钢骨高强混凝土梁柱十字节点抗剪性能的研究_张誉

第

7

期

建

筑

结

构

1999

年

7

月

钢骨高强混凝土梁柱十字节点抗剪性能的研究张誉李向民李辉(同济大学土木工程学院[提要]

‘

陈宗梁周建龙(华东建筑设计研究院)上海 2000 02字钢的钢骨高强混凝土 (> c 5梁柱十字节点试件 7 ),、、,

上海 2 0 0 0 9 2 )、

就两个不同梁柱刚度比内置实腹,,

I

分别进行了低周反复加载试验就高强混凝土的作用型钢腹板箍筋翼缘框等对节点的抗剪能力贡献进行了分析对不同梁柱刚度比的抗剪能力做了对比并提出了这种结构的节点抗剪承载力公式。

〔关扭词〕钢骨高强混凝土T heve

十字节点d h ig hst

抗剪g th

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一前言

、

2,

.

加载方式2

在超高层建筑中近年来多采用劲性混凝土结构 (S RC),

试验采用图。

所示加载装置试验主要研究节,

,

为充分发挥钢骨的作用宜采用高强混凝,

点剪节破坏与梁端破坏不考虑柱端两端铰支,

尸一乙

效应柱,,

土 (> C 5 )本文以正在建造的%层上海环球金融 7中心大厦为工程背景对 H SR C梁柱十字节点试件。,

加载采用梁端施加反复竖向荷载方式。,

梁端由四只液压千斤顶联合同步控制加载

试验kN,

进行了低周反复加载试验通过试验考察了这种结,

时柱顶施加的竖向压力在试验过程中保持定值梁

构的破坏形态强度延性和耗能能力并通过分析,

、

、

端施加反复荷载屈服前按荷载控制每级 2 0,,

屈

节点的受力机理与应力传递机制提出了适用于工,

服后改用位移控制试件屈服点3.

,

P

一

公

曲

线是否出。

程应用的节点抗剪承载力计算公式

。

现明显拐点及型钢腹板应变读数综合评定试验量测、、、

二试验过程1.

、

试件制作与设计试件明细表

试验量测内容有梁端竖向位移柱端水平位移表0 13.

1

与竖向位移节点区对角线方向位移型钢腹板应比

编号E 1 El EI

截面2 50 17 0 20 0 17 0XXx

型钢纵筋

箍筋柱轴压比0中 6@ 1 00 0中 6@ 100 0中 6@ 100 0中 6问 1 00

目 2 E,

主当 2 E柱梁

X

3 00 0 2 50 2 50 0 2 50 0

}} l11‘ 11‘,

4尘 4尘 4尘 4中

18 16 18 8 16 6

柱刚度睡0 4. .

变箍筋应变翼缘框应变等其中梁端竖向位移与梁端竖向荷载接,

、

、

,

X

一

Y

函数记录仪直接绘出尸一DH一

。

0 1.

0 85

滞回曲线其它测点则由系统自动进行数据采集4.

38 15

静态应变测量3。

。

具体测点布置见图

试件共两个模拟梁柱中心 (上下端为柱反弯点左右端为梁反弯点 )缩尺比例为,

材料试验一

1 4:

,

试验参数

试验按照普通混凝土力学性能试验方法(G B 8 J1

主要为梁柱刚度比

。

钢材为 A钢高强混凝土由 3,

5 8 )分别做了立方体与棱柱体试验.

,

立方

上海产 52 5,

#

普通硅酸盐水泥配制试件节点区采用,,

,

体强度平均值为 7 6 0 6 MP a,。

IM P a

,

棱柱体强度平均值为,

柱型钢贯通方式并在梁型钢翼缘断开处设置水平加劲肋厚度同梁型钢翼缘以形成封闭的翼缘框试件明细表见表61,

试件型钢选用热轧普通 I字钢。

主筋选用

。

试件模型见图

1

。

上海市建设技术发展基金项目

,

习叙L

。

l一

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二勘…隔{群祠刃匡州”。,,,

-

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困州加娜翎板田一

田田一

曰,

图

l

试件模型

性增长说明试件处于弹性阶段荷载加至试件 E l梁端底部出现宽约支砰

,

9 0 kN。

时c r

,

0 2m m.

的微细裂缝试件EZ.

荷=

厂

一

泳

龙门架

已归 (一〕尸飞 1伙幽.

I龙

平支/律

限塌两种厂两

园

架门

r载加至尸c (试件 E I

,

尸。=

1 4 o kN;

,

尸

o s

kN )时,

,

节点核心区首先出现一条宽约’

o Zm m

的

微裂缝角度约为 4 5,

并逐渐向核心区靠拢或沿对角,,

}厂-{厂}川

一甲「节沈词一蓝尸理祖曰l l}反}正

线方式扩展当荷载反方向循环时在核心区对角线上出现了类似的细微裂缝形成交错裂缝此时节点,

图2

试验装置示意图

剪切变形和应变读数均较小不超过,

60 0衅

,

故可以,

认为初裂阶段剪力主要由混凝土和型钢共同承受且两者变形基本协调一致( 2型钢腹板屈服 ),

。

随着荷载的增大交错斜裂,

节点皿钥应交片布t

缝不断扩展新裂缝也不断出现,,

。

试件

El,

由于柱的

刚度相对较大新裂缝主要集中在梁端并大都延伸节点祖筋应变片布 t

至梁与核心区交界处顶部接着核心区斜裂缝也大

图,

3

试件测点布置,

试件 E大部分 2新裂缝出现于核心区内且与初裂缝方向平行逐渐量出现表面混凝土出现轻微剥落,

,

。

,

螺纹钢筋箍筋选用光圆钢筋按金属拉伸试验方法( G B 2 2 8 8 7进行材性试验试验结果见表 2 )一

将节点分割为网状时,

。

荷载分别达到,

185 k N

和,

12 5k N

,

。

El

铜材物理力学性能指标钢材型号4工字钢 11 6工字钢 11钢筋尘 1 2钢筋尘 1 4钢筋尘 1 6钢筋尘 1 8、

表弹性模量 ( M Pa )Z O4 2 07 2 08. .

2

和 E核心区均出现了斜向贯通裂缝缝宽分 2.

别为,

0 5

屈服强度 ( M Pa )311 316 419388

极限强度 ( M Pa )406 4 11 1 519 576 565

段箍筋的应变增长也很快虽参与工作但未全部屈服而翼缘框应变依然变化较小,。

~

和 0 6m m .

型钢腹板均已进入屈服阶,,

x x x X x

]105]10 5

( 3极限 ),

由于钢材的强化作用箍筋和翼缘框,

、

」 5 10)1 0 5J 5 10

2 04.

的约束作用试件所承受的荷载仍可继续上升箍筋逐渐屈服。

383402

2 09.

试件E

l

荷载达到某极限值,,

2 1 OkN

时箍,

602

2 08.

X

〕 5 10

筋和型钢骨腹板均已屈服节点区混凝土裂缝呈现出明显的交叉贯通状宽约,

三试验结果与分析1.

0 8.

破坏形态、、

加宽梁端梁高范围内出现了斜向的剪切裂缝,,

~

,

梁端裂缝也明显。

试

试件受力过程可以分为初裂型钢腹板屈服极限与

破坏四个阶段其中 E试件发生节点核心区剪 2切破坏,

件 E荷载达到其极限值 1 7 k N时节点核心区裂缝 0 2宽度达1 2m m.

,

并伴随有轻微的劈裂声梁端与核心。

,

El

试件梁端先产生塑性铰随后发生核心。

,

区交界处则出现粘结劈裂裂缝

此时各试件腹板应

区剪切破坏

变均已超过裂缝产生前位移和应变读数均皇线,

2 00,

衅最大达到

,

6 0

0衅腹板已处于,

( 1初裂 )

塑性流动状态节点核心区混凝土被分为多根斜压7

杆试件达到极限状态,

。

四理论分析,

、

(4破坏 ),

试件承受荷载达到最大值后随着位,

1

.

高强混凝土试件El

移增大试件仍能继续承载表现出较好的延性特征。

与

EZ

延性及耗能指标比较表

4

试件

EI

节点核心区开裂较轻但梁端与核心区,

交界处混凝土出现破碎区域梁出现明显的斜裂缝左端梁上部混凝土剥落严重整个梁向上翘曲明显,

,

,

,

2 E强梁弱样喇

屈服位移极限位移极限转角位移延性耗能系性 r产‘。, ( d数车 m ) O (n )口( a )系数 u E l强柱弱梁型 17 5 3}/ 7 1 2::

试件编号

。

;;

.

.

l8 8

1/ 28 8

3;.

;;

说明强柱弱梁型试件的破坏首先发生于梁构件,。

。

试

件 E节点核心区混凝土明显剥落表现为典型的节 2点核心区破坏梁端荷载达到极限承载力的 8% 5后试件已达到破坏状态,

。

2

.

承载力,

节l l李飞.

幽}杯}丁 l.

.

口二二二二二二/

-

.

. .叫

卜

.

与普通钢筋混凝土结构相比,

HSR C

结构由于

城一

月l卜职个,翻

,

飞一

入、

型钢腹板参与抗剪作用而箍筋和翼缘框形成的约

束对核心混凝土抗剪能力有提高作用因此承载力,

图5

高强混凝土斜压杆受力模式

有较大提高EZ,

。

试件、

EI

为强柱弱梁型核心区剪切破,,,

在节点的受力过程中高强混凝土对抗剪起主要

坏前梁端首先形成塑性铰破坏比较缓慢充分与相比开裂荷载屈服荷载和极限荷载都略大些3。。

作用随着荷载增加沿节点对角线方向产生斜裂缝形成混凝土斜压杆混凝土的抗剪能力则取决于,,

,

,

试验结果见表

斜压杆的抗压能力因而混凝土的抗剪机理是斜压试验结果表态破坏形态二均梁端弯曲破均加

,

3

杆受压机理川其受力模式见图 5,

。

节点核心区混凝,。

试件

梁柱刚初裂荷载屈服荷载极限荷载载载; r编号度比 P e (k N ) P (k N ) P (k N )。

土的承载力由混凝土斜压杆的抗压强度决定斜压

E1

2 E

’ s . 03.

14 080

18 512 5

:}:乙

杆的水平分力即为高强混凝土的抗剪贡献能力,,

混

芝核心区剪切招坏招得想土核心区前切破坏

凝土斜压杆的宽度与节点受力特征有关当节点受到轴压力作用时其核心区受压范围较不受轴压力

延性与耗能能力尸一

作用节点范围大故斜压杆的宽度较大承载力也较,

,

图 4为试件的

滞回曲线可见,

,

H

R s

C

十

大这一点与试验结果是一致的根据上述分析Vc,

,

。

字节点试件的滞回曲线基本呈纺锤形未出现钢筋混凝土节点的捏缩现象具有较好的延性,

HSR C

节点中混凝土的抗剪能s,

。

表4中R C,

力可用以下方式表达= j b co B f c s

El

与 E Z的位移延性系数2,

拜△

均大于

3

,

高于

节式中. 0 3:

(1 )B

点平均水平延性。

接近于普通 S R C节点平均水平 4说,

B,

为混凝土斜压杆有效宽度由试验知,

望

明采用高强混凝土并未由于其脆性而明显降低试件

hj

气为节点核心区有效剪切高度可取为柱截h。

相对而言强柱弱梁型试件 E I与强梁弱柱型相比滞回曲线更丰满一些耗能能力更好,、

面高度.

;

气为节点核心区有效剪切宽度可取为分别为梁柱截面宽度;并假定、

,

试件

EZ

,

,

。,,。 0 5 (吞、+白 )占b吞

而 E则表现出一定的曲线捏拢现象这说明强柱弱 2

斜裂缝开展角度2〔〕由于高强混,

a

为 4 5,

‘

,

可以计算,,

o vc

根据文

梁型节点不仅破坏形态承载力与强梁弱柱节点有一定差异延性与耗能能力也要优于后者 l伽 o 2 0 5 -的溯 ,

凝土的脆性抗剪强度并不与其抗,

。

压强度成正比一旦开裂裂缝面光滑从而削弱了

,

珊

。

斜裂面上骨料咬合作用对抗剪的作用混凝土强度洲日以剧以」 rJ夕 r}日

喜

四}/份 J区河一

越高这种削弱作用越明显建议在上式中乘以混凝钱 J Z

,

,

厂口誉[

乡

土强度的降低系数以考虑这种降低影响V。

。

于是

:

=

0

.

23

c种jh sf,

(2 )0一

}

}}

式中盛 (”1 .蕊 )

华

为混凝土强度降低系数当混凝土在 C 6.

乙 . m (

) 4

8 C

0

之间取 0 92.

。

图

试件

尸

一

乙

滞回曲线

型钢腹板

H

R S

C

节点中型钢承担着部分轴向力剪力和,。

、

作用主要在腹板屈服以后才发挥出来的约束作用在。

。

另外箍筋,,

弯矩

。

由于腹板的抗剪刚度要比翼缘大得多因此从试验结果看型钢腹板压,

H

R S

C

节点中显得更为重要它使核,

剪力主要由腹板承担 0 30拜。 ),,

心区裂缝宽度和混凝土剪切变形减小延缓了节点

力在加载初期就参与了抗剪 (应变值已达,,

2,

0

一

的破坏过程因此“、

H

R S

C

节点核心区最小配箍率可。,

混凝土开裂以后腹板应变迅速增长当试当达到极限状态时腹板大部分区域已进,,

按延性强度双重准则来确定其抗剪承载力仍可

”

件屈服核心区混凝土通裂时腹板大部分区域已达到屈服H。

按 R C节点同样方法计算参照规范v,

G:

J B 10 8 9一

,

即

:

=

忘A

,

(h。,

一 a,

二/ )

7 ( )

入强化阶段和塑性流动状态如图 6所示

。

由于在,,

式中计值

,

v,

,

为箍筋抗剪承载力几为箍筋抗拉强度设为同一截面内各肢箍筋的总截面积。,

R s

C

节点内混凝土增强了抵抗压缩变形的能力,

A

,

:

为节

故腹板压应变较小而混凝土抗拉性能很差故腹板的主拉应变总是大于主压应变,。

点核心区箍筋间距4.

H SR C

节点由于外

翼缘框、

包混凝土的约束作用直到破坏均未发现型钢腹板的压曲现象3~。

翼缘框的主要作用是使梁,

l

、

卜\、 l

、

l\\

柱型钢的拉力和压力直接传到核 二 一么别 0 P肚

山气,‘冲盛甲二卜目

、

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心区防止节点区高强混凝土不

瞥,

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’

3,

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”

目一酬口三卜下一如沙‘ l牛件l

致被翼缘传来的压力局部压坏,,

。

户份叔户

会司司

试验表明翼缘框在受力阶段的图 8应变一直很小其应变随荷载反、,,

箍筋计算模式

复而拉压交替但始终未达到屈服可以认为翼缘,

框不直接参加节点抗剪其主要作用是形成封闭框,

一娇尝飞念泛 r孺器-

对腹板和高强混凝土进行约束提高试件的延性与耗能能力5.

,

。

P

.

N 1, 0七 (极限 )

钢骨高强混凝土十字节点抗剪承载力计算

图 6腹板受力各阶段主应变 ( E试件) 2,

图 7腹

板计算模式

S HRC

十字节点抗剪可以认为是由钢筋混凝土,,,

根据上述情况型钢腹板可视为理想的弹塑性s材料其破坏特征为塑性流动形式 (图 7 )适用 M is e,,

节点抗剪与型钢抗剪的叠加其中高强混凝土部分贡献由式 ( 2确定型钢腹板部分贡献由式 (6确定 ) ),,,

屈服条件即,

:

)箍筋部分贡献由式 (7确定;轴压力提高了高强混凝土的抗剪能力为安全计忽略轴压力的影响翼缘

成」几 (3 )

框提高了试件的延性与耗能能力但不直接参与节,

式中主拉应力,

。、

=

。

、/ 2

+

丫(*

。

、/ z

)

2+

:

2

,

。:

=

o

,

点抗剪基于安全也不计其影响,,、

。

综上所述将高,

主压应力

。,

=。

。

‘

2/

一

丫(

。

/2 )

2+

: 2

强混凝土型钢腹板和箍筋三项叠加即得 H S R,

C

十s

,

。

‘

为柱传来

字节点抗剪极限承载力 V为 uV。

:

的轴压应力将力为:

=

。1

,

。3

)代入式 ( 3整理可得腹板屈服时剪应 4 ( ),

0 2 3种 j无jf c.

+

几t

w

人w

币介A

+

V S

(入

。一 a

)二/

(8 ) )按式 ( 8计算所得理论值与试验值比较见表5。

表中5、

几二

丫片

一。

豁币,,

理论值与试验值比较试件节点剪力 v j (试验值 k N )E1 87 8 9.

表V。

由于轴压应力与型钢强度相比影响很小则忽略轴压力对腹板抗剪强度的影响可简化为纯剪状态r,

、

V

c

v

。

V s v

=

V V

e

V,

:

(kN )78 2 5.

(kN )

( kN )

+

V

.

+

/ j u v

=

几确:

5 ( )

(理论值)

因此腹板的抗剪能力 V可按下式计算 s,

2 E

76 4 6.

57 4 4.

}:;;;:;;;,

{:;;;

;:;;,

v

:

=

:

。

tw

入w=

几:

w

人,

确。,

(6 )

h节点剪力 v (试验值 )由节点极限受力状态时的梁 j

w式中 t,

,

h

w

分别为腹板厚度和高度

端荷载计算得到可以看出理论值与试验值吻合较好。

,

3

.

箍筋节点箍筋能承担一部分剪力但其抗剪

高强混凝土在节点抗剪贡献中占主要部分(下转第

分页)9

H SR C

27

o司今半卜|t丰卫

明 .劝

冉四断4:

J虱结束

拾入截面会数轴压力

、

假设受压区边级应变增压

侧、

图

破坏时截面的应变及应力分布

求很面各条带中心处的应变钢筋应变翔应力筋应变变求巧.

应的曲率为,u

,二

。p

.

Np

=一

。

u

八一

。

( 14 )

(二 )M

N

甲

关系,

求出各特征点以后令a M/ ( M+ b)利用最小二乘法根据三个特征点 ( M二

甲一沪,=

( 15 ),

华

) r c

,

(M

,

,

图5

框架梁截面的 M七. . . .

一

甲计算程序框图

九)和 ( M

。,

华

。

)确定系数

a

,

b

。

为此设目标函数占之 8 飞

,

为F

:

3

(

a

,

“)‘

一

恿[二“

a

M

‘

十

“一十M

M/ (*‘

‘

一

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,

6 (‘)

夕|、几一几一 l一 T

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…‘

峡荃,

1

M。十MM~

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门门门口口口门刃门口门口门旧口门曰门曰口口口门门门口门口..

五计算结果分析

、

,

. . .

.

.

.

口.

二

口 .

.

口

月

为了验证本模型的正确性和适用性将数,

值分析模型所得结果与其对照求得的 M,

一

甲,

关系曲线如图

6

所示

M咨子

吞磷二

‘

+

材云十

袱m‘一~

一

’

)

按式 ( 5 1 ) 6

一

按盆位分析杭妞

由于数值分析模型在非线性分析中已经被大家

、二 1

卫红氢户p巡七 e e P甲护尹‘一

t c

一

冲牌性一峻卯

M甲u一

。

( 17 )

图

框架梁跨中截面的

伴尹

M中关系曲线

所认可从图。

,

9

可看出,

,

衅1

嵘r c户一

毗尹u一

两者符合程度较好表明采用本模型具有良好的适用性今考,

乳

一

脚尹

牌尸

,护

由。

JF

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得.

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文.

献.

=

二卫上卫工丝T:

;

二

全

一,

3 T

2y,。

三工二二亚亚一 T圣 3T 2、

( 18 )

1 2.

.

r式中 M c M

M分别为截面的开裂弯矩屈服弯甲,,

矩极限弯矩、

、

;、

,

二,

,、

y

,

,

。

分别为截面的初始曲。。

3

.

率开裂曲率屈服曲率极限曲率求得、

a

,

b

后 M,,

一

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的关系模型即可确定

45一

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四计算框图

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为了比较本文用条带法编制了计算截面 M伊关系的程序框图,

如图

5

所示

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6

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方志钢筋混凝土平面及空间框架的非线性分析湖南大学博士学位论文 1 9 9 1朱伯龙萤振祥钢筋混凝土非线性分析同济大学出 .版社 19 8 4周基岳刘南科钢筋混凝土框架非线性分析中的截面弯矩曲率关系重庆建筑工程学院学报 19 8 4 (2 )余志武刘小洁受弯构件无粘结预应力筋应力统一计算公式混凝土基本理论及工程应用 19 9 8余志武刘小洁罗小勇无粘结预应力混凝土框架试验研究长沙铁道学院学报 1 9 9增刊 7刘小洁无粘结部分预应力混凝土框架梁变形性能研究长沙铁道学院硕士学位论文 1 9 9 7...

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一

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(上接第9页) )别占

节点抗剪总贡献的 7 6% ( E l 7 7 8% ( E ) 9 2这一点与普通劲性混凝土节点抗剪性能有较大不同说明高强混凝土在劲性混凝土结构中能发挥较好的高强特点五结语 ( 1 H R C梁柱十字节点在梁端反复荷载作用 ) S下承载力较高与普通混凝土节点相比具有较好的延性与耗能能力位移延性系数内可达到 3以上其中强柱弱梁型节点承载力延性耗能能力均优于强梁弱柱型节点.

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( 2 ) H s C梁柱十字节点抗剪贡献由高强混凝 R土型钢腹板箍筋三部分组成其缘框对节点起约束作用不直接参与节点抗剪其中高强混凝土在抗 )剪贡献中占大部分 (> 7% )式 ( 8可作为钢骨高强 0混凝土十字节点抗剪承载力的实用计算公式、、

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,1 23.

考

文

献.

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唐九如钢筋混凝土框架节点抗展南京东南大学出版社 1 9 8 9:陈荤元等高强混凝土及其应用北京清华大学出版社 1 9 9 2梁柱节点专题组劲性钢筋混凝土梁柱节点性能即受剪承载力混凝土研究报告选集 1 9 9 4,..

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7kmi.html