暗柱對(duì)梁-墻正交節(jié)點(diǎn)的受力性能研究

李志龍 程才淵

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

暗柱對(duì)梁-墻正交節(jié)點(diǎn)的受力性能研究

李志龍*程才淵

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土樓面梁和剪力墻的連接經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)平面外節(jié)點(diǎn)。著重研究正交節(jié)點(diǎn)形式，采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)未配暗柱、配有暗柱的剪力墻構(gòu)件進(jìn)行非線性有限元分析。分別采用單調(diào)加載和低周反復(fù)加載，對(duì)比分析暗柱對(duì)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、平面外受力性能的影響。

梁墻正交節(jié)點(diǎn)， 剪力墻， 暗柱， 非線性分析

1 引 言

隨著框架-剪力墻結(jié)構(gòu)越來(lái)越多地應(yīng)用到高層結(jié)構(gòu)體系中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)框架梁與剪力墻平面外正交連接的節(jié)點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)人員常將此類(lèi)節(jié)點(diǎn)按鉸接處理。但在實(shí)際工程中這種梁墻節(jié)點(diǎn)很難形成真正的鉸接，不僅造成梁端過(guò)度破壞及剪力墻嚴(yán)重開(kāi)裂，也會(huì)低估了結(jié)構(gòu)的整體剛度。因此，我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)給出以下幾點(diǎn)要求[1]：在梁、墻連接處需設(shè)置扶壁柱；在不能設(shè)置扶壁柱的情況下設(shè)置暗柱；另外就是設(shè)置型鋼，以減小梁端彎矩對(duì)墻產(chǎn)生的不利影響。由于實(shí)際工程中對(duì)建筑美觀的要求，暗柱大多成為首選方案，但是具體暗柱的配筋及截面尺寸的選取，規(guī)范并未給出相應(yīng)的規(guī)定及計(jì)算公式。前人對(duì)梁墻節(jié)點(diǎn)做了一定程度的研究，得到相應(yīng)的一些結(jié)論。

(1) 國(guó)內(nèi)主要有同濟(jì)大學(xué)呂西林、艾俠等學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)梁墻節(jié)點(diǎn)的等效模型及極限承載力做出了一定的結(jié)論。

(2) 清華大學(xué)王志浩等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究不同墻厚以及不同暗柱寬度對(duì)梁墻節(jié)點(diǎn)的性能影響，得到在薄墻情況下，錨固滿足時(shí)，暗柱能夠較好地提高節(jié)點(diǎn)平明外抗彎承載力，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)墻弱梁，并發(fā)生彎曲破壞。

(3) 貴州大學(xué)柏潔、重慶大學(xué)朱祖敬等的梁墻節(jié)點(diǎn)(暗柱)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，暗柱對(duì)厚墻情況下節(jié)點(diǎn)的平面外抗彎剛度貢獻(xiàn)不大，僅略微提高極限承載力。

這些學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中得到的一些結(jié)論存在一定的相似和差異，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的有限元模擬研究較少，所以針對(duì)以上問(wèn)題本文采用ABAQUS分析暗柱對(duì)梁-墻正交節(jié)點(diǎn)平面外的受力性能的影響。

2 有限元分析模型

2.1 計(jì)算模型

模型按照實(shí)際構(gòu)件尺寸及實(shí)際配筋按分離式建模[2]，如圖1所示，混凝土和鋼筋單元分別采用C3D8R和T3D2單元進(jìn)行模擬。鋼筋本構(gòu)模型采用兩折線模型，屈服后彈性模量取為0.01E；混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中規(guī)定的單軸本構(gòu)關(guān)系[3]，上升段改用直線型。將鋼筋單元嵌入混凝土模型中，通過(guò)修正混凝土塑性損傷本構(gòu)關(guān)系，設(shè)定混凝土拉伸強(qiáng)化(tension stiffening)參數(shù)來(lái)近似模擬鋼筋和混凝土間的粘結(jié)滑移關(guān)系[4]。本文設(shè)置六組模型分別標(biāo)號(hào)為1#,2#,3#,4#,5#,6#，其中，4#,5#,6#配置暗柱，暗柱寬度取梁寬的兩倍，梁、墻具體尺寸見(jiàn)表1、表2。

圖1 混凝土模型及鋼筋骨架模型

表1 構(gòu)件尺寸

Table 1 Size of structural elements mm

表2 構(gòu)件配筋

Table 2 Structural reinforcement mm

2.2 加載方式

本文采用梁端單向加載和低周反復(fù)加載方式，研究暗柱對(duì)梁墻節(jié)點(diǎn)平面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和平面外受力性能的影響。模型上下端均采用鉸接[5](假定位于樓層剪力墻的反彎點(diǎn)處)，并對(duì)剪力墻施加軸壓，使軸壓比達(dá)到0.2。1#,3#,5#,6#采用單調(diào)加載；2#和4#采用低周反復(fù)加載。兩種加載方式均采用位移控制，其中低周反復(fù)加載方式見(jiàn)圖2。

3 數(shù)值結(jié)果與分析

3.1 無(wú)暗柱的節(jié)點(diǎn)受力分析

無(wú)暗柱剪力墻平面外連接節(jié)點(diǎn)與相對(duì)研究較為成熟的板-柱節(jié)點(diǎn)較為類(lèi)似，但不同之處在于剪力墻需要考慮軸壓。通過(guò)對(duì)2#構(gòu)件的低周反復(fù)加載，提取結(jié)果見(jiàn)圖3—圖9。

圖2 低周反復(fù)加載示意圖

圖3 極限狀態(tài)下混凝土受拉損傷分布

圖4 屈服前梁混凝土受拉應(yīng)力發(fā)展

圖5 極限狀態(tài)下混凝土Mises應(yīng)力分布

圖6 極限狀態(tài)下混凝土最大主應(yīng)力(向下加載)

從圖3—圖7中可以發(fā)現(xiàn)，在梁-墻節(jié)點(diǎn)域內(nèi)，混凝土應(yīng)力及受拉損傷較大，混凝土已達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度1.51 MPa，受拉損傷最高已達(dá)到98.87%，其應(yīng)力擴(kuò)散并不規(guī)則，主要集中在梁端四個(gè)角點(diǎn)；在梁受拉區(qū)，混凝土受拉損傷及抗拉強(qiáng)度也達(dá)到設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度，從圖4及ABAQUS動(dòng)畫(huà)演示效果可以看出，梁受拉破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)講，滿足設(shè)計(jì)要求。從混凝土最大主應(yīng)力分布情況可以看出，裂縫主要分布于梁根部區(qū)域，由于沒(méi)有對(duì)剪力墻設(shè)置構(gòu)造措施(這里指暗柱)，墻在平面外的剛度小于梁的剛度，易發(fā)生墻體沖切破壞[5]。從圖8、圖9鋼筋Mises應(yīng)力分布情況可以看出，在屈服階段到極限承載力階段，鋼筋應(yīng)力最大集中在梁端至1/3跨段內(nèi)，剪力墻鋼筋應(yīng)力分布主要集中在節(jié)點(diǎn)域內(nèi)，分布不均勻，且豎向分布鋼筋最高應(yīng)力值僅達(dá)到93.6 MPa，水平分布鋼筋最大達(dá)到295 MPa。

圖7 極限狀態(tài)下剪力墻裂縫分布

圖8 極限狀態(tài)下剪力墻鋼筋Mises應(yīng)力分布

圖9 極限狀態(tài)下鋼筋Mises應(yīng)力分布

3.2 暗柱對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響

通過(guò)對(duì)4#構(gòu)件(增設(shè)暗柱)低周反復(fù)加載，提取有限元分析結(jié)果，見(jiàn)圖10—圖16。

圖10 極限承載力下混凝土受拉損傷分布

圖11 屈服前梁混凝土最大主應(yīng)力發(fā)展

圖12 極限狀態(tài)下混凝土Mises應(yīng)力分布

圖13 極限狀態(tài)下混凝土最大主應(yīng)力圖(向下加載)

圖14 極限狀態(tài)下剪力墻裂縫分布

圖15 極限狀態(tài)下鋼筋Mises應(yīng)力

從圖10—圖13可以得出極限狀態(tài)下混凝土受拉損傷分布與3#構(gòu)件情況基本一致；屈服狀態(tài)下，混凝土應(yīng)力分布較2#構(gòu)件分布相差不大；從圖11及ABAQUS動(dòng)畫(huà)演示，梁受拉破壞先于節(jié)點(diǎn)破壞，相比2#構(gòu)件，梁混凝土受拉發(fā)展更為明顯。從裂縫圖觀看可以得出，對(duì)比3#構(gòu)件，配有暗柱明顯改善節(jié)點(diǎn)的抗沖切破壞；從圖16、圖17鋼筋Mises應(yīng)力分布可以得出：鋼筋應(yīng)力沿暗柱上下方向得到較好的傳遞，縱向鋼筋最大達(dá)到129 MPa，水平箍筋最大達(dá)到340 MPa。關(guān)于整片墻體鋼筋應(yīng)力發(fā)展見(jiàn)圖17—圖19。其中在節(jié)點(diǎn)受力開(kāi)始階段墻體鋼筋應(yīng)力從節(jié)點(diǎn)域中心沿四個(gè)角方向發(fā)展，當(dāng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件達(dá)到屈服時(shí)，墻體內(nèi)鋼筋最大應(yīng)力達(dá)到252 MPa；隨著荷載繼續(xù)增大，墻體內(nèi)鋼筋應(yīng)力分布沿節(jié)點(diǎn)域中心向四周分布較均勻，構(gòu)件達(dá)到最大承載力時(shí)，剪力墻內(nèi)鋼筋應(yīng)力最大值達(dá)到283 MPa，墻體鋼筋并未發(fā)生屈服；隨著下降段的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)鋼筋應(yīng)力迅速增大達(dá)到鋼筋極限應(yīng)力340 MPa，最大應(yīng)力主要集中在節(jié)點(diǎn)域的四個(gè)角周?chē)?，同時(shí)當(dāng)設(shè)置暗柱時(shí)，鋼筋應(yīng)力分布明顯呈現(xiàn)出沿著暗柱的上下方向發(fā)展的趨勢(shì)。

圖16 極限狀態(tài)下暗柱配筋Mises應(yīng)力

圖17 屈服狀態(tài)下墻體鋼筋應(yīng)力分布

圖18 極限狀態(tài)下墻體鋼筋應(yīng)力分布

圖19 破壞狀態(tài)下墻體鋼筋應(yīng)力分布

3.3 節(jié)點(diǎn)承載力對(duì)比分析

通過(guò)提取ABAQUS有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖20、圖21及表3。

圖20 4#構(gòu)件滯回曲線

圖21 2#,4#構(gòu)件的骨架曲線

圖22 3#,6#構(gòu)件p-Δ曲線

從圖20、圖21及表3對(duì)比分析可得：暗柱對(duì)于該梁-厚墻正交節(jié)點(diǎn)(墻厚300 mm)的平面外承載能力提高并不顯著，與文獻(xiàn)[6](重慶大學(xué)朱祖敬實(shí)驗(yàn))相照應(yīng)；當(dāng)墻較薄時(shí)(200 mm)，6#構(gòu)件承載力較3#構(gòu)件承載力明顯提高19%；根據(jù)分析結(jié)果2#,4#構(gòu)件所得滯回曲線基本一致，如圖20(僅列出4#構(gòu)件滯回曲線)較為飽滿，具備一定的耗能能力，梭形形狀的滯回曲線表明該構(gòu)件主要承受正截面受彎破壞。從宏觀上分析構(gòu)件在破壞時(shí)梁端位移與屈服時(shí)梁端位移，配有暗柱的4#,6#得到較為明顯的提高。

表3 2#，3#，4#，6#構(gòu)件屈服、極限荷載

Table 3 Yield load and limit load of members

3.4 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度

節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度定義為節(jié)點(diǎn)彎矩與相對(duì)轉(zhuǎn)角的比值。本次提取梁-墻節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為兩段彎矩與梁、墻相對(duì)轉(zhuǎn)角(弧度)的比值。根據(jù)ABAQUS有限元分析結(jié)果，1#,5#構(gòu)件單調(diào)加載的M-φ和p-Δ曲線圖如圖23—圖25所示。

圖23 1#，5#構(gòu)件的M-φ曲線

圖24 3#，6#構(gòu)件的M-φ曲線

圖25 1#，5#構(gòu)件的p-Δ曲線

由圖23可得配有暗柱的5#構(gòu)件在彈性階段，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度在彈性中段略有提高，原因主要由于暗柱使節(jié)點(diǎn)域鋼筋加密，節(jié)點(diǎn)域剛度相對(duì)提高，同時(shí)在彈性階段，暗柱能夠一定程度上地約束剪力墻裂縫的發(fā)展；在進(jìn)入塑性屈服后梁端形成塑性鉸，M-φ曲線突變，節(jié)點(diǎn)域轉(zhuǎn)動(dòng)剛度驟然下降。由圖24可得，在墻較薄(200 mm)時(shí)，暗柱明顯提高剪力墻的平面外抗彎剛度，減小梁、墻的相對(duì)剛度，致使節(jié)點(diǎn)偏向鉸接；由圖25可得，墻較厚時(shí)，單軸加載曲線p-Δ表明，1#，5#構(gòu)件的極限承載力相差不大。

4 結(jié)論與建議

本文為了研究暗柱對(duì)梁-墻平面外連接節(jié)點(diǎn)受力性能的影響，通過(guò)對(duì)四組梁墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，得到以下結(jié)論與建議。

(1) 剪力墻平面外節(jié)點(diǎn)區(qū)域的破壞形式取決于節(jié)點(diǎn)域和梁的剛度之間的關(guān)系，若墻體節(jié)點(diǎn)域剛度遠(yuǎn)小于梁的剛度(本文3#構(gòu)件),墻體易先發(fā)生沖切破壞；增設(shè)暗柱后，雖對(duì)構(gòu)件平面外整體抗彎效果不太明顯，但能夠較好抑制節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫的發(fā)展，墻體并未發(fā)生沖切破壞[5]。

(2) 暗柱的增設(shè)有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中“強(qiáng)墻弱梁”的實(shí)現(xiàn)，在墻較厚時(shí)，暗柱對(duì)剪力墻鋼筋受力變化影響并不明顯，但暗柱的配置能夠使剪力墻的受力較為均勻、沿暗柱方向得到較好的應(yīng)力擴(kuò)散。

(3) 1#,5#試件結(jié)果表明，剪力墻較厚情況下，暗柱對(duì)增加承載能力的提高不明顯；3#,6#試件結(jié)果表明，剪力墻較薄情況下，暗柱的增設(shè)對(duì)節(jié)點(diǎn)域平面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度有所提高，同時(shí)可以有效地提高薄墻平面外承載能力[5]。

(4) 由于時(shí)間關(guān)系，針對(duì)不同的暗柱寬度，本文參考文獻(xiàn)[6-8]取暗柱寬度等于梁寬兩倍進(jìn)行研究分析，可以進(jìn)一步研究不同墻厚、不同暗柱寬度、不同暗柱配筋情況下，暗柱對(duì)其平面外受力性能影響，及明梁、樓板等對(duì)梁墻節(jié)點(diǎn)平面外受力性能的影響。

[ 1 ] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People′s Republic of China. JGJ 3—2010 Technical Specification for concrete structure of tall building[S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011. (in Chinese)

[ 2 ] 柏潔.暗柱對(duì)梁-墻平面外連接節(jié)點(diǎn)受力的影響作用數(shù)值分析[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào),2011,28(2):103-106.

Bo Jie. Numerical analysis on the influence of embedded column for the beam-wall out-of-plane joint force[J]. Journal of Guizhou University, 2011, 28(2): 103-106. (in Chinese)

[ 3 ] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People′s Republic of China. GB 50010—2010 Code for design of concrete structure [S]. Beijing: China Building Industry Press, 2011. (in Chinese)

[ 4 ] 莊茁,由小川,等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Zhuang Zhuo, You Xiaochuan, et al. Finite element analysis and application based on ABAQUS [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2009. (in Chinese)

[ 5 ] 蘇朝暉，石志飛. 暗柱對(duì)剪力墻平面外受力性能的影響研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

Su Zhaohui. Shi Zhifei. The study influence of embedded columns on the properties of shear wall out-of-plane force [D]. Shanghai: Tongji University, 2007. (in Chinese)

[ 6 ] 朱祖敬.鋼筋混凝土梁-薄墻正交節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

Zhu Zujing. Experimental study on the solution of reinforced concrete perpendicular beam-thin wall joints[D]. Chongqing: Chongqing University, 2006. (in Chinese)

[ 7 ] 楊書(shū)靈.梁-墻節(jié)點(diǎn)的平面外受力性能分析[D].北京:北京交通大學(xué)，2008.

Yang Shuling. Analysis on mechanical capability of non-planar beam-wall joint[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008. (in Chinese)

[ 8 ] 林宏偉，石志飛.鋼筋混凝土框架梁-剪力墻平面外連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007,24(3):56-60.

Lin Hongwei, Shi Zhifei. Mechanical analysis for non-planar reinforced concrete frame beam and shear-wall joint[J]. Journal of Construction Science and Engineering, 2007, 24(3): 56-60. (in Chinese)

Study on Reinforced Concrete Beam-wall Joints

LI Zhilong*CHENG Caiyuan

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Out-of-plane shear wall joints exist in the connection between the reinforced concrete floor beam and the shear wall. This paper studies the reinforced concrete beam-wall joints through finite element analyses. The software, ABAQUS, was used to analyze the contribution of the embedded column to the joint performance. Both static and reversed cyclic loading analyses were performed to investigate the influence of the embedded column on the joint rotational stiffness and out-of-plane performances.

RC beam-wall joint, shear wall, embedded column, nonlinear analysis

2013-06-21

*聯(lián)系作者，Email: 506243194@qq.com