狗骨式型鋼高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)有限元分析

石麗輝

（西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

狗骨式型鋼高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)有限元分析

石麗輝

（西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

就“狗骨式”在型鋼高強(qiáng)混凝土強(qiáng)節(jié)點(diǎn)中的性能進(jìn)行了分析研究，并就這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施如何在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮其性能進(jìn)行了分析。

翼緣削弱；受力性能；有限元分析；框架節(jié)點(diǎn)

1、前言

由于高強(qiáng)混凝土存在的優(yōu)良性能，使得其在工程中將得的應(yīng)用到廣泛，然而伴隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其脆性增大，抗震性能變差，這勢(shì)必對(duì)高強(qiáng)混凝土在抗震工程中的應(yīng)用有較大的影響[1]。如何使高強(qiáng)混凝土的優(yōu)良性能在抗震地區(qū)得到充分發(fā)揮，又能克服高強(qiáng)混凝土延性差且不利抗震的缺陷，是人們一直所關(guān)心的問題。

高強(qiáng)混凝土與型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的組合為高強(qiáng)混凝土在抗震工程中的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的解決途徑。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)指的是通過在混凝土中配置軋制或焊接型鋼，同時(shí)配有構(gòu)造鋼筋及少量受力鋼筋而形成的一種介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的新型結(jié)構(gòu)形式[2]。這種組合有機(jī)結(jié)合了新材料和新結(jié)構(gòu)的特性，通過型鋼與高強(qiáng)混凝土的相互組合，顯著改善高強(qiáng)混凝土的脆性和構(gòu)件的延性，從而滿足抗震要求。同時(shí)對(duì)型鋼而言，采用高強(qiáng)混凝土可使型鋼的作用得到充分發(fā)揮[1]。

對(duì)于型鋼混凝土梁而言，盡管配有縱筋和箍筋，但是節(jié)點(diǎn)處的彎矩和剪力主要是由型鋼部分來承擔(dān)的，因此可以借鑒鋼結(jié)構(gòu)中的“狗骨式”節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式，即通過對(duì)梁型鋼翼緣進(jìn)行削弱，在大震下使塑性鉸首先出現(xiàn)在削弱處，避免節(jié)點(diǎn)過早發(fā)生塑性變形，來提高型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的抗震性能，實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。

2、有限元分析

通過參考湖南大學(xué)型鋼高強(qiáng)混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件[3]運(yùn)用 ANSYS軟件建立“弱節(jié)點(diǎn)型”節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)點(diǎn)為弱節(jié)點(diǎn)時(shí)，在加載至極限狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼腹板均已經(jīng)屈服，并進(jìn)入了塑性流動(dòng)階段，梁型鋼受拉翼緣一定范圍內(nèi)均達(dá)到了屈服強(qiáng)度；進(jìn)行了梁翼緣削弱的模型塑性在削弱處發(fā)展的比較快，削弱處型鋼迅速達(dá)到屈服強(qiáng)度并形成塑性鉸，在一定程度上避免了梁根部形成了塑性鉸，但是節(jié)點(diǎn)仍舊是先于梁屈服的，可見在弱節(jié)點(diǎn)中對(duì)梁進(jìn)行狗骨式削弱并不能保護(hù)節(jié)點(diǎn)不破壞，具體分析過程見我的另一篇論文。

通過計(jì)算得知，若將混凝土強(qiáng)度提高到 70N/mm2時(shí)，理論上型鋼高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)會(huì)從“弱節(jié)點(diǎn)”變?yōu)椤皬?qiáng)節(jié)點(diǎn)”，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)生的是梁型鋼屈服的彎曲破壞。為了驗(yàn)證上述理論的正確性，在模擬分析“弱節(jié)點(diǎn)型”節(jié)點(diǎn)模型 HSRC-A1、HSRC-B1的基礎(chǔ)上提高混凝土強(qiáng)度到70N/mm2，建立有限元模型HSRC-A1-70、HSRC-B1-70，其余條件同前。

對(duì)模型 HSRC-A1-70、HSRC-B1-70進(jìn)行模擬分析，屈服階段型鋼應(yīng)力圖見圖1，極限階段型鋼應(yīng)力圖見圖2。

圖1 屈服階段HSRC-A1-70、HSRC-B1-70型鋼應(yīng)力圖

從圖 1可以看出，模型 HSRC-A1-70梁端型鋼受拉翼緣首先達(dá)到屈服，而HSRC-B1-70削弱處型鋼受拉翼緣先于梁端達(dá)到到屈服，如圖模型梁型鋼翼緣先于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼腹板屈服，可見節(jié)點(diǎn)發(fā)生的是梁型鋼屈服的彎曲破壞，這與前面的理論分析是相符的。

圖2 極限階段HSRC-A1-70、HSRC-B1-70型鋼應(yīng)力圖

如圖2所示，極限狀態(tài)時(shí)模型HSRC-A1-70和HSRC-B1-70梁端型鋼和削弱處型鋼應(yīng)力均超過了屈服強(qiáng)度，進(jìn)入了塑性流動(dòng)階段。模型HSRC-A1-70節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼腹板屈服，而HSRC-B1-70型鋼腹板直到破壞尚未屈服，這是因?yàn)樵谀Ｐ虷SRC-B1-70中塑性鉸首先出現(xiàn)在梁型鋼翼緣削弱處，從而使得狗骨式削弱這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施的性能得到了發(fā)揮，即削弱處塑性鉸的非線性變形對(duì)核心區(qū)混凝土的侵害及塑性鉸在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生的水平剪力降低了，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪能力得到了提高，從而避免了節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞?？梢?，狗骨式削弱梁型鋼翼緣確實(shí)可以起到保護(hù)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，從而避免其發(fā)生剪切破壞的作用。

3、結(jié)論

由以上分析可知，只有塑性鉸首先出現(xiàn)在梁型鋼翼緣削弱處，即在保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土和型鋼在受力過程中不首先發(fā)生失效性破壞的前提下，狗骨式削弱才能充分發(fā)揮其保護(hù)節(jié)點(diǎn)的作用，也就是說“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”是狗骨式這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施的性能得以充分發(fā)揮的首要條件。由此可見，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的強(qiáng)弱不僅關(guān)系到型鋼高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)的承載力，同時(shí)更直接影響著狗骨式削弱這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施性能的充分發(fā)揮，這與模型HSRC-A1-70、HSRC-B1-70的分析結(jié)果相吻合。

可見在實(shí)際工程中采用“狗骨式”削弱這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施，塑性鉸出現(xiàn)在削弱處，可避免節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫。同時(shí)塑性鉸出現(xiàn)在梁削弱處，可有效控制結(jié)構(gòu)按梁端破壞機(jī)制破壞，整體結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力得到提高，大震時(shí)結(jié)構(gòu)更安全。

[1]物理力學(xué)專題組高強(qiáng)混凝土的物理物理力學(xué)性能[C]．鋼筋混凝土研究報(bào)告論文集，1991張正國(guó)組合結(jié)構(gòu)．河南科學(xué)技術(shù)出版社，1985，5．

[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGB138-2001）[M]．中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

[3]黃英省．型鋼高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究[D]．湖南大學(xué)碩士論文，2009．

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1007-6344（2015）09-0338-01