SRC與RC框架異型節點承載力對比分析

張 杰，龍思宇

(西南交通大學，四川成都 610031)

為了更好地解決大型城市中用地資源不足以及交通擁堵的問題，TOD(交通引導開發)模式越來越多地被運用于城市建設當中。該模式中地下部分為交通樞紐，上部則多為商住區，造成該結構體系下部柱網跨度大而上部柱網較密，需要設置存在該類異型節點的轉換層。為明確節點的受力機理和承載能力，建立相應的理論體系，完善設計方法，需要對其進行深入研究。

目前，國內對異型節點的研究還處在探索階段。對于RC節點，白國良[1]進行了8組鋼筋混凝土異型節點的試驗，提出由截面較小的梁柱決定“小核芯”的概念，認為框架異型節點的承載能力取決于節點的“小核芯”；張淑云[2]等對9個異型節點進行了試驗研究并提出了異型節點抗剪承載力計算公式；吳濤[3]針對火力發電廠中存在的高梁變截面柱構成的異型邊節點進行了靜力試驗，結果表明該類節點初裂荷載和極限荷載明顯低于常規節點。對于SRC節點，周長斌[4]、李超[5]、李晨[6]、楊曉麗[7]等人研究了剪力墻對節點抗震性能的影響，軸壓力的有利作用以及節點兩側梁柱截面變化對節點抗震性能的影響，并對SRC異型節點的受力機理和承載力計算方法進行研究和分析，提出了抗剪承載力計算公式。

針對轉換層中出現的該類異型節點，本文按照“強構件，弱節點”的原則設計了多組的SRC及RC異型節點模型，并對其進行了非線性有限元分析。根據有限元分析結果，明確了異型節點在受力機理和失效模式上的特征，分析了梁柱截面變化對失效模式與承載能力的影響，對比了SRC與RC異型節點的異同。

1 異型節點模型

1.1 節點尺寸及配筋

根據某轉換結構中的異型節點，按照1∶4的縮尺比得到原型節點RC-1與SRC-1。在原型節點的基礎上，保持配筋率不變，改變上柱與右梁的截面尺寸設計了其余的異型節點與常規節點。各節點設計參數如表1、表2所示。

表1 原型節點尺寸及配筋(RC-1與SRC-1) mm

1.2 有限元模型

節點混凝土強度等級為C40，單元類型為八節點六面體單元(C3D8R)，材料屬性采用Abaqus中的塑性損傷模型。其受壓應力應變關系根據GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[8]得到如圖1所示應力-應變曲線。混凝土受拉則采用應變能定義，據歐洲規范[9]：Gf=α(0.1fc)0.7。

表2 其余節點變化參數 mm

圖1 混凝土單軸應力-變曲線

節點縱筋與箍筋均采用HRB335，SRC節點中的型鋼強度等級為Q345。鋼筋單元類型為兩結點空間線性梁單元(B31)，型鋼單元類型為八節點六面體單元(C3D8R)。鋼材本構關系為帶強化階段的彈塑性模型，其應力應變關系如式(1)所示。

(1)

1.3 模型網格劃分

本節點應用分離式的方法建模，混凝土與型鋼均用實體單元建模而鋼筋則采用梁單元建模。混凝土與型鋼幾何上為一整體，切割后分別賦予材料，鋼筋則內置于混凝土當中。本文分析中單元最大尺寸為20mm×20mm×20mm。網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分示意

1.4 邊界條件與荷載

由于該異型節點的特殊性，將傳統加載模式的單推上柱改為上下柱端同時施加水平位移荷載。為保證各構件保持達到極限承載能力的時間大致相同，需要按照上下柱端等轉角的原則對結構進行單調加載。考慮節點的非對稱性，需要逆時針與順時針兩種加載工況。區別于傳統節點，本節點為超靜定的邊界條件。加載方式與邊界條件如圖3所示。

(a)逆時針加載

2 有限元結果及分析

2.1 節點核心區破壞驗證

為了研究節點核心區的承載能力，要保證“強構件，弱節點”即不允許構件先于核心區發生破壞，需要驗算單個構件的極限承載力大于其在節點模型中的極限反力。以SRC-1為例，其節點構件極限承載力與其極限反力對比如表3所示。經計算，所有節點模型均為“強構件，弱節點”。

表3 節點內構件反力與單構件承載力比較

2.2 節點失效模式分析

對于常規節點，其失效模式為經典的混凝土斜壓桿理論，在剪力作用下，混凝土主拉應力方向開裂而主壓應力方向形成“斜壓桿”抗剪。經計算發現，斜壓桿抗剪仍適用于異型節點。不同于常規節點的矩形柱狀斜壓桿，由于小柱與小梁的受壓區位置影響，異型節點會形成錐狀甚至是雙斜壓桿(圖4)。

(a)常規節點與異型節點斜壓桿形成示意

由于節點的非對稱性，不同加載方向會形成非對稱的受壓區，進而逆時針加載時出現較明顯的雙斜壓桿，而順時針則出現錐狀斜壓桿。以SRC-1為例，不同加載方向時斜壓桿情況如圖5所示。

(a)逆時針與順時針加載斜壓桿示意

以SRC-1與RC-1為例對比SRC異型節點與RC異型節點的云圖(圖6)，RC節點由于無型鋼作用，雙斜壓桿均勻筆直，傳力路徑清晰。SRC節點核心區混凝土在型鋼翼緣所形成框架作用下，斜壓桿明顯在翼緣框架內發生變形，由類似于RC節點的直桿向兩側擴散形成弧形斜壓桿。

圖6 SRC與RC異型節點斜壓桿對比

各節點達到極限承載力時混凝土最小主應力(主壓應力)云圖如圖7所示。對比SRC-1與SRC-2、RC-1與RC-2可見擴大上柱截面，斜壓桿分布更寬；對比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3可見右梁截面高度增加使雙斜壓桿間距增加且更加陡峭。

2.3 節點核心區剪力計算方法

節點整體受力模型見圖8(a)，核心區受力簡化見圖8(b)。以節點核心區為對象，根據平衡可求得1-1截面剪力，公式如下：

Vj=Vu-Tr-Cl

(2)

Tr=VrL2/hw2

(3)

Cl=VlL1/hw1

(4)

式中：Vj為節點核心區剪力；Tr為右梁作用于核心區水平拉力；Cl為左梁作用于核心區水平壓力；L1L2為左梁與右梁長度；VuVrVl為各支座支反力；hw1為左梁截面有效高度，對SRC節點取型鋼翼緣重心間距，對RC節點取縱筋重心間距；hw2為右梁截面有效高度，取縱筋重心間距。

圖7 各異型節點混凝土應力云

2.4 有限元計算結果分析

不同節點下柱端反力位移曲線如圖9所示。

(a)節點整體受力

圖9 不同節點下柱端反力位移曲線

對比逆時針與順時針加載時的曲線，可見由于節點的非對稱性，雖然下柱端極限位移較接近，但不同加載方向水平極限反力有明顯差距。

對比SRC節點與RC節點，SRC節點由于存在型鋼，其極限反力明顯大于RC節點。觀察曲線趨勢，可見由于鋼材強度遠大于混凝土，缺少型鋼的RC節點后期承載力下降明快于SRC節點。

對比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3，發現增加右梁截面高度，下柱端水平極限反力有所提高。說明增加小梁截面高度會增大下柱承受的彎矩。對比SRC-1與SRC-2與SRC-4以及RC-1與RC-2與RC-4，可見上柱截面增大而下柱水平極限反力下降。這是由于截面增大后小柱會承擔更多的荷載。

由前文所述核心區剪力計算公式，算得各節點核心區剪力見表4。分析結果表明：

(1)對比SRC-1與SRC-4、RC-1與RC-4，由于上柱與右梁未配置型鋼，SRC異型節點抗剪承載力明顯低于常規節點，而RC異型節點承載力未見明顯下降；

(2)觀察各節點在不同加載方向時的抗剪承載力，發現順時針加載時的極限剪力要比逆時針加載高出10 %～15 %。由前文可知不同的加載方向會形成不同形式的斜壓桿，傳力路徑的改變導致節點的抗剪承載力出現差別；

(3)由于型鋼腹板具有較強的抗剪能力，SRC節點的抗剪承載力較RC節點高出一倍以上；

(4)對比SRC-1與SRC-2、RC-1與RC-2，擴大上柱截面導致核心區受剪面有效寬度增加，從而提高了節點的抗剪承載力。對比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3，雖然右梁截面變高，但節點抗剪承載力卻有所降低。這是由于在一定范圍內增加右梁高度會使斜壓桿變陡，不利于核心區混凝土抗剪。

表4 各節點核心區剪力計算結果 kN

3 結論

通過對8組節點的有限元模擬，分析了SRC與RC異型節點在失效模式與抗剪承載力上各自的特征，得出以下主要結論：

(1)不同于常規節點的柱狀斜壓桿，異型節點在不同的加載方向下核心區會形成錐形斜壓桿與雙斜壓桿，并且其抗剪承載力也會有明顯區別。

(2)SRC異型節點由于型鋼翼緣的作用，其斜壓桿在RC異型節點的基礎上發生了變形和擴散，形成了弧形的斜壓桿。且型鋼的存在也明顯提高了異型節點的抗剪承載力。

(3)增加異型節點中小柱的寬度會提高節點的抗剪性能，而增加小梁高度導致斜壓桿變陡時這對混凝土抗剪不利。

該類異型節點結構形式與傳力機理復雜，本文僅研究了幾組參數的影響，且局限于有限元模擬，為了建立該類異型節點的計算方法，尚需進行廣泛參數的試驗和理論分析研究。