面承板宽度和两侧柱面钢板参与抗剪; RCS-J6 在节点区增加了交叉钢筋，节点区腹板提供了主拉应力方向的拉力，从而提供抗剪。
　　4 RCS 组合节点抗剪承载力以往美国 ASCE1994、我国 JGJ 138-2001 和日本AIJ 中都有 RCS 组合节点抗剪承载力公式，各抗剪承载力公式不太相同，通过各个公式和计算的结果进行对比分析。
　　4． 1 ASCE 计算公式ASCE1994 年制定的 RCS 框架节点设计指南，规定了 RCS 节点抗剪强度计算公式( 4) :Vj= 0． 6Fysptspjh+ 1． 7 fc槡'bph + 0． 4 fc槡'b0h +0． 9AshFyshh / sh( 4)式中: Fysp为钢梁腹板屈服强度; tsp为腹板厚度; jh为节点区长度; fc' 为混凝土圆柱体抗压强度; bp为内部混凝土宽度; bo为外部混凝土宽度; Fysh为箍筋屈服强度; Ash为一个间距内各肢的全部截面积; h 为柱截面高度; sh为箍筋间距。
　　4． 2 JGJ 138-2001 计算公式JGJ 138-2001为我国 2001 年制定的型钢混凝土组合结构技术规程，其中 RCS 节点抗剪强度计算公式( 5) 计算:Vj= 0． 58fatwhw+ 0． 25fcbjhj+ fyvAsvs( h0－ as') ( 5)式中: fa为腹板抗拉强度; tw为钢梁腹板的厚度; hw为节点区贯穿长度; fc为混凝土抗压强度; bj为节点的有效宽度，按下式取值，bj= bi+ bo/2 ，其中 bi，bo分别是节点核心区内、外混凝土的宽度; hj为节点水平截面高度; fyv为箍筋抗拉强度; Asv为节点宽度范围同一截面箍筋各肢的全部截面积; s 为箍筋的间距; h0为混凝土有效高度; as'纵筋中心到混凝土保护层之间距离。
　　4． 3 AIJ 计算公式根据日本建筑学会的铁骨混凝土结构计算标准，RCS 连接节点受剪承载力计算方法如式( 6)所示:QP= Qw+ Qf+ Qh+ Qc( 6)式中: Qw为型钢腹板抗剪承载力; Qf为柱面钢板抗剪承载力; Qh为箍筋抗剪承载力; Qc混凝土抗剪承载力; 其余详细参数详见文献。计算可知，通过软件计算得到的抗剪承载力与 AIJ 公式计算的承载力除 RCS-J6 外，其余较为吻合，原因是 AIJ 计算公式中未考虑 X 交叉钢筋的作用。而通过 ASCE 和 JGJ 138-2001 公式计算得到的结果比软件计算结果偏大，偏于不安全。JGJ 138-2001 为型钢混凝土组合结构技术规程，公式适用于型钢混凝土柱-钢梁节点，ASCE 也是综合考虑了小钢柱等构造，所以其值较计算结果偏大。
　　以上承载力计算公式可简单分为两种，其中 JGJ138-2001 和 ASCE 以强度考虑的 RCS 组合节点抗剪承载力公式，AIJ 是以变形为因素考虑的 RCS 组合节点的抗剪承载力公式。以变形为因素的 AIJ 抗剪承载力公式可以更好地反应节点的受力情况。各公式计算结果对比Table 2 Comparison of results节点JGJ138-2001ASCEAIJVp( 0． 002)计算Vp计算Vp( 0．002)RCS-J1 1152 1094 697 953 754RCS-J2 1152 1094 737 981 821RCS-J3 1152 1094 737 1001 828RCS-J4 1152 1094 697 954 754RCS-J5 1152 1094 832 994 799RCS-J6 1152 1094 697 1038 857注: ①Vp( 0．002) 为剪切变形为 0． 002 是对应的节点抗剪承载力; ②Vp节点极限抗剪承载力。
　　5 结论通过对钢筋混凝土柱-钢梁节点组合节点的介绍可知:
　　( 1) ABAQUS 有限元软件可以较好的模拟钢筋混凝土柱-钢梁组合节点。对六种不同构造的 RCS 组合节点进行了抗剪承载力分析，分析结果表明，各抗剪承载力计算公式所得计算结构有很大不同，JGJ 138-2001 和 ASCE 不能准确的计算 RCS 组合节点抗剪承载力，基于变形的 AIJ 计算公式较为准确。
　　( 2) 现有计算公式不能满足钢筋混凝土柱-钢梁组合节点抗剪承载力计算，更加完善的计算公式及计算原理需要继续研究。
　　参 考 文 献［1］ Isao N，Hiroshi K，Hiroshi N． Seismic design of compositereinforced concrete and steel buildings ［J］． Journal ofStructural Engineering，2004( 2) : 336-342［2］ Deierlein G G，Shiekh T M． Beam-column moment connectionfor composite frames: Part 2 ［J］． Journal of Structural·Engineering，1989，115( 11) : 2877-2896［3］ Shiekh T M，Deierlein G G． Beam-column moment connectionfor composite frames: Part1 ［J］． Journal of StructuralEngineering，1989，115( 11) : 2858-2875［4］ The ASCE Task Committee on Design Criteria for CompositeStructures in Steel and Concrete． Guidelines for design ofjoints between steel beams and reinforced concrete columns［J］． Journal of Structural Engineering，1994，120 ( 8) :2330-2357［5］ Kanno R，Deierlein G G． Seismic behavior of composite( RCS ) beam-column joint subassemblies ［C ］/ /Proceedings of An Engineering Foundation Conference．Irsee，Germany，1996: 236-249