預應力對新型核心鋼管混凝土節(jié)點的影響分析★

智海祥 王 琨 史高林 周 俊

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127； 2.江蘇德惠集團，江蘇 鹽城 224000)

?

預應力對新型核心鋼管混凝土節(jié)點的影響分析★

智海祥1，2王 琨1*史高林1周 俊1

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127； 2.江蘇德惠集團，江蘇 鹽城 224000)

基于有限元軟件ABAQUS，對核心鋼管混凝土柱—預應力型鋼混凝土梁組合框架節(jié)點進行了模擬分析，探討了預應力對該類型節(jié)點在破壞模式與極限抗剪承載力等方面的影響，得出了一些有意義的結論。

型鋼混凝土節(jié)點，預應力，核心鋼管，有限元分析

節(jié)點在建筑結構中作為梁柱交匯構件，在抗震設計時要求做到強節(jié)點、弱構件，而對于鋼管混凝土柱—型鋼混凝土梁的節(jié)點，為了保證鋼管柱的上下貫通，在節(jié)點處需將型鋼梁斷開，這就導致了節(jié)點處抗剪承載力的削弱。對于此問題，國內(nèi)外學者分別對節(jié)點處鋼管通過環(huán)板、栓釘、隔板等不同的方式進行加強，結果表明通過恰當?shù)臉嬙齑胧┛梢越鉀Q抗剪承載力的削弱問題，但預應力對該類型的節(jié)點的影響在國內(nèi)外還鮮有研究。

1 研究概況

本文以核心鋼管混凝土柱—預應力型鋼混凝土梁組合框架的中間節(jié)點為研究對象，如圖1所示，該類型的節(jié)點通過內(nèi)置核心鋼管使預應力筋從鋼管兩側穿過，有效的解決了預應力筋穿過外包鋼管時需在鋼管開洞造成節(jié)點抗剪承載力削弱的問題。同時為了消除鋼梁在節(jié)點處斷開對節(jié)點抗剪承載力的影響，在鋼梁斷開處的鋼管內(nèi)焊接了內(nèi)接加強環(huán)。本文通過有限元軟件ABAQUS對該類型的節(jié)點在不同預應力度的條件下進行模擬分析。

1.1 試件設計

本文共設計3個試件，其中1個非預應力試件，2個預應力試件。節(jié)點柱的軸壓比均取0.4。為了得到節(jié)點的抗剪承載力，預應力試件按弱節(jié)點設計。節(jié)點的編號分別為JD-1～JD-3。試件

的配筋及尺寸如圖2所示，所有節(jié)點除預應力筋外配筋相同，JD-1無預應力筋，JD-2預應力筋為2-φs12.7，JD-3為2-φs15.2。

1.2 邊界條件及加載方式

節(jié)點試件取梁柱反彎點之間的單元，如圖3所示，模擬節(jié)點在框架中的受力，在柱端施加160 kN的軸力，并在柱端施加水平位移，最終得出試件的荷載位移曲線。

2 有限元分析

2.1 材料的本構關系

梁柱截面混凝土的劃分如圖4所示，保護層無約束區(qū)混凝土采用Mander模型[1]，箍筋約束區(qū)混凝土采用清華大學過鎮(zhèn)海提出的雙參數(shù)模型[2]，鋼管約束區(qū)的混凝土采用清華大學韓林海[3]提出的約束模型。試件中的工字鋼、鋼筋、鋼管均采用理想的彈塑性模型[4]，預應力筋采用三折線模型[5]。混凝土的粘性系數(shù)μ=0.000 5，膨脹角ψ=36°，流動勢偏量ζ取值為0.1，初始雙軸抗壓的屈服強度與單軸抗壓的屈服強度之比σb0/σc0取值為1.16，拉伸和壓縮子午面上的第二應力不變量的比值KC取值0.666 7。

2.2 單元類型的選擇

ABAQUS中的單元庫對于不同類型的問題提供了不同的單元，對于本文中的混凝土采用二次縮減積分單元當中的實體單元C3D20R來進行模擬，鋼筋、預應力筋用桿單元T3D3進行模擬，型

鋼及鋼管采用殼單元S4R來進行模擬。

2.3 有限元模型的建立

三個試件按設計尺寸建模，圖5為節(jié)點各部件的幾何模型。工字鋼與鋼管組成一個整體并與鋼筋籠一起通過嵌入約束于混凝土中，梁端和柱底按圖3所示的邊界條件添加剛性墊塊后進行鉸接。預應力度通過降溫法施加，不同的預應力度下降不同的溫度。

2.4 分析結果

在有限元計算軟件ABAQUS中等效塑性應變(PEEQ)定義為正加載過程中的塑性應變的累積。由于是單調(diào)加載，加載過程中未出現(xiàn)卸載，因此其可以看作是加載時任意時刻的塑性應變，當其數(shù)值大于0時既可以看作該材料已經(jīng)屈服。極限荷載時的等效塑性應變云圖如圖6所示，從圖6中我們可以看出以下幾點：1)增加預應力度會擴大核心區(qū)混凝土、核心區(qū)鋼管及核心區(qū)箍筋的屈服區(qū)域。2)若以鋼筋及型鋼的屈服作為構件的屈服標志，則非預應力試件JD-1發(fā)生了梁端破壞為主的破壞模式，而預應力試件JD-2，JD-3均發(fā)生了梁端屈服、核心區(qū)剪切破壞的模式。

各試件的荷載位移曲線見圖7，從圖7中看出，隨著預應力度增大，構件的承載力也增大，即預應力可以提高此類節(jié)點的抗剪承載力。

3 結語

本文通過采用有限元分析軟件ABAQUS對預應力型鋼混凝土梁—鋼管混凝土核心柱組合框架節(jié)點進行模擬分析，根據(jù)所得結果，可以得出以下結論：1)通過預應力和非預應力試件的模擬結果對比，可以發(fā)現(xiàn)由于預應力提高了梁的承載力，進而可以改變節(jié)點核心區(qū)的破壞模式。2)在不同的預應力度條件下，節(jié)點的極限承載力隨著預應力度的增大而增大。基于以上模擬分析的結果，本課題組將在結構實驗室進行進一步的實驗驗證。

[1] J.B.Mander,M.J.N.Priestley,R.Park.Theoretical stress-strain model for confined concrete[J].J.Struct.Eng.ASCE,1988(114):1804-1826.

[2] GB 50010—2002，混凝土結構設計規(guī)范[S].

[3] 韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M].北京:科學出版社，2004.

[4] J.Bauschinger. Variations in the Elastic Limit of Iron and Steel[J]. Journal of Iron and Steel Inst，1887(1):442-444.

[5] 張昊宇,鄭文忠.1860級低松弛鋼絞線高溫下力學性能[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2007,39(6):861-865.

Analysis of the influence of prestress on core steel tube concrete joints★

Zhi Haixiang1,2Wang Kun1*Shi Gaolin1Zhou Jun1

(1.CollegeofArchitecturalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China;2.JiangsuDehuiGroup,Yancheng224000,China)

Based on the finite element software ABAQUS, the paper undertakes the simulation analysis of the central steel tube concrete column-prestressed steel concrete beam combination joints, explores the influence of the prestress on the joints in the aspects of the damage model and ultimate shear-resistant capacity, and achieves meaningful conclusions.

steel concrete joint, prestress, central steel tube, finite element analysis

2016-11-15 ★：江蘇省自然科學基金青年項目(BK20140489)；住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術計劃項目(2014-K2-035)；國家自然科學基金項目(51508495)

智海祥(1990- )，男，在讀碩士； 史高林(1990- )，男，在讀碩士； 周 俊(1989- )，男，在讀碩士

王 琨(1982- )，男，博士，碩士生導師，副教授

1009-6825(2017)04-0039-02

TU311

A