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磁宋黄
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1 第 55 卷第 1 期 2015 年 1 月大连理工大学学报 JounaloDalanUnvyoThnology Vol.55, No.1 Jan 文章编号 : ) 基于软化拉 - 压杆模型钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算闫长旺 *1,2, 吕海锋 1,2, 贾金青 2, 张菊 1, 刘曙光 1 1. 内蒙古工业大学矿业学院, 内蒙古呼和浩特 ; 2. 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁大连 ) 摘要 : 钢骨超高强混凝土框架节点是一种新型组合结构. 为计算钢骨超高强混凝土框架节点的抗剪承载力, 基于钢筋混凝土框架节点软化拉 - 压杆模型, 以钢骨和超高强混凝土为压杆, 以钢骨纵筋箍筋为拉杆, 建立了钢骨超高强混凝土框架节点软化拉 - 压杆模型, 进行了框架节点抗剪承载力计算, 并与试验值进行了比较, 分析了轴压比和配箍率对计算值的影响. 结果表明, 抗剪承载力试验值与计算值的比在 1.2 左右, 吻合较好, 且计算值偏于安全 ; 随着轴压比的增大, 计算值增大 ; 随着配箍率的增大, 计算值亦增大. 所提出的钢骨超高强混凝土框架节点软化拉 - 压杆模型很好地反映出轴压比和配箍率对抗剪承载力的影响. 关键词 : 钢骨超高强混凝土 ; 框架节点 ; 软化拉 - 压杆模型 ; 抗剪承载力 ; 轴压比 ; 体积配箍率中图分类号 :TU318.1;TU398.2 文献标识码 :Ado: /dlgxb 引言钢骨超高强混凝土框架节点是在焊接或轧制的钢骨周围, 配置钢筋并浇筑超高强混凝土的结构形式, 其内置钢骨可以显著改善超高强混凝土框架节点的抗震延性, 提高超高强混凝土框架节点的抗剪承载力. 在地震作用下钢骨超高强混凝土框架节点承担梁柱传来的弯矩剪力轴力, 受力状态比较复杂 [1-3], 核心区抗剪承载力受到混凝土强 [4-5] 度体积配箍率轴压比等诸多因素的影响. 拉 - 压杆模型是一种基于桁架理论, 适用于混凝土结构受力状态复杂区域抗剪承载力计算的模 [6-7] 型. 模型中, 钢筋可以看作拉杆, 主要承受拉力 ; 混凝土可以看作压杆, 主要承受压力. [8] Koovou 等基于拉 - 压杆模型, 提出混凝土框架边节点抗剪承载力计算方法, 计算结果与试验结果吻合较好. 由于混凝土在受压过程中会出现软化现象,Hwang 和 L 提出拉 - 压杆软化系数 ζ, 对拉 - 压杆模型进行了改进, 使之能够更好地估算出框架节点的抗剪承载力, 这就是钢筋混凝土框 [9] 架节点软化拉 - 压杆模型. 本文以软化拉 - 压杆模型为基础, 通过对内置钢骨不同部位的受力及其作用进行划分, 提出适用于钢骨超高强混凝土框架节点的抗剪承载力计算方法, 并与试验数据对比, 分析节点抗剪承载力计算值与试验值的吻合程度, 以及抗剪承载力计算方法对试件设计参数轴压比和体积配箍率的灵敏程度. 1 试验概况与试验结果 1.1 试件制作选用多层框架结构中间层梁与柱反弯点之间的钢骨超高强混凝土框架节点作为研究背景, 共制作了 6 节点试件, 试件构造如图 1 所示. 试件柱的截面尺寸为 220 mm 220 mm, 柱的高度为 1500mm. 试件梁为等高梁, 梁截面尺寸为 180 mm 250 mm, 梁长 2220 mm. 超高强混凝土圆柱体抗压强度 ' 平均值为 92 MPa. 试件梁柱中的纵筋全部采用 HRB335 级直径为 14 mm 的螺收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 , ); 内蒙古自然科学基金资助项目 2011BS0709); 内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划资助项目 NJYT-14-B08); 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室开放基金资助项目 LP1015). 作者简介 : 闫长旺 * 1978-), 男, 博士, 教授,E-mal:yw @126.om; 贾金青 1962-), 男, 博士, 教授, 博士生导师.

2 第 1 期闫长旺等 : 基于软化拉 - 压杆模型钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算 55 纹钢筋, 柱配筋率为 1.66%, 梁纵筋贯穿节点, 梁配筋率为 0.68%. 试件柱节点核心区采用直径为 8mm 的 HRB400 级螺纹钢筋, 梁箍筋采用直径为 6mm 的 HRB335 级螺纹钢筋. 梁柱中的钢骨均采用 Q235 级工字钢 I14, 钢骨截面积为 21.51m 2. 试件所采用的钢材力学性能指标如表 1 所示. 1.2 加载装置与加载制度框架节点试件抗剪承载力试验采用梁端拟静力反复加载方式, 试验加载装置如图 2 所示. 加载制度采用力 - 位移混合控制加载方法, 如图 3 所示. 加载至梁端反复荷载显著降低时小于峰值荷载的 85% 时 ) 或试件不能稳定地承受反复荷载时, 停止试验. 图 1 Fg.1 钢骨超高强混凝土框架节点试件构造图单位 :mm) Spmnonguaondagamol nod ula hgh ngh on amonnon un:mm) 1200 千斤顶 ;2200 传感器 ;3 平板铰支座 ; 430 千斤顶 ;5 30 传感器 ;6 LVDT; 750mm 位移计 ;8200mm 位移计图 2 加载装置简图 Fg.2 Loadngdvkh 表 1 试件钢材力学性能指标 Tab.1 Mhanpopolpmn 钢材类型屈服强度 y / 极限强度 u/ 延伸率 MPa MPa δ10/% 直径 6mm 钢筋直径 8mm 钢筋直径 14mm 钢筋工字钢 I 试验研究参数为轴压比 n: ; 体积配箍率 ρv:1.0% 1.6% 2.2%. 图 3 加载制度 Fg.3 Loadngpogam 1.3 抗剪承载力试验结果低周反复加载试验中,6 个试件的抗剪承载力试验值如表 2 中 Vxp 列所示. 表 2 抗剪承载力试验值与计算值 Tab.2 Expmnalvaluandaluladvaluohangh 试件 '/MPa ρv/% n ' q /MPa 钢筋强度 u/mpa 箍筋纵筋 ζ θ/ ) A/m 2 Vxp / kn Vm/kN Vxp Vm SSRC-I SSRC-I SSRC-I SSRC-I SSRC-I SSRC-I

大连理工大学学报 56 2 基于软化拉-压杆模型的钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算方法 2.

其中,水平机构竖向机构起拉杆作用,主要承受外荷载在节点区域产生的受拉分力;斜向机构起压杆作用,主要承受外荷载在节点区域产生的受压分力.

度; A 为混凝土斜向压杆的有效作用截面积; a 为混凝土斜向压杆高度, a a, a 为柱受压区高度; b 为混凝土斜向压杆宽度,取节点的有效宽度,即柱截面宽度. 2.

3 大连理工大学学报 56 2 基于软化拉-压杆模型的钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算方法 2. 1 钢筋混凝土框架节点软化拉-压杆模型文献[ 9]中作者以混凝土为压杆,以纵筋和箍筋为拉杆,提出了钢筋混凝土框架节点软化拉-压杆模型,由水平机构竖向机构斜向机构三部分构成,抗剪机构如图 4 所示.其中,水平机构竖向机构起拉杆作用,主要承受外荷载在节点区域产生的受拉分力;斜向机构起压杆作用,主要承受外荷载在节点区域产生的受压分力. 第 55 卷文献[ 9]中钢筋混凝土框架节点抗剪承载力 Vj = Kζ ' A A = a b 1) 2) 式中: K 为模型中拉杆对节点核心区抗剪承载力的贡献系数; ζ 为混凝土抗压强度软化系数, ζ 3. 35/ ' 52; ' 为混凝土圆柱体抗压强 0. 度; A 为混凝土斜向压杆的有效作用截面积; a 为混凝土斜向压杆高度, a a, a 为柱受压区高度; b 为混凝土斜向压杆宽度,取节点的有效宽度,即柱截面宽度钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算方法本文以文献[ 9]提出的软化拉-压杆模型为基础,在图 4 所示钢筋混凝土框架节点软化拉-压杆模型抗剪机构中,增加钢骨部分图 4 中所示灰色部分为梁柱钢骨),形成内置钢骨的钢筋混凝土框架节点软化拉-压杆模型,采用文献[ 10]中承载力叠加计算理论,提出钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算方法. 钢骨超高强混凝土框架节点内置钢骨立面如 a)斜向机构图 5 所示,将节点区域内置的工字钢骨按图 6 所示进行分解,钢骨 ① ② ③ ④ 部分与柱纵筋一起构成竖向拉杆,承受拉力作用;钢骨腹板 ⑤ 与节点区箍筋梁纵筋一起构成水平向拉杆,承受拉力作用;钢骨各部分与超高强混凝土共同构成斜向压杆,承受压力作用. b)水平机构图 5 内置钢骨立面图 F 5 El va ond aw ngo n a d l g. )竖向机构图 4 钢筋混凝土框架节点抗剪机构 F 4 Sh a an m han mo n o d on g. am onn on 图 6 柱内置钢骨受力及其作用的划分 F 6 Fo d v onand o o l umnn a d l g.

4 第 1 期闫长旺等 : 基于软化拉 - 压杆模型钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算 57 内置钢骨后, 需要考虑钢骨腹板所占的有效作用截面积 Aq 和翼缘所占的有效截面积 A'q, 则框架节点斜向压杆有效作用截面积 A = A +Aq +A'q 3) Aq =a d k,k =E q /E, A'q =2b q -d) k nθ 4) θ=aan hb/h) 5) hb =h-2a'b,h =b-2a', a'b = qbaqba qb +ybaba'b, qba qb +ybab a' = qaqa q+yaa' qa q+ya 6) æ a = N ö ç 7) è A g' ø h' 式中 :d 为腹板厚度 ;k 为钢骨与混凝土弹性模量比 ;b q 为型钢翼缘宽度 ; 为钢骨翼缘平均厚度 ;θ 为斜向压杆与水平向夹角 ;h 为梁高度 ;b 为柱截面宽度 ;a'b a' 分别是梁柱钢骨翼缘和纵向受力钢筋合力点到截面边缘的距离 ;qb 为梁钢骨抗拉强度 ;A qb 为梁钢骨截面积 ;a qb 为梁钢骨保护层厚度 ;yb 为梁纵筋抗拉强度 ;Ab 为梁纵筋总截面积 ;a'b 为梁纵筋中心到截面边缘的距离 ;q 为柱钢骨抗拉强度 ;A q 为柱钢骨截面积 ;a q 为柱钢骨保护层厚度 ;y 为柱纵筋抗拉强度 ;A 为柱纵筋总截面积 ;a' 为柱纵筋中心到截面边缘的距离 ; N 为柱轴向力 ;A g 为框架柱的毛截面面积 ;h' 为框架柱的截面高度. 2.3 抗剪承载力贡献系数 K 系数 K 是框架节点软化拉 - 压杆模型中的关键参数, 主要表示拉杆对框架节点抗剪承载力的贡献. 内置钢骨的钢筋混凝土框架节点抗剪承载力贡献系数 K, 仍将以文献 [9] 的相关研究成果为基础, 按图 6 所示将内置钢骨作为拉杆压杆的一部分, 按式 8) 确定 : K = Kh +Kv -1 8) Kh =1+ Kh -1)F yh /Fh Kh, Kv =1+ Kv -1)F yv /Fv Kv 9) Kh = 1-γh)+γh 1, æ 1-γh)+γh 1- n2 θö ç è 2 ø Kv = 1-γv)+γv 1 10) æ 1-γv)+γv 1- o2 θö ç è 2 ø Fh =γh Khζ'A) oθ, Fv =γv Kvζ'A) nθ 11) F yh = Ah1'h1 +Ah2'h2 +A qh' qh, F yv = Av'v +A qv' qv 12) γh = 2anθ γh 1),γv = 2oθ ) 式中 :Kh Kv 分别为水平竖向拉杆贡献系数 ; Kh Kv 分别为拉杆配筋足够时水平竖向拉杆贡献系数 ;γh 为水平拉杆的拉力与节点水平剪力的比值 ;γv 为竖向拉杆的拉力与节点竖向剪力的比值 ;Fh Fv 分别为水平拉杆竖向拉杆的平衡拉力 ;F yh F yv 分别为水平机构承担的拉力与竖向机构承担的拉力 ;Ah1 'h1 分别为节点核心区柱箍筋作为水平拉杆的总截面积屈服强度 ;Ah2 'h2 分别为节点核心区梁纵筋作为水平拉杆的总截面积屈服强度 ;A qh ' qh 分别为节点核心区钢骨腹板作为水平拉杆的总截面积屈服强度 ;Av 'v 分别为节点核心区柱纵筋作为竖向拉杆的总截面积屈服强度 ;A qv ' qv 分别为节点核心区钢骨翼缘作为竖向拉杆的总截面积屈服强度. 3 抗剪承载力计算方法验证与分析 3.1 精确度验证与分析运用节点抗剪承载力计算方法 1)~13), 进行钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算, 计算结果如表 2 中 Vm 列所示. 计算过程中, 试件组成材料强度取实测强度值. 对比表 2 中 Vxp 列所示抗剪承载力试验值和 Vm 列所示抗剪承载力计算值, 可以发现, 试验值与计算值的比值在 1.17~1.26, 计算值与试验值吻合较好, 具有较高的精度, 且有一定的安全储备. 3.2 对轴压比体积配箍率的灵敏程度轴压比 n) 和体积配箍率 ρ v) 对试件抗剪承载力 V) 的影响明显, 是抗剪承载力设计计算过 [11] 程中需要考虑的重要因素. 图 7 所示为轴压比 n) 和体积配箍率 ρ v) 对

5 58 大连理工大学学报第 55 卷试件抗剪承载力 V) 的影响. 由图所示曲线可以看出, 在轴压比为定值情况下, 随着体积配箍率的逐渐增大, 节点抗剪承载力计算值逐渐增大, 与抗剪承载力试验值随体积配箍率的变化规律相同 ; 在体积配箍率为定值情况下, 随着轴压比的逐渐增大, 节点抗剪承载力计算值逐渐增大, 与抗剪承载力试验值随轴压比的变化规律相同. 轴压比和体积配箍率对抗剪承载力计算值的影响明显, 所提出的钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算方法, 很好地反映出轴压比和体积配箍率对抗剪承载力的影响. 安全. 2) 抗剪承载力计算值, 随着体积配箍率的增大而增大, 随着轴压比的增大而增大, 很好地反映出体积配箍率和轴压比对钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力的影响. 参考文献 : [1] 刘鸣, 刘伯权, 邢国华. 基于简化拉压杆模型的钢筋混凝土框架异型节点抗剪性能研究 [J]. 地震工程与工程振动,2011,312): LIU Mng,LIU Bo-quan,XING Guo-hua.Sha bhavo o RC gula no jon ung mpldondu-and-modl[j].jounal a) ρv-v o Eahquak Engnng and Engnng Vbaon,2011,312):63-67.nChn) [2] ChnC C,Suwano B,Ln Y J.Bhavoand ngholnodonbam-olumn jonwhngl-donpu [J].Jounalo ConuonalSlRah,2009,658-9): [3] Baon A, Elamay A, Salvao W. Sm bhavouobam-o-olumnpaal-nghjon ol-onompoam [J].Jounalo ConuonalSlRah,2010,6612): [4] LJY,KmJY,OhGJ.Snghdoaon onodonbam-olumnjonubjd oylloadng [J].EngnngSuu,2009, 319): [5] WangG L,DaJ G,TngJ G.Shangh b)n-v 图 7 轴压比 n) 和体积配箍率 ρ v) 对抗剪承载力 V) 的影响 Fg.7 Eoaxalomponao n)and volum up ao ρv ) on ha ngh V) 4 结论 1) 采用本文提出的抗剪承载力计算方法, 进行钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算, 试验值与计算值的比约为 1.2, 吻合较好, 且偏于 modlo RC bam-olumn jon und m loadng [J].EngnngSuu,2012,40: [6] Rahal K N. Smpld dgn and apay alulaonohanghnnodon mmbanlmn [J].Engnng Suu, 2008,3010): [7] Goda A, Chaalal O.Su-and- mhod o xnaly bondd FRP ha-nghnd lagalrc bam [J].CompoSuu,2013, 99: [8] Koovou G, Mouzak H.Exo RC bam olumn jon: Nw dgn appoah [J].

6 第 1 期闫长旺等 : 基于软化拉 - 压杆模型钢骨超高强混凝土框架节点抗剪承载力计算 59 EngnngSuu,2012,41: [9] Hwang S J, L H J.Sngh pdon o donnuygonbyondu-and-modl [J]. Jounal o Suual Engnng, 2002, 12812): [10] 中冶集团建筑研究总院.YB 钢骨混凝土结构设计规程 [S]. 北京 : 冶金工业出版社, Cnal Rah Inu o Buldng and Conuon, Chna Malugal Conuon Goup Copoaon. YB Thnal SpaonoSl-RnodConSuu [S].Bjng:MalugalInduy P,2007. nchn) [11] 霍林生, 李宏男, 肖诗云, 等. 汶川地震钢筋混凝土框架结构震害调查与启示 [J]. 大连理工大学学报, 2009,495): HUOLn-hng,LIHonḡnan,XIAO Shȳun, al.eahquakdamagnvgaonandanalyo nodonamuun Wnhuan ahquak [J].Jounalo Dalan Unvy o Thnology,2009,495): nChn) Shanghalulaonolnodula-hghnghon amonnonbadonondu-and-modl YAN Chanḡwang *1,2, LÜ Ha-ng 1,2, JIA Jn-qng 2, ZHANG Ju 1, LIU Shuḡuang 1 1.ShooloMnngandThnology,InnMongolaUnvyoThnology,Hohho010051,Chna; 2.SaKyLaboaoyoCoaalandOhoEngnng,DalanUnvyoThnology,Dalan116024,Chna) Aba: Slnodula-hghnghonamonnonanwypoompo uu.inodoalulahhangholnodula-hghnghon amonnon,aondu-and-modlpopodbadonhnodonam onnon.inhmodl,landula-hghnghonaonddau,andl, longudnalnomn,loopnomnaondda.shangholnod ula-hghnghonamonnonalulad,haluladvaluaompad wh valu,andnlunoaxalomponaoandupaoonhaluladvaluoha ngha analyzd.th xpmnalul how hah ao bwn valu and aluladvaluaappoxmaly1.2,andhaluladvaluagwlwhvaluanda labl.thaluladvalunawhaxalomponaonmnowhupao nmn.thpopodondu-and-modlanlhnlunoaxalompon aoandupaoonhangh. Kywod:lnod ula-hghnghon;amonnon;ondu-and- modl;hangh;axalomponao;volumupao

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