内置型钢剪力架板柱节点抗冲切性能研究*

樊周正， 郭惠勇**

(1．重庆大学 土木工程学院，重庆 400045; 2．重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)



内置型钢剪力架板柱节点抗冲切性能研究*

樊周正1,2， 郭惠勇1,2**

(1．重庆大学 土木工程学院，重庆 400045; 2．重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

摘要：为了研究型钢剪力架在板柱节点抗冲切性能中的作用，采用ABAQUS有限元软件对75组配置型钢剪力架的方钢管中柱节点进行非线性有限元分析;结果表明:型钢剪力架可以有效提高板柱节点抗冲切承载力，根据计算结果对型钢剪力架长度给出建议值，对型钢剪力架的选取给出建议，并在《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)抗冲切公式的基础上，通过数据拟合得到型钢剪力架板柱节点抗冲切计算公式，与有限元计算结果拟合良好，对实际工程应用提供了理论依据。

关键词：型钢剪力架;ABAQUS;板柱节点;抗冲切

板柱结构是建筑结构中常用的结构形式之一，由于其具有施工方便、受力明确且可降低层高等优点，广泛应用于工程实际中。型钢剪力架通常用来作为抗冲切元件，提高板柱节点的抗冲切性能[1]。目前很多国内外学者做了一些关于型钢剪力架板柱节点的性能试验[2-5]，但是，在国内规范[6]中关于如何选取型钢剪力架尺寸及长度并没有一个明确的规定，对于如何在计算中考虑型钢剪力架的抗冲切能力也没有具体的计算公式。

采用ABAQUS有限元分析软件，对75个板柱节点进行非线性有限元模拟，通过对不同板厚、不同型钢剪力架尺寸及长度得到的板柱节点抗冲切承载力，对不同因素对板柱节点抗冲切能力的影响做出分析，对型钢剪力架的长度给出合理建议，并通过数据拟合得到配置型钢剪力架的板柱节点抗冲切计算公式。

1试件设计

1.1试件尺寸

以6 m×6 m柱间距方钢管板柱结构中柱节点为例进行抗冲切能力计算分析。试件尺寸为4 m×4 m，板边分割出200 mm宽板带作为边界约束，实际有效板跨为3 600 mm×3 600 mm；柱尺寸为250 mm×250 mm，方钢管为250 mm×250 mm×10 mm，柱高上下各为1/2层高H，取1 500 mm；各试件板配筋上下均取C12@150，保护层厚度取25 mm，型钢剪力架采用4根槽钢拼接而成[7]，并与方钢管焊接为一体。试件基本尺寸如图1所示。

1.2试件分类

为研究不同影响因素对于板柱节点冲切性能的影响，分别取板厚、剪力架高度及腹板、剪力架长度为参考因素对其进行分析。分析影响因素详见表1。槽钢截面具体参数见表2。

图1　试件基本尺寸Fig.1　Basic dimensions of specimen

影响因素参 数板厚h/mm150180200220250槽钢型号C8C10C12.6C14C16剪力架长度l/mm8001000120014001600

表2　槽钢截面参数

2有限元模型

2.1材料本构参数

各试件混凝土设计标号均为C30，根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)提供的计算公式取其标准值及弹性模量Ec，根据规范[6]附录C中公式确定单轴应力-应变曲线，如图2所示。计算模型采用混凝土塑性损伤模型(CDP)，考虑了材料拉压性能的差异，计算过程中收敛性较好，既可以应用于单调加载，又可用于模拟往复荷载作用下受力行为[8](表3)。

图2　混凝土应力-应变曲线Fig.2　The stress-strain curve of concrete

材料名称EC/(N/mm2)fck/(N/mm2)ftk/(N/mm2)C303000020.12.01

表4　钢材材料参数

图3　钢材应力-应变曲线Fig.3　The stress-strain curve of steel

(1)

(2)

Von Mises屈服准则：

(3)

2.2单元类型及接触

在有限元分析中，对柱混凝土及混凝土楼板采用三维实体单元C3D8R，型钢剪力架及方钢管采用壳单元S4R，对于板内钢筋采用三维桁架单元T3D2进行模拟。不考虑型钢剪力架、钢筋网与混凝土之间粘结滑移，型钢剪力架与方钢管连接为整体，完全嵌入(Embedded)混凝土中。

2.3边界条件及加载

有限元模拟时对板柱节点进行单调加载时，采用约束四周板边，对上柱端位移加载并提取反力的加载方式。对板柱节点四边增加垫块，并对垫块约束x，y，z3个方向线位移，模拟板边铰接。为避免模型计算过程中出现柱端应力集中，在柱端上方20 mm处设置参考点RX-1，并与柱端进行耦合，在参考点处施加z向位移荷载-30 mm。

3有限元结果分析

经过对模型材料本构、接触及约束条件的设置，通过对模型采用隐式计算方法，并在计算过程中考虑几何非线性，得到模型内力云图、损伤云图及荷载位移曲线，现取其中模型S200-C12.6-1200计算结果作为说明:

从图4中可以看出，在达到极限抗冲切承载力时，混凝土楼板受压面靠近柱部分出现应力较大区域，并已经达到破坏应力，说明受压区混凝土局部出现压碎现象；从混凝土楼板受拉面损伤云图可以看出，在受到竖向冲切荷载时，混凝土板沿柱边向四周开裂，在达到极限承载力时，型钢剪力架范围内板混凝土均出现不同程度裂缝。

从图5中可以看出，板柱节点在承受冲切荷载时，型钢剪力架可以有效的发挥抗冲切作用，并且在达到极限承载力时，型钢剪力架根部已经屈服；板内钢筋在荷载作用下，在型钢剪力架端部范围的受拉筋出现屈服。

图4　混凝土板受压面应力云图及受拉面裂缝分布Fig.4　The stress nephogram of compressed side and the distribution of concrete cracks in tension side

图5　型钢剪力架及板内钢筋网应力云图Fig.5　The stress nephogram of shareheads and mesh reinforcement

3.1型钢剪力架长度对抗冲切承载力的影响

图6中分别给出了在混凝土板厚相同情况下，相同型号型钢剪力架在不同长度情况下的混凝土楼板受冲切破坏的荷载位移曲线。从图6可以看出，在板厚一定，型钢剪力架型号一定时，通过增加型钢剪力架长度，可以明显提高板的抗冲切性能；同时，随着抗冲切能力的提高，板的延性也相应提高，说明在增加型钢剪力架长度后可以改善板柱节点在承受竖向冲切荷载作用时的节点性能。

图6　S150-C8和S180-C10荷载位移曲线Fig.6　The load-displacement curves of S150-C8 and S180-C10

但是，在型钢剪力架长度达到一定长度后，混凝土板抗冲切承载力不再增加，说明型钢剪力架长度在一定范围内，对板的抗冲切性能是有帮助的，如果超过这个范围，将在实际工程应用中造成浪费。为保证板柱节点抗冲切性能满足设计要求，同时兼顾工程实用中的经济性，通过对75组数据进行分析对比，对型钢剪力架长度l建议取值为，其中b为柱截面宽度，为板有效高度，在此范围内，增加型钢剪力架长度可以有效提高板柱节点的抗冲切能力。

3.2板厚对抗冲切承载力影响

图7中分别给出了在型钢剪力架在长度、型号相同情况下，不同板厚的混凝土楼板受冲切破坏的荷载位移曲线。从图7可以看出，随着板厚的增加，板的抗冲切能力随之增加，板厚依然是最简单有效的提高板抗冲切能力的措施[5]；但是，随着抗冲切能力的提高，板的破坏形式也相应改变，随着板厚的增加，板的脆性相应提高，在达到极限承载力之后，曲线下降段明显变陡。

同时，对比图7中两个荷载位移曲线，可以看出在型钢剪力架高度相对于板厚较小时，继续增加板厚对板的抗冲切能力提高不明显，抗冲切承载力增加主要是由板厚变厚提供的，因此，在选择型钢剪力架型号时，应该结合板厚及保护层厚度综合考虑型钢剪力架尺寸，建议型钢剪力架高度不小于1/2h0。

图7　C8-1200和C10-1200荷载位移曲线Fig.7　The load displacement curves of C8-1200 and C10-1200

3.3槽钢型号对抗冲切承载力影响

图8　S220-1200和S250-1200荷载位移曲线Fig.8　The load displacement curves of S220-1200 and S250-1200

图8中分别给出了在板厚相同、型钢剪力架长度相同情况下，不同槽钢型号拼接成的型钢剪力架的混凝土楼板受冲切破坏的荷载位移曲线。从图8可以看出，随着槽钢型号的改变，板的抗冲切能力随之提高，而与槽钢型号密切相关的参数是槽钢的横截面面积。说明在承受竖向冲切荷载时，型钢剪力架的抗冲切面积越大，对板的抗冲切性能提高越大；同样与增加板厚相同，随着抗冲切能力的提高，板的破坏形式从弯曲破坏变为冲切破坏[10]，在达到极限承载力之后，曲线下降段明显变陡。

4抗冲切公式拟合

通过对75组内置型钢剪力架方钢管板柱节点进行有限元模拟，得到了在不同条件下，板柱节点的荷载位移曲线，对型钢剪力架长度、板厚以及型钢尺寸对板柱节点抗冲切性能的影响进行了定性分析。为方便工程实际应用，在规范[6]规定的抗冲切公式的基础上，考虑型钢剪力架长度、腹板面积，对75组计算结果进行公式拟合，得到型钢剪力架板柱节点的抗冲切计算公式:

(4)

其中，l为型钢剪力架的臂长，长度不宜大于2(b+2h0)，当大于2(b+2h0)，取2(b+2h0)；hS为型钢剪力架的腹板高度；AS为型钢剪力架的腹板面积；fvy为型钢的抗剪强度。

通过公式计算出来的计算结果，与有限元计算结果对比拟合度良好，如图9所示。

图9　计算结果与公式计算结果对比Fig.9　Compare the results of ABAQUS with formula calculate

5结语

通过对内置型钢剪力架方钢管板柱节点进行有限元分析，对影响该类型板柱节点抗冲切性能的不同方面做了研究分析，得到以下结论：

(1) 型钢剪力架可以有效提高板柱节点的抗冲切性能，在承受竖向冲切荷载时，承担剪力和弯矩，使方钢管和混凝土板可以共同工作。

(2) 随着型钢剪力架长度的增加，板柱节点的抗冲切性能随之提高，在一定范围内，型钢剪力架长度对板柱节点抗冲切性能提高明显，建议型钢剪力架长度l应满足2(b+2h0)。

(3) 型钢剪力架腹板面积对板柱节点抗冲切性能影响较大，在实际工程应用中，应根据板厚及保护层进行恰当选择，建议选取型钢剪力架时，hS应不小于1/2h0。

(4) 在规范[6]规定的抗冲切公式的基础上，根据75组板柱节点抗冲切承载力的计算结果，考虑型钢剪力架长度、腹板面积的影响，采用非线性数据拟合得到型钢剪力架板柱节点的抗冲切计算公式，根据公式计算得到的结果与有限元计算结果拟合良好。

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责任编辑：田静

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0004.001

收稿日期：2016-01-30；修回日期：2016-03-10.

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578094);重庆市建设科技计划项目(2014-372).

作者简介：樊周正(1991-)，男，河南许昌人，硕士，从事结构工程研究.

中图分类号：TU398+.2

文献标志码：A

文章编号：1672-058X(2016)04-0001-07

Research on Punching Shear Behavior of CFT Column to Flat Slab Connections

FAN Zhou-zheng1,2，GUO Hui-yong1,2

(1． College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China;2．Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of the Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，China)

Abstract：This paper concerned about the behavior of the concrete filled tube(CFT) column to flat slab connections with shearheads through the ABAQUS finite element analysis of 75 full-scale test. The results showed that the connections with shearheads could improve the punching shear strength of RC flat plate. The responsible length of shearheads was proposed in this paper by 2(b+2h0), and the advice of how to choose the shearheads was mentioned. Based on the formula of punching shear in (GB50010-2010), the new formula was proposed by data fitting considering the function of shearheads. This result can provide a theoretical basis for the practical engineering due to its good fitting degree.

Key words：shearheads; ABAQUS; slab-column connections; punching shear

**通讯作者：郭惠勇(1971-)，男，陕西西安人，副教授，博士，从事结构损伤识别研究.E-mail：ghy267@tom.com.