现浇空心楼盖板柱增强节点受力性能数值分析

倪红梅，党隆基，庞　瑞，刘　瑞

(1.河南城建学院 土木工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)



现浇空心楼盖板柱增强节点受力性能数值分析

倪红梅1，党隆基2，庞瑞2，刘瑞2

(1.河南城建学院 土木工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)

为研究现浇空心楼盖板柱增强节点冲切受力性能，完成了6个配置不同抗冲切元件的增强节点的冲切性能数值分析，探讨了极限承载力、破坏荷载、延性系数、刚度退化和破坏形态等力学性能指标在集中荷载作用下的差异。结果表明：在合理配筋下，抗冲切元件可以提高板柱节点的受冲切承载力，相比弯起钢筋和抗冲切箍筋，型钢剪力架能够明显提高空心板柱节点极限承载力；箍筋能够显著地改善板柱节点的变形能力，改变节点破坏形态；箍筋作为构造暗梁时，型钢剪力架能够显著提高构件的刚度，是一种有效的抗冲切元件。在板柱结构设计时，建议布置构造暗梁。

抗冲切元件；延性系数；现浇空心楼盖板柱节点；冲切承载力

现浇空心板柱结构体系具有重量轻、楼板抗弯刚度大、节能环保等优点[1-2]。在板柱结构体系研究方面，节点抗冲切性能一直是研究热点。试验分析表明，板柱节点的力学性能比梁柱节点差，增加板厚是一种有效地增强节点刚度的方法[3]，但往往会降低经济技术指标，因此在板柱节点设计时需要配置抗冲切元件传递剪力。在国内外研究中，越来越多的抗冲切元件已经应用到实心板柱结构体系中。本文通过2组6个模型试件的数值模拟分析，在2组试件中，第一组为有无配置抗冲切元件的对比分析，第二组为抗冲切箍筋作为构造暗梁配合使用。本文主要研究了3种配置抗冲切元件对空心板柱节点冲切特性的影响，探讨了箍筋作为构造暗梁时，配置弯起钢筋和型钢剪力架的节点的各项力学性能指标的差异，为板柱结构体系的研究和设计提供技术支持。

图1　平面布置图

1　模型设计概况

在文献[4]的基础上，设计了2组共6个试件，空心板边长1 400 mm的方形双向板，板厚为120 mm，方柱边长为300 mm，其中加载柱高700 mm,板底柱高400 mm。混凝土采用C30，空心圆管[5]直径为63 mm，钢筋采用HRB400级。试件的平面布置如图1所示。

3种抗冲切元件分别为箍筋[5-7]、弯起钢筋[6]、型钢剪力架[7-8]。弯起钢筋和型钢剪力架的平面布置如图2、图3所示。增强节点的构造图如图4所示。表1给出了各个模型试件的主要参数。

图2　弯起钢筋布置图

图3　型钢剪力架布置图

(a)PS-1构造图

(b)RS-2构造图

(c)BB-3构造图

(d)HS-4构造图

(e)RS-BB-5构造图

(f)RS-HS-6构造图

试件编号板底(顶)配筋暗梁抗冲切元件PS-1ϕ8@100RS-2ϕ8@100ϕ8@100(50)箍筋BB-3ϕ8@100弯起钢筋HS-4ϕ8@100型钢RS-BB-5ϕ8@100ϕ8@100(50)弯起钢筋RS-HS-6ϕ8@100ϕ8@100(50)型钢

2　数值分析模型建立

2.1本构关系

混凝土本构关系是结构或材料在各种应力状态下的破坏准则。本构关系选取的合理性对数值分析结果有着重要的影响。本文采用的是塑性损伤模型[6]，属于应力空间的范畴，目前已经被工程界广泛认可和采用。为了便于数值计算，钢筋不考虑屈服平台，采用双折线本构模型。

2.2单元选择、网格划分

根据钢筋混凝土空心板柱结构的特点，钢筋和混凝土采取分别建模的方式，混凝土采用单元C3D8R，钢筋采用空间桁架单元T3D2，钢筋采用Embedded方式与混凝土建立连接，模型的边界条件定义为简支支座。网格划分密度对数值分析结果十分重要，网格过大会降低计算精度,网格过小则数据处理时间会过长，而且容易导致运算错误。经过反复推算，本文钢筋单元取50 mm，型钢单元取40 mm，混凝土单元取30 mm。

3　数值模拟结果

3.1数值云图分析

图5是试件的数值模拟云图。由图5可知:板四角均呈现出不同程度的翘起，节点处具有明显的下凸趋势；板顶损伤主要集中在板四角，且板底损伤比较严重；在外部荷载作用下，柱角附近出现剪应力集中导致其应力较大。相比板底筋，纵向受弯板顶筋应力值更大，且有部分屈服；抗剪元件与节点冲切线相交处应力最大，且全部达到屈服状态；就槽钢翼缘而言，下翼缘应力值更大，钢材屈服面积多于上翼缘。

3.2荷载-位移曲线

荷载-位移曲线如图6所示。由图6可知，在荷载达到极值之前，变形曲线可以分为2个阶段。第一阶段表现为荷载达到极值之前的线性增长阶段;第二阶段表现为之后的非线性增长阶段。其下降阶段呈现2种截然不同的形式，即为荷载峰值之后的急剧下降和无明显下降段的缓慢下降。试件PS-1、BB-3、HS-4的破坏形态为冲切破坏，试件RS-2 、RS-BB-5、 RS-HS-6的破坏形态为弯曲破坏。表2给出了各试件的极限荷载及破坏位移。

3.3结果分析

3.3.1破坏形态

对于混凝土双向板，弯曲破坏是理想的破坏形态[9]。板柱节点发生弯曲破坏时，试件表现出良好的变形能力，刚度退化不明显。由图6可知，配有箍筋的试件均发生了弯曲破坏。在外部荷载作用下，板面裂缝的开展往往会影响混凝土板抵抗外力的能力。此时抗冲切箍筋能够配合纵向抗弯钢筋参与抵抗外力，有效地控制裂缝的进一步开展，并能够较大程度的传递剪力并参与抗剪，延缓混凝土板的破坏速度。因此，抗冲切箍筋作为构造配筋能够明显改善混凝土板柱节点的变形能力，有效地发挥纵向抗弯钢筋和混凝土之间的协同作用。

3.3.2延性系数

延性系数是衡量结构变形能力的重要力学指标，取破坏时的位移与构件屈服时位移的比值。在已有节点研究[10]的基础上，本文将节点的荷载-挠度曲线按双折线OMN分析，OM与曲线的交点P的荷载值为极限承载力的2/3,P点表示构件整体屈服,如图7所示。表2给出了各个试件的延性系数。由此可知，相比冲切破坏，现浇空心楼盖板柱增强节点发生弯曲破坏的延性系数更大。

图7　荷载变形曲线

试件编号板底(顶)钢筋暗梁(箍筋)抗冲切元件极限承载力/kN极限位移/mm屈服位移/mm延性系数破坏形态PS-1ϕ8@10042510.473.532.97冲切破坏RS-2ϕ8@100ϕ8@100(50)箍筋45617.683.425.17弯曲破坏BB-3ϕ8@100弯起钢筋47810.323.582.88冲切破坏HS-4ϕ8@100型钢5297.032.952.38冲切破坏RS-BB-5ϕ8@100ϕ8@100(50)弯起钢筋52214.353.653.93弯曲破坏RS-HS-6ϕ8@100ϕ8@100(50)型钢5808.892.873.10弯曲破坏

3.3.3抗冲切箍筋

由表2可知，对于普通空心板柱节点PS-1,其极限承载力为425 kN。试件RS-2比试件PS-1增加了近7%；试件BB-3比试件PS-1增加了近12%；试件HS-4比试件PS-1增加了近24%。由此可知，板柱节点区域增强都能不同程度地提高空心板柱节点的极限承载力。相比其他两种冲切元件，型钢剪力架能够明显提高板柱节点的极限承载力。

3.3.4构造暗梁

由表2可知，对于配置构造暗梁的增强节点RS-2，其极限承载力为456 kN。试件RS-BB-5比试件RS-2增加了近14%；试件RS-HS-6比试件RS-2增加了近27%。由此可知，节点区域配置构造暗梁时，相比弯起钢筋，型钢剪力架能够显著提高构件的刚度，是一种更有效的抗冲切元件。

4　结论

(1)合理配筋下，配置抗冲切元件增强节点都能不同程度地提高试件的抗冲切承载力。相比抗冲切箍筋和弯起钢筋，配置型钢剪力架能够明显提高构件的刚度，节点的极限承载力有显著提高。

(2)相比弯起钢筋，型钢剪力架能够显著提高构件的刚度，型钢剪力架是一种更加有效的抗冲切元件。

(3)板柱结构配置暗梁时，增强节点均由冲切破坏形态转变为弯曲破坏形态，变形能力大大提高。

(4)为了提高板柱节点抗冲切性能和结构体系抗震考虑，在现浇空心楼盖板柱结构设计时，均应布置暗梁。

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[3]龚启宏，朱强，梁永亭，等.空心板柱结构中柱节点受冲切承载力试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2013,43(2) ：420-424.

[4]赵斌斌.不平衡弯矩作用下空心板柱节点冲切性能研究[D].南京：东南大学，2013.

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Numerical study on forced performances of cast-in-situ hollow floor slab-column reinforced connection

NI Hong-mei1,DANG Long-ji2, PANG Rui2,LIU Rui2

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China)

To study the forced performances on hollow slab-column reinforced connection with different punching components,six hollow slab-column connections models were studied under forced performances and the analysis data,such as ultimate load,failure load, ductility factor,stiffness degradation and failure mode,was obtained.The result shows that the punching component can improve the ductility of slab-column structure at different levels.Compared with shear bend-up bars and hooping,the section steel cross bridging is a good means to elevate shear resistance.The hooping can significantly improve the ductility coefficient of slab-column structure,and influence failure mode of slab-column connection.The section steel cross bridging which is an effective punching component can significantly increase the stiffness of the component when the hooping is considered to be the hidden beam.When carries on the structural design of slab-column connection,the designer is supposed to dispose the hidden beam.

punching component;ductility factor;hollow slab-column connection;punching shear capacity

2016-01-12

河南省科技攻关项目(142102210033；132102210445)

倪红梅(1975—)，女，河南焦作人，硕士，副教授。

1674-7046(2016)02-0031-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.02.006

TU375

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