钢管混凝土柱环梁节点受力性能研究*

郑 茜,王洪欣,王 义,周高照,孙占琦,范林飞

(中建科技集团有限公司,广东 深圳 518002)

0 引言

钢管混凝土构件具有承载力高、抗震性能好、抗火性能好、施工方便等优点,在国内高层及超高层建筑中应用广泛。此类建筑地下室多为钢筋混凝土梁板结构,钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点形式一般采用现浇RC梁外环板式节点、抗剪环-环梁节点、穿心钢筋暗牛腿式节点、对穿暗牛腿式节点等[1-2]。当混凝土梁的顶筋和底筋不超过2排或楼电梯、车道等位置不宜设置环梁节点时,可采用钢牛腿连接方式,即梁纵筋焊接在钢牛腿上,梁的弯矩和剪力通过钢牛腿传递至钢管混凝土柱。当混凝土梁的纵筋超过2排时,如地下室顶板混凝土梁,由于承担覆土和消防车荷载,混凝土梁的配筋量通常较大,一般采用环梁连接,即钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱的弯矩通过设置的钢筋混凝土环梁传递,剪力通过环形牛腿传递。环梁节点传力可靠,施工简便,现场焊接量少,有利于梁与柱的任意角度连接,易达到“强柱弱梁”的要求[3]。

对于高层及超高层等室外布置各种管道的工业厂房建筑,管道铺设需一定坡度,为保证此区域覆土高度,建筑室内外必存在高差。不少学者已通过试验模拟、有限元模拟等[3-8]方法对梁顶无高差钢管混凝土柱节点进行研究,分析了节点的力学性能和破坏形态,得出环梁连接的RC梁-钢管混凝土柱框架梁在地震作用下具有良好的抗震性能[9]。但研究的节点类型多为抗剪环-环梁节点,且均为无高差环梁节点。对于环梁两侧标高不同,或梁顶标高相差过大节点的(以下简称高差过大节点)相关资料较少,国内规范也无相应介绍。

本文依托坪山新能源汽车产业园区1～3栋项目,以室内外最大高差节点为例(室内标高-2.350m, 室外标高-4.000m),根据JGJ 138—2016《组合结构设计规范》对无高差环梁节点进行设计。

为使框架梁端弯矩平稳地传递给钢管混凝土柱,并使环梁不先于框架梁端出现塑性铰,钢筋混凝土环梁的配筋由计算确定。环梁上、下环筋的截面积不应小于框架梁上、下纵筋截面积的0.7倍,环梁腰筋直径不宜小于16mm、间距不宜大于150mm,环梁箍筋直径不宜小于10mm、间距不宜大于150mm。为了便于钢筋混凝土框架梁纵筋锚入到环梁中,环梁的截面宽度不宜小于框架梁宽度,高度宜比框架梁高50mm。

环梁节点中的环形牛腿由均匀分布的肋板和上、下加强环组成,肋板与钢管壁、加强环与钢管壁及肋板与加强环均可采用焊缝连接,加强环应预留直径不小于50mm的排气孔。环形牛腿的受剪承载力由环形牛腿上的混凝土局部承压强度、肋板抗剪强度、肋板与管壁的焊接强度、环形牛腿上部混凝土直剪强度决定。

采用有限元软件ABAQUS对高差过大环梁进行受力分析。考虑在-4.000m标高位置增加环梁纵筋和减小环梁箍筋间距等因素的影响,基于环梁节点有限元结果和节点传力路径分析,得到梁高相差过大时的节点受力加强措施,可为相应工程及研究提供参考。

1 工程概况

坪山新能源汽车产业园区1～3栋项目总建筑面积25.6万m2,包括厂房、研发用房、配套宿舍、配套食堂和配套商业等多种建筑类型。1号研发楼为钢管约束混凝土框架梁-核心筒结构,地下3层,地上23层,结构高度99m;2号研发楼为钢管约束混凝土框架梁-核心筒结构,地下2层,地上19层,结构高度84m;3号厂房分为A,B座,为钢管混凝土框架梁-剪力墙结构,地下2层,地上17层,结构高度91.7m。项目建筑效果如图1所示。

图1 项目效果Fig.1 Project renderings

根据项目类型,确定本工程抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度7度(0.10g),设计地震分组第一组,场地类别Ⅱ类。深圳地区50年一遇基本风压为0.75kN/m2,地面粗糙度取C类。

项目地下室梁柱节点均采用钢管混凝土柱环梁节点构造,如图2所示。钢牛腿节点施工顺序为先支模,后绑扎框架梁钢筋;钢筋与钢管混凝土柱牛腿通常采用焊接,框架梁下部纵筋施工时需仰焊,因此焊接质量较差。本节点环梁钢筋施工顺序为先绑扎环梁钢筋,后吊装至钢管混凝土柱固定,再绑扎框架梁钢筋,进行支模,便于混凝土浇筑。

图2 环梁节点构造Fig.2 Ring beam joint construction

项目中采用的环梁节点包括无高差环梁节点(框架梁顶标高相同)和有高差环梁节点(框架梁顶标高不同)两种形式。为验证有高差环梁节点的可行性和安全性,选取梁顶高差最大(高差1.65m)节点进行分析。

钢管混凝土柱环梁节点构造如图3所示。钢管混凝土柱为φ750×12,混凝土强度等级为C60;钢牛腿尺寸为525mm×500mm×20mm(b×h×t);钢材均采用Q345钢。环梁截面尺寸为600mm×3 050mm,环梁混凝土强度等级φ35;环梁箍筋为φ14@125。

图3 节点构造Fig.3 Joint construction

2 节点传力分析

钢管混凝土柱环梁节点中,传力构件主要是钢筋和牛腿。

节点受力分析如图4所示。由图4可知,框架梁端承受剪力(V1,V2)和弯矩(M1,M2)作用时,KL2和KL4梁端部位置下部受压,上部受拉。框架梁下部所受压力首先传递给环梁,在环梁受力一侧对钢管混凝土柱产生压力F1,F3。根据环梁节点受力特点,钢管混凝土柱另一侧会形成对应的压力F2,F4,因此F1和F2,F3和F4形成两组力偶,可抵抗环梁扭转。同时F1,F2,F3和F4挤压钢管混凝土柱产生静摩擦力,一般情况下,静摩擦力可满足节点抗剪要求[2]。

图4 结构受力分析Fig.4 Structural stress analysis

1)梁端剪力传递 环梁节点中承受剪力的构件主要是框架梁箍筋、环梁箍筋和牛腿。首先剪力从框架梁梁端传递给框架梁和框架梁箍筋;其次通过框架梁埋入环梁中的钢筋将剪力传递给环梁钢筋;然后剪力通过环梁箍筋向下传递给牛腿;最后从牛腿传递给钢管混凝土柱。

2)梁端弯矩传递 环梁节点中承受弯矩的构件主要是框架梁纵筋、环梁纵筋、腰筋和牛腿。弯矩在节点中的传递主要是从框架梁纵筋向环梁传递,通过框架梁纵筋传递给环梁的纵筋和腰筋,在环梁节点中环梁纵筋和腰筋是环状,因此会形成多组力偶来抵抗弯矩,从而将弯矩传递给钢管。

3 有限元模型建立

3.1 模型建立及加载

根据YJK结构计算模型,考虑结构不同荷载组合作用,选取包络工况下环梁节点根部位置最大弯矩值和剪力值,确定最不利环梁节点,如图5所示。环梁宽600mm,高3 100mm,框架梁尺寸及最不利荷载如表1所示。将梁根部荷载等效到梁端进行加载模拟。

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

图5 框架梁编号Fig.5 Frame beam number

3.2 材料本构

模型中混凝土本构关系采用ABAQUS有限元软件中的混凝土塑性损伤模型,钢材和钢筋本构关系采用硬化的双折线模型。

3.3 单元属性和边界条件

混凝土构件采用C3D8R单元,钢构件采用S4R单元,钢筋采用T3D2单元,均采用Embedded Region命令将其嵌入混凝土进行模拟。为较真实地模拟节点实际受力,钢管混凝土柱高度取2层楼高,因此模型中钢管混凝土柱两端均约束x,y,z3个方向的线位移和转角。模型混凝土单元尺寸为0.15m,结构有限元模型如图6所示。

图6 有限元模型Fig.6 Finite element model

4 节点有限元分析

4.1 影响因素分析

由于规范暂无对高差较大环梁节点的相关规定,按照无高差环梁节点规范要求对高差较大环梁节点进行设计时,在标高较小的两根框架梁位置只设腰筋。首先对按规范设计的节点进行有限元模拟分析。

节点区钢筋应力如图7所示。由图7可知,环梁拉筋首先达到屈服状态,而后环梁腰筋进入屈服;环梁拉筋最终应力为401.8MPa,环梁腰筋应力达378.2MPa。最大位置出现在KL4与环梁相交处,此位置环梁拉筋和腰筋均出现屈服。因此提出2种方式对节点进行优化改善:①在KL4上部的环梁位置增加纵筋;②改变环梁箍筋直径和间距。通过有限元对比分析,得到增加纵筋和减小箍筋间距为较有效的方式。

图7 未增加纵筋钢筋Mises应力(单位:Pa)Fig.7 Mises stress of steel bars without additional longitudinal reinforcement(unit:Pa)

根据现场钢筋绑扎、模板支护、混凝土浇筑施工情况,增加环梁上部纵筋更便于施工。增大箍筋间距后钢筋笼绑扎难度增加,且影响混凝土浇筑质量。

4.1.1KL4上部增加环梁纵筋

模型中环梁箍筋采用HRB400,φ14@125;在标高较小的框架梁上部对应位置处增加环梁纵筋(简称φ14@125+纵筋),对2个模型进行对比,具体数据如表2所示。

表2 环梁增加纵筋影响对比Table 2 Influence contrast of ring beam with longitudinal reinforcement MPa

环梁节点在KL4上部对应位置处,按照规范设计时只有构造腰筋(φ12@200),由表1可知,KL4承受的剪力和弯矩都较大,环梁腰筋不能完全提供节点所需的环箍力,因此考虑在此位置增加纵筋,以增强环梁受力。由表2可知,增加纵筋,环梁箍筋应力大幅降低,降低15.7%;环梁拉筋应力降低17.9%;环梁腰筋应力降低幅度最大,降低45.8%;钢管应力也有所下降;钢管混凝土、牛腿、环梁混凝土应力变化可忽略。

4.1.2环梁箍筋间距

根据分析,环梁拉筋首先进入屈服状态的原因为拉筋对环梁纵筋和腰筋的拉结力不足。首先考虑分别增大拉筋直径和减小腰筋间距,但通过对比分析可知,增大拉筋直径和减小腰筋间距对节点应力影响较小,因此主要考虑减小环梁箍筋间距。

此模型中环梁箍筋采用HRB400,直径12mm,同时在标高较小的框架梁上部对应位置处增加环梁纵筋。而后分别对箍筋布置φ12@150+纵筋,φ12@125+纵筋,φ12@100+纵筋进行对比分析,具体数据如表3所示。

表3 环梁箍筋间距影响对比Table 3 Ring beam stirrup spacing influence contrast MPa

由表3可知,随着箍筋间距的减小,环梁箍筋应力变化较小,仅降低了0.4%和1.6%,可忽略不计;环梁纵筋应力分别降低17%和29.9%,影响较明显;环梁拉筋应力降低1.3%和16.8%,箍筋间距从125mm缩小为100mm时影响较明显;环梁腰筋应力变化先增大而后再减小;钢管、钢管混凝土、牛腿、环梁混凝土应力变化均可忽略。

4.2 加强节点分析

由4.1节可知,钢筋屈服主要出现在环梁节点梁顶标高较小和受力较大的KL4处,因此KL4为环梁节点的薄弱环节。对相关影响因素进行参数化分析后,确定了该项目采用的加强构造措施,即在KL4上部对应环梁位置增加纵筋,并对此加强节点模型进行详细分析。

4.2.1环梁混凝土

节点混凝土构件应力如图8所示。由图8可知,环梁与框架梁下部相连位置应力较大,最大环梁应力为19.35MPa。KL2梁端剪力和弯矩较大,根部下端位置受压,此处环梁内部钢筋只有环梁腰筋,因此混凝土承受全部压力;KL4梁端剪力和弯矩最大,但此处混凝土应力值小于KL2处,原因在于KL4梁下端与环梁连接处有环梁纵筋,混凝土承受的压力通过钢筋传递到环梁及钢管混凝土柱。

图8 节点混凝土构件应力(单位:Pa)Fig.8 Stress of node concrete components(unit:Pa)

节点混凝土剖面受力分析如图9所示。由图9可知,所有框架梁应力均为斜向传递,其中KL4斜向传递角度最大,为45°;KL2最小,为30°。整个环梁节点下端受压,且KL4受力最大,因此环梁最大应力出现在KL4对应环梁位置与钢管混凝土柱相交处。

图9 节点混凝土剖面受力(单位:Pa)Fig.9 Stress analysis of node concrete section(unit:Pa)

4.2.2钢管混凝土

钢管核心混凝土应力如图10所示。由图10可知,应力最大值位于KL4下部,为14.26MPa。KL4处剪力和弯矩通过环梁节点下部传递至钢管混凝土柱,因此,核心混凝土应力在环梁节点下部较大,与节点混凝土最大应力位置相呼应。

图10 钢管核心混凝土应力(单位:Pa)Fig.10 Steel tube core concrete stress(unit:Pa)

4.2.3钢管

钢管应力如图11所示。由图11可知,钢管应力最大值位于KL2相反侧,值为124.7MPa。KL2受剪力和弯矩作用时,KL2上部混凝土和钢筋受拉,环梁相当于环箍,一侧受压时,与之对应的另一侧就会受拉。从环梁节点整体受力可知,在KL2对应位置,钢管壁所受压力最大。

图11 钢管应力(单位:Pa)Fig.11 Steel tube stress(unit:Pa)

4.2.4钢筋

节点钢筋应力如图12所示。根据节点钢筋应力变化过程可知,框架梁受正弯矩和剪力作用时,梁上部钢筋会先承受拉力。以KL4钢筋为例,梁端钢筋锚入环梁中,当框架梁钢筋受拉时,基于相互连接作用,使环梁中与此处相连的环梁纵筋、腰筋受沿径向向外的拉力,因此环梁纵筋、箍筋应力较大,腰筋和拉筋应力也较大。其他计算模型均验证了环梁拉筋首先达到屈服,其次是环梁箍筋进入屈服。

图12 节点钢筋应力(单位:Pa)Fig.12 Joint reinforcement stress(unit:Pa)

4.2.5牛腿

牛腿应力如图13所示。由图13可知,牛腿最大正应力为51.45MPa,最大剪应力为15MPa。牛腿的主要作用为抗剪和抗弯,同时增强环梁混凝土与钢管混凝土柱的连接。牛腿在KL4一侧应力最大,主要是此侧剪力和弯矩较大。

图13 牛腿应力(单位:Pa)Fig.13 Corbel stress(unit:Pa)

5 结语

本文基于混凝土塑性损伤本构模型,采用ABAQUS有限元软件,对规范未涉及的梁顶标高相差过大的钢管混凝土柱环梁节点力学性能进行分析,验证了节点的可靠性。并考虑在标高较小框架梁的梁顶位置增加环梁纵筋和减小环梁箍筋间距等因素的影响,基于环梁节点有限元结果和节点传力路径分析,得到了节点的加强构造措施。

1)节点中承受剪力的构件主要有梁箍筋、环梁箍筋和牛腿;承受弯矩的构件主要有梁的纵筋、环梁纵筋、腰筋和牛腿。

2)对于梁高差较大的环梁节点,分析按照规范设计的环梁,在标高较小处框架梁顶部处环梁腰筋出现屈服,因此提出在此位置增加环梁纵筋和减小环梁箍筋间距。

3)增加KL4上部纵筋,环梁箍筋、环梁拉筋应力减小较明显;环梁腰筋应力变化最大。箍筋间距减小时,环梁纵筋应力变化较明显。

综上所述,对于梁顶标高相差较大的环梁节点,可通过在标高较小处框架梁顶部增加环梁纵筋和减小环梁箍筋间距加强节点力学性能,其中增加环梁纵筋影响最明显,可为相应工程及研究提供参考。