不同轴压比下型钢混凝土异型节点承载能力分析

2020-07-20龙思宇

四川建筑 2020年2期

龙思宇，张杰

(西南交通大学，四川成都 610031)

TOD模式作为解决城市发展中用地紧张和交通拥堵问题的办法之一，越来越多地被应用到城市建设中。该模式地下部分通常为柱网较疏的地铁车辆基地，地面以上为小开间的商业住宅区，柱网较密。为了满足建筑的使用功能和经济性要求，需要设置含有梁柱尺寸完全不同的SRC异型节点的转换层。轴压比作为影响型钢混凝土节点抗震性能的重要因素之一，国内外已有许多相关研究，并取得了一些重要成果。日本学者KoichiMinami[1]对SRC边节点进行了低周往复荷载试验，研究了轴压比对其抗震性能的影响；赵鸿铁[2]等进行了多个SRC梁柱节点的拟静力试验，研究了不同轴压比下配钢形式对SRC节点受力性能的影响；郑山锁[3]等进行了5个型钢高强混凝土框架中节点的低周反复荷载试验研究，研究了不同轴压比下节点的受力特点，破坏形式；邢国华[4]对钢筋混凝土变梁异型节点进行了拟静力试验研究，分析了轴压比对其受力性能的影响。

目前，国内对该类异型节点的研究还不够深入，为了研究轴压比对其承载能力和延性的影响，设计了一组型钢混凝土异型节点模型，施加0、0.2、0.4、0.6和0.8的轴压比，利用Abaqus对其进行单调加载数值模拟。

1 节点模型

1.1 节点尺寸

根据实际工程，按照1∶4缩尺，设计了型钢混凝土异型节点模型。模型尺寸及配筋见表1。

表1 节点尺寸配筋

(a)混凝土网格划分

1.2 节点有限元模型

模型中混凝土采用实体单元，网格大小40；型钢采用实体单元，网格大小为40；钢筋采用梁单元，网格大小为20。不考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移，型钢和混凝土采用一个part导入，分别赋予不同材料。节点模型如图1所示。

1.3 边界条件及加载制度

为保证各构件能同时达到极限承载力，按照上下柱转角相等的原则，采用上下柱同时施加相反方向位移荷载的加载制度，同时在上柱顶部施加相应轴压比轴力。节点左梁施加X、Y、Z三个方向平动约束，下柱和右梁释放X方向平动自由度约束；上柱释放X、Z方向平动约束；所有构件均释放绕Y方向的转动约束(图2)。节点编号及施加轴压比见表2。

图2 边界条件及加载

表2 节点编号及轴压比

1.4 材料

在Abaqus中混凝土采用混凝土损伤塑性模型，该模型使用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为[5]，是一个基于塑性的连续介质损伤模型，混凝土强度等级为C40，其本构关系采用规范[6]给出的公式计算，其应力应变曲线如图3所示。钢筋和型钢的本构均采用规范给出的双折线模型，型钢材料为Q345，钢筋为HRB335，所有材料强度均取标准值。

图3 混凝土单轴应力应变曲线

2 有限元分析结果

2.1 节点抗剪承载力计算

取节点核心区上半部分为隔离体，依据平衡方程求得，按公式(1)计算。其中Vj为核心区剪力；Ft为RC梁截面上侧传到核心区的拉力；Fc为SRC梁上侧传到核心区的压力；ll，lr分别SRC梁和RC梁计算长度；Fl，Fr，Fu分别为SRC梁、RC梁、RC柱支反力；h1与h2分别为SRC梁、RC梁截面有效高度。

Vj=Fu-Ft-Fc

Ft=Frlr/h1

(1)

Fc=Flll/h2

提取各节点各构件的支座反力，代入式(1)计算得各节点抗剪承载力见表3及图4，节点破坏时中面混凝土的应力云图见图5。

表3 节点核心区剪力计算表 kN

图4 不同轴压比节点核心区承载力示意

由图4可以看出，随着轴压比的提高，节点核心区抗剪承载力增加。这是由于上柱轴力增加，传入核心区的竖向压力增大。使核心区混凝土主压应力方向受压增大，斜压杆变强，而主拉应力方向拉力被削弱，限制了混凝土的开裂，更利于核心区混凝土抗剪。其破坏模式由图5可见，轴压力增大，核心区斜压杆宽度增加，最大压应力的分布区域也更明显，轴压比达0.8时几乎整个核心区都在受压。可见轴压比的增加，使斜压杆抗剪效应增强。

对比图5，图6可以看出，节点核心区型钢腹板大部分已经屈服，此时混凝土应力还未达到抗压强度标准值，节点核心区型钢的抗剪能力已经得到充分发挥，可以认为节点抗剪承载力变化主要是由混凝土斜压杆引起的。