鋼管混凝土柱環梁節點受力性能研究*

鄭 茜,王洪欣,王 義,周高照,孫占琦,范林飛

(中建科技集團有限公司,廣東 深圳 518002)

0 引言

鋼管混凝土構件具有承載力高、抗震性能好、抗火性能好、施工方便等優點,在國內高層及超高層建筑中應用廣泛。此類建筑地下室多為鋼筋混凝土梁板結構,鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱連接節點形式一般采用現澆RC梁外環板式節點、抗剪環-環梁節點、穿心鋼筋暗牛腿式節點、對穿暗牛腿式節點等[1-2]。當混凝土梁的頂筋和底筋不超過2排或樓電梯、車道等位置不宜設置環梁節點時,可采用鋼牛腿連接方式,即梁縱筋焊接在鋼牛腿上,梁的彎矩和剪力通過鋼牛腿傳遞至鋼管混凝土柱。當混凝土梁的縱筋超過2排時,如地下室頂板混凝土梁,由于承擔覆土和消防車荷載,混凝土梁的配筋量通常較大,一般采用環梁連接,即鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的彎矩通過設置的鋼筋混凝土環梁傳遞,剪力通過環形牛腿傳遞。環梁節點傳力可靠,施工簡便,現場焊接量少,有利于梁與柱的任意角度連接,易達到“強柱弱梁”的要求[3]。

對于高層及超高層等室外布置各種管道的工業廠房建筑,管道鋪設需一定坡度,為保證此區域覆土高度,建筑室內外必存在高差。不少學者已通過試驗模擬、有限元模擬等[3-8]方法對梁頂無高差鋼管混凝土柱節點進行研究,分析了節點的力學性能和破壞形態,得出環梁連接的RC梁-鋼管混凝土柱框架梁在地震作用下具有良好的抗震性能[9]。但研究的節點類型多為抗剪環-環梁節點,且均為無高差環梁節點。對于環梁兩側標高不同,或梁頂標高相差過大節點的(以下簡稱高差過大節點)相關資料較少,國內規范也無相應介紹。

本文依托坪山新能源汽車產業園區1～3棟項目,以室內外最大高差節點為例(室內標高-2.350m, 室外標高-4.000m),根據JGJ 138—2016《組合結構設計規范》對無高差環梁節點進行設計。

為使框架梁端彎矩平穩地傳遞給鋼管混凝土柱,并使環梁不先于框架梁端出現塑性鉸,鋼筋混凝土環梁的配筋由計算確定。環梁上、下環筋的截面積不應小于框架梁上、下縱筋截面積的0.7倍,環梁腰筋直徑不宜小于16mm、間距不宜大于150mm,環梁箍筋直徑不宜小于10mm、間距不宜大于150mm。為了便于鋼筋混凝土框架梁縱筋錨入到環梁中,環梁的截面寬度不宜小于框架梁寬度,高度宜比框架梁高50mm。

環梁節點中的環形牛腿由均勻分布的肋板和上、下加強環組成,肋板與鋼管壁、加強環與鋼管壁及肋板與加強環均可采用焊縫連接,加強環應預留直徑不小于50mm的排氣孔。環形牛腿的受剪承載力由環形牛腿上的混凝土局部承壓強度、肋板抗剪強度、肋板與管壁的焊接強度、環形牛腿上部混凝土直剪強度決定。

采用有限元軟件ABAQUS對高差過大環梁進行受力分析。考慮在-4.000m標高位置增加環梁縱筋和減小環梁箍筋間距等因素的影響,基于環梁節點有限元結果和節點傳力路徑分析,得到梁高相差過大時的節點受力加強措施,可為相應工程及研究提供參考。

1 工程概況

坪山新能源汽車產業園區1～3棟項目總建筑面積25.6萬m2,包括廠房、研發用房、配套宿舍、配套食堂和配套商業等多種建筑類型。1號研發樓為鋼管約束混凝土框架梁-核心筒結構,地下3層,地上23層,結構高度99m;2號研發樓為鋼管約束混凝土框架梁-核心筒結構,地下2層,地上19層,結構高度84m;3號廠房分為A,B座,為鋼管混凝土框架梁-剪力墻結構,地下2層,地上17層,結構高度91.7m。項目建筑效果如圖1所示。

圖1 項目效果Fig.1 Project renderings

根據項目類型,確定本工程抗震設防類別為丙類,抗震設防烈度7度(0.10g),設計地震分組第一組,場地類別Ⅱ類。深圳地區50年一遇基本風壓為0.75kN/m2,地面粗糙度取C類。

項目地下室梁柱節點均采用鋼管混凝土柱環梁節點構造,如圖2所示。鋼牛腿節點施工順序為先支模,后綁扎框架梁鋼筋;鋼筋與鋼管混凝土柱牛腿通常采用焊接,框架梁下部縱筋施工時需仰焊,因此焊接質量較差。本節點環梁鋼筋施工順序為先綁扎環梁鋼筋,后吊裝至鋼管混凝土柱固定,再綁扎框架梁鋼筋,進行支模,便于混凝土澆筑。

圖2 環梁節點構造Fig.2 Ring beam joint construction

項目中采用的環梁節點包括無高差環梁節點(框架梁頂標高相同)和有高差環梁節點(框架梁頂標高不同)兩種形式。為驗證有高差環梁節點的可行性和安全性,選取梁頂高差最大(高差1.65m)節點進行分析。

鋼管混凝土柱環梁節點構造如圖3所示。鋼管混凝土柱為φ750×12,混凝土強度等級為C60;鋼牛腿尺寸為525mm×500mm×20mm(b×h×t);鋼材均采用Q345鋼。環梁截面尺寸為600mm×3 050mm,環梁混凝土強度等級φ35;環梁箍筋為φ14@125。

圖3 節點構造Fig.3 Joint construction

2 節點傳力分析

鋼管混凝土柱環梁節點中,傳力構件主要是鋼筋和牛腿。

節點受力分析如圖4所示。由圖4可知,框架梁端承受剪力(V1,V2)和彎矩(M1,M2)作用時,KL2和KL4梁端部位置下部受壓,上部受拉。框架梁下部所受壓力首先傳遞給環梁,在環梁受力一側對鋼管混凝土柱產生壓力F1,F3。根據環梁節點受力特點,鋼管混凝土柱另一側會形成對應的壓力F2,F4,因此F1和F2,F3和F4形成兩組力偶,可抵抗環梁扭轉。同時F1,F2,F3和F4擠壓鋼管混凝土柱產生靜摩擦力,一般情況下,靜摩擦力可滿足節點抗剪要求[2]。

圖4 結構受力分析Fig.4 Structural stress analysis

1)梁端剪力傳遞 環梁節點中承受剪力的構件主要是框架梁箍筋、環梁箍筋和牛腿。首先剪力從框架梁梁端傳遞給框架梁和框架梁箍筋;其次通過框架梁埋入環梁中的鋼筋將剪力傳遞給環梁鋼筋;然后剪力通過環梁箍筋向下傳遞給牛腿;最后從牛腿傳遞給鋼管混凝土柱。

2)梁端彎矩傳遞 環梁節點中承受彎矩的構件主要是框架梁縱筋、環梁縱筋、腰筋和牛腿。彎矩在節點中的傳遞主要是從框架梁縱筋向環梁傳遞,通過框架梁縱筋傳遞給環梁的縱筋和腰筋,在環梁節點中環梁縱筋和腰筋是環狀,因此會形成多組力偶來抵抗彎矩,從而將彎矩傳遞給鋼管。

3 有限元模型建立

3.1 模型建立及加載

根據YJK結構計算模型,考慮結構不同荷載組合作用,選取包絡工況下環梁節點根部位置最大彎矩值和剪力值,確定最不利環梁節點,如圖5所示。環梁寬600mm,高3 100mm,框架梁尺寸及最不利荷載如表1所示。將梁根部荷載等效到梁端進行加載模擬。

表1 框架梁尺寸及荷載Table 1 Frame beam dimensions and loads

圖5 框架梁編號Fig.5 Frame beam number

3.2 材料本構

模型中混凝土本構關系采用ABAQUS有限元軟件中的混凝土塑性損傷模型,鋼材和鋼筋本構關系采用硬化的雙折線模型。

3.3 單元屬性和邊界條件

混凝土構件采用C3D8R單元,鋼構件采用S4R單元,鋼筋采用T3D2單元,均采用Embedded Region命令將其嵌入混凝土進行模擬。為較真實地模擬節點實際受力,鋼管混凝土柱高度取2層樓高,因此模型中鋼管混凝土柱兩端均約束x,y,z3個方向的線位移和轉角。模型混凝土單元尺寸為0.15m,結構有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

4 節點有限元分析

4.1 影響因素分析

由于規范暫無對高差較大環梁節點的相關規定,按照無高差環梁節點規范要求對高差較大環梁節點進行設計時,在標高較小的兩根框架梁位置只設腰筋。首先對按規范設計的節點進行有限元模擬分析。

節點區鋼筋應力如圖7所示。由圖7可知,環梁拉筋首先達到屈服狀態,而后環梁腰筋進入屈服;環梁拉筋最終應力為401.8MPa,環梁腰筋應力達378.2MPa。最大位置出現在KL4與環梁相交處,此位置環梁拉筋和腰筋均出現屈服。因此提出2種方式對節點進行優化改善:①在KL4上部的環梁位置增加縱筋;②改變環梁箍筋直徑和間距。通過有限元對比分析,得到增加縱筋和減小箍筋間距為較有效的方式。

圖7 未增加縱筋鋼筋Mises應力(單位:Pa)Fig.7 Mises stress of steel bars without additional longitudinal reinforcement(unit:Pa)

根據現場鋼筋綁扎、模板支護、混凝土澆筑施工情況,增加環梁上部縱筋更便于施工。增大箍筋間距后鋼筋籠綁扎難度增加,且影響混凝土澆筑質量。

4.1.1KL4上部增加環梁縱筋

模型中環梁箍筋采用HRB400,φ14@125;在標高較小的框架梁上部對應位置處增加環梁縱筋(簡稱φ14@125+縱筋),對2個模型進行對比,具體數據如表2所示。

表2 環梁增加縱筋影響對比Table 2 Influence contrast of ring beam with longitudinal reinforcement MPa

環梁節點在KL4上部對應位置處,按照規范設計時只有構造腰筋(φ12@200),由表1可知,KL4承受的剪力和彎矩都較大,環梁腰筋不能完全提供節點所需的環箍力,因此考慮在此位置增加縱筋,以增強環梁受力。由表2可知,增加縱筋,環梁箍筋應力大幅降低,降低15.7%;環梁拉筋應力降低17.9%;環梁腰筋應力降低幅度最大,降低45.8%;鋼管應力也有所下降;鋼管混凝土、牛腿、環梁混凝土應力變化可忽略。

4.1.2環梁箍筋間距

根據分析,環梁拉筋首先進入屈服狀態的原因為拉筋對環梁縱筋和腰筋的拉結力不足。首先考慮分別增大拉筋直徑和減小腰筋間距,但通過對比分析可知,增大拉筋直徑和減小腰筋間距對節點應力影響較小,因此主要考慮減小環梁箍筋間距。

此模型中環梁箍筋采用HRB400,直徑12mm,同時在標高較小的框架梁上部對應位置處增加環梁縱筋。而后分別對箍筋布置φ12@150+縱筋,φ12@125+縱筋,φ12@100+縱筋進行對比分析,具體數據如表3所示。

表3 環梁箍筋間距影響對比Table 3 Ring beam stirrup spacing influence contrast MPa

由表3可知,隨著箍筋間距的減小,環梁箍筋應力變化較小,僅降低了0.4%和1.6%,可忽略不計;環梁縱筋應力分別降低17%和29.9%,影響較明顯;環梁拉筋應力降低1.3%和16.8%,箍筋間距從125mm縮小為100mm時影響較明顯;環梁腰筋應力變化先增大而后再減小;鋼管、鋼管混凝土、牛腿、環梁混凝土應力變化均可忽略。

4.2 加強節點分析

由4.1節可知,鋼筋屈服主要出現在環梁節點梁頂標高較小和受力較大的KL4處,因此KL4為環梁節點的薄弱環節。對相關影響因素進行參數化分析后,確定了該項目采用的加強構造措施,即在KL4上部對應環梁位置增加縱筋,并對此加強節點模型進行詳細分析。

4.2.1環梁混凝土

節點混凝土構件應力如圖8所示。由圖8可知,環梁與框架梁下部相連位置應力較大,最大環梁應力為19.35MPa。KL2梁端剪力和彎矩較大,根部下端位置受壓,此處環梁內部鋼筋只有環梁腰筋,因此混凝土承受全部壓力;KL4梁端剪力和彎矩最大,但此處混凝土應力值小于KL2處,原因在于KL4梁下端與環梁連接處有環梁縱筋,混凝土承受的壓力通過鋼筋傳遞到環梁及鋼管混凝土柱。

圖8 節點混凝土構件應力(單位:Pa)Fig.8 Stress of node concrete components(unit:Pa)

節點混凝土剖面受力分析如圖9所示。由圖9可知,所有框架梁應力均為斜向傳遞,其中KL4斜向傳遞角度最大,為45°;KL2最小,為30°。整個環梁節點下端受壓,且KL4受力最大,因此環梁最大應力出現在KL4對應環梁位置與鋼管混凝土柱相交處。

圖9 節點混凝土剖面受力(單位:Pa)Fig.9 Stress analysis of node concrete section(unit:Pa)

4.2.2鋼管混凝土

鋼管核心混凝土應力如圖10所示。由圖10可知,應力最大值位于KL4下部,為14.26MPa。KL4處剪力和彎矩通過環梁節點下部傳遞至鋼管混凝土柱,因此,核心混凝土應力在環梁節點下部較大,與節點混凝土最大應力位置相呼應。

圖10 鋼管核心混凝土應力(單位:Pa)Fig.10 Steel tube core concrete stress(unit:Pa)

4.2.3鋼管

鋼管應力如圖11所示。由圖11可知,鋼管應力最大值位于KL2相反側,值為124.7MPa。KL2受剪力和彎矩作用時,KL2上部混凝土和鋼筋受拉,環梁相當于環箍,一側受壓時,與之對應的另一側就會受拉。從環梁節點整體受力可知,在KL2對應位置,鋼管壁所受壓力最大。

圖11 鋼管應力(單位:Pa)Fig.11 Steel tube stress(unit:Pa)

4.2.4鋼筋

節點鋼筋應力如圖12所示。根據節點鋼筋應力變化過程可知,框架梁受正彎矩和剪力作用時,梁上部鋼筋會先承受拉力。以KL4鋼筋為例,梁端鋼筋錨入環梁中,當框架梁鋼筋受拉時,基于相互連接作用,使環梁中與此處相連的環梁縱筋、腰筋受沿徑向向外的拉力,因此環梁縱筋、箍筋應力較大,腰筋和拉筋應力也較大。其他計算模型均驗證了環梁拉筋首先達到屈服,其次是環梁箍筋進入屈服。

圖12 節點鋼筋應力(單位:Pa)Fig.12 Joint reinforcement stress(unit:Pa)

4.2.5牛腿

牛腿應力如圖13所示。由圖13可知,牛腿最大正應力為51.45MPa,最大剪應力為15MPa。牛腿的主要作用為抗剪和抗彎,同時增強環梁混凝土與鋼管混凝土柱的連接。牛腿在KL4一側應力最大,主要是此側剪力和彎矩較大。

圖13 牛腿應力(單位:Pa)Fig.13 Corbel stress(unit:Pa)

5 結語

本文基于混凝土塑性損傷本構模型,采用ABAQUS有限元軟件,對規范未涉及的梁頂標高相差過大的鋼管混凝土柱環梁節點力學性能進行分析,驗證了節點的可靠性。并考慮在標高較小框架梁的梁頂位置增加環梁縱筋和減小環梁箍筋間距等因素的影響,基于環梁節點有限元結果和節點傳力路徑分析,得到了節點的加強構造措施。

1)節點中承受剪力的構件主要有梁箍筋、環梁箍筋和牛腿;承受彎矩的構件主要有梁的縱筋、環梁縱筋、腰筋和牛腿。

2)對于梁高差較大的環梁節點,分析按照規范設計的環梁,在標高較小處框架梁頂部處環梁腰筋出現屈服,因此提出在此位置增加環梁縱筋和減小環梁箍筋間距。

3)增加KL4上部縱筋,環梁箍筋、環梁拉筋應力減小較明顯;環梁腰筋應力變化最大。箍筋間距減小時,環梁縱筋應力變化較明顯。

綜上所述,對于梁頂標高相差較大的環梁節點,可通過在標高較小處框架梁頂部增加環梁縱筋和減小環梁箍筋間距加強節點力學性能,其中增加環梁縱筋影響最明顯,可為相應工程及研究提供參考。