梁柱不同混凝土强度等级的空间中节点抗剪承载力有限元分析.pdf
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1、浙江 建筑 , 第 2 8卷 , 第 l 2期 , 2 0 1 1年 1 2月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n,Vo 1 2 8,N o 1 2,D e c 2 0 1 l 梁柱不 同混凝 土强度等级 的 空 间中节点抗剪承载力有 限元分析 F i n it e Ele me n t An a ly s is o n Sh e a r Ca p a c it y o f Di me n s i o n a l Mi d d l e J o i n t Con s t r u c t e d b y Be am an d Co l u mn wit
2、 h Dif f e r e n t RC S t r e n g t h Cl a s s e s 岑伟 , 李 丽 CEN We i L I L i ( 浙江大学建筑设计研究院 , 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7) 摘要: 高层框架结构中, 柱混凝土强度等级往往高于梁板混凝土强度。通过有限元软件 A N S Y S 建立空间中节点模型, 采用数值 模拟的方法对其进行 了抗剪承载力方面的非线性分析 , 研究 了不 同梁柱混凝 土级差情况下节 点核芯 区的应力分 布和承载 力特征 等 , 提出施 工建议 。 关键词 : 空 间中节点 ; 节点核芯区 ; 抗剪承载力 中图分 类号: T U
3、3 7 5 ; T U 3 9 8 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 2 4 0 4 为满足抗震规 范 中轴压 比限值 的要求 , 又要尽 量 减小截面 以增加使用 面积 , 底层 框架柱 通常采 用高 强 度混凝土 ( 常取 C 4 0C 6 0 ) ; 而对 于 以受 弯 为 主 的楼 面梁板 , 过 高的混凝土强度 等级对提 高抗弯 承载力 并 不 明显 , 反 而对构件承受 收缩应力 、 温度应 力不利 , 所 以 高层建筑混凝土结构技术规程( J G J 3 2 0 0 2 ) ( 以 下简称 “ 高规 ” )
4、规 定 : “ 现 浇 框架 梁 的混 凝 土强 度 等 级不宜高 于 C 4 0 。 ” ” 工程 设 计 中通 常取 梁 板 的混 凝 土等级 为 C 2 5C 3 5 。 由此可见 , 在高层 建筑 结构 中 , 柱混凝土强 度高于梁板 的现象是普遍存在 的 。 目前施 工 单 位 常 用 的施 工 方 法 是 节 点 核 芯 区混凝土采用柱混凝土强度等级 , 但其施工难度增 加 , 质量 又难控 制 。相反 , 若节 点核 芯 区的混凝 土采 用与梁板相同的混凝土等级 ( 即夹芯节点 ) , 则可减 小施 工难度 , 大大节 省工 期 , 那 么夹 芯节 点 的承载力 是否 能满 足要
5、 求是值 得研 究 的问题 。 1有限元数值模拟 1 1 有 限元软件 介 绍 本文采用 有 限元 软件 A N S Y S 对 梁 柱混凝 土 强 度不同等级的空间中节点的抗剪承载力进行数值模拟。 采用单 元 S O L I D 6 5模 拟混 凝 土 , 本 单 元 具 有 材 料非线 性特 征 , 并 具有 在拉 压应 力下 开裂 、 破碎 的 能 力 , 最 重要 的方 面在 于其对 材料 非线性 的处理 , 其 可 模 拟混 凝 土 的 开裂 ( 三 个 正 交 方 向 ) 、 压 碎 、 塑 性 变 形 及徐 变 。为 了能清 楚地 了解 混凝 土 中钢 筋 的 力 应 变分 布情
6、 况 , 本 文 采 用 l i n k 8单 元 将 钢 筋 单 独 布 置 , 并 建立 线单元 进行 网格 划分 , 而不 通过 在混 凝 土 单 元 中填写 配筋 率来 加入 钢 筋 , 这 就 大 大 增加 了建 模 工作 量 和复杂 性 。 由于 考 虑 了材 料非 线 性 的情 况 , 在 分 析 中按 常 用 的钢筋 和混凝 土 的应 力一 应 变 关 系 定 义 了 材料 特性 , 见 图 1 、 图 2 。在 本 文 的有 限元 分 析 中假 设 钢 筋和 混凝 土粘结 良好 , 钢筋 锚 固可靠 , 钢筋 和混 凝 土 之 间无 摩擦 滑移 现象 产生 。 1 2模 型
7、设 计 本 次模 型所 选取 的试件 为 高层建 筑 中框架 梁柱 空 间节 点 的 中节 点 , 见 图 3 。为 模 拟 实 际 框 架 节 点 的边界 条件 , 节点 梁 柱 的 长度 分 别 取 到 梁 柱反 弯点 处 。见 图 3、 表 1 。 收 稿 日期 : 2 0 1 1 0 90 2 作者简介 : 岑伟( 1 9 8 3 一 ) , 男 , 浙江慈溪人 , 工程师 , 从事建筑结构设计工作 。 第 1 2期 岑伟等: 梁柱不同混凝土强度等级的空间中节点抗剪承载力有限元分析 2 5 1 0 8 O 6 b O 4 0 2 0 、 t f f 图 2钢 筋 本 构 模 型 图 3
8、 节点尺寸及配筋示意图 a ) 夹芯 中节点 ( Z J DI Z J D3 1 2 计 算结果分析 向 表 1 节点尺寸及配筋 节 点 编 号 害 级 差 a ( 1 ) 约束边 界条 件。根据 简 化 的边 界条件 模 拟 , 柱子 上 下两端 侧 向约束 水平方 向的位移 自由度 , 限制其 水平 位移 , 允 许 柱 子在 竖 向荷 载作 用下 产 生 竖 向位 移 。 ( 2 ) 求解 设 置 。在 非 线 性 分 析 中 , 施 加 在 有 限 元模 型上 的荷载 被分解 成 一系列 荷 载步增 量 。在每 一 荷 载步增 量解 完 成 即进 行 下 一 荷 载 步 以前 , 模
9、型 的刚度 矩 阵被调 整到反 映结 构 刚度 的非 线性 变 化 。 在 柱 顶 轴力 和 梁 端荷 载 作用 下 , 节 点 核 芯 区所 受 的外 力有 柱子 传来 的轴 力 、 弯 矩 和 剪力 以及 梁 端 传 来 的弯矩 和剪 力 , 最 终在 轴 力 和 剪 力 的 共 同作 用 下 , 节点 核 芯 区产 生斜 拉 应 力 和 斜压 应 力 。 当满 足 “ 强柱 、 弱梁 、 更强 节点 ” 的设计 原 则 时 , 梁 端先 于 柱 端形成 塑性 铰 , 节 点 不发 生 破 坏 。但 是 当梁 柱 混 凝 土强度等级不同时 , 夹芯节点核芯 区能否 强于与其 相连 的梁端
10、和柱 端 而不 发 生 节 点 区剪 切 破 坏 , 有 必 要 对夹 芯节 点核 芯 区抗 剪 承载力 进行 计算分 析 。 中 节 点单 元棋 型划 分见 图 4 。 b ) 非夹芯中节点Z J D4 模型 c ) 中节点钢筋模型 图 4 中节点模型 单元 划分 在 有 限元 分 析 的基 础 上 , 对 中节 点 的裂 缝 分 布 情况、 核芯区混凝土单元应力状况和混凝土单元应 力 进行 分析 。主要 分 析结果 如下 : 2 1 破 坏形 态分 析 图 5列 出 了各 种 级 差 情 况 下 夹 芯 中 节 点 ( 图 5 ) 、 图 5 b ) ) 和非 夹芯 中节 点 ( 图 5
11、c ) ) 的裂缝 发展 情 况 , 可 以看 出 : 节 点破 坏 时 , 梁 柱 混 凝 土等 级 级 差 小 于等于2 0 M P a 的夹芯 中节点 ( 图 5 b ) ) 和非 夹 芯 中节 型 模 构 0 凝 混 伽 0 图 2 6 浙江建筑 2 0 1 1 年第 2 8卷 点 ( 图 5 c ) ) 核 芯 区未 形 成 明显 的斜 裂 缝 , 梁 端 裂 缝 发 展 区域 明显 形 成 通 裂 , 梁 端 先 于 核 芯 区 破 坏 ; 相 反 , 梁 柱混 凝 土 等级 级 差 大 于2 0 MP a 的夹芯 中节 点 ( 图 5 a ) ) 核 芯 区发 生斜 压破 坏 ,
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