银川绿地中心型钢混凝土梁柱节点性能非线性分析

型钢混凝土结构具有承载力高、抗震性能好和裂缝可控制等优点,近年来在建筑结构中已经得到了广泛的研究和应用,但型钢混凝土现阶段存在钢筋可能贯穿内型钢,削弱型钢承载力的问题,同时造成施工过程中工艺复杂。银川绿地中心作为宁夏回族自治区的第一高楼,工程中两座塔楼均采用框架-核心筒混合结构体系,外框架由H 型钢梁和型钢混凝土柱构成,在型钢混凝土梁柱节点处有大量箍筋需要穿透型钢,造成施工困难。根据工程实际情况,提出了一种新型箍筋加强型节点的构造方法,以解决施工存在问题。

针对此背景,基于两种型钢混凝土梁柱节点试验,应用 ABAQUS 平台建立了箍筋穿透型节点和箍筋加强型节点的柱节点模型,在试验验证数值模型的基础上,深入分析箍筋加强型节点构造措施的可行性,考察了改进构造措施和原构造措施的承载力差别。为探究不同设计参数对改进构造措施的承载性能影响,以箍筋加强型节点试件数值模型为基准进行参数分析,考察了轴压比、型钢含钢率、柱中纵筋配筋率对箍筋加强型节点的骨架曲线的影响。

结果表明:所建立的数值模型可以良好模拟节点构件在恒定轴压和水平低周往复位移作用下的承载力峰值、骨架曲线和破坏模式;所模拟的两种节点构造的变形能力、破坏特征与极限承载力基本相同,与试验现象一致,说明箍筋加强型能够满足结构承载力和破坏模式的要求,在施工困难的部位可采用箍筋加强型节点替代箍筋穿透型节点。参数分析结果表明:随着轴压比增大,骨架曲线的峰值荷载不变,节点试验延性逐渐降低;随着型钢混凝土含钢率的增加,构件承载力有一定幅度的提高,但研究范围的配钢率对改进工法构件延性影响很小;主筋配筋率对箍筋加强型节点的骨架曲线的影响较大,随主筋配筋率增加,峰值承载力显著增大。

型钢混凝土结构具有承载力高、抗震性能好和裂缝可控制等优点,能充分满足现代建筑对大跨度结构和抗震需求,近些年在建筑结构中已经得到了广泛的研究和应用。但型钢混凝土现阶段存在钢筋可能贯穿内型钢,削弱型钢承载力的问题,同时造成施工过程中工艺复杂。

银川绿地中心超高层项目位于阅海湾中央商务区中心区,建筑总高度均为 301.15 m,南北塔地上均为 66 层,为宁夏回族自治区第一高楼。工程中两座塔楼均采用框架-核心筒混合结构体系,外框架由 H 型钢梁和型钢混凝土柱构成。

工程北塔的二层结构平面和型钢混凝土柱布置如图 1 和图 2 所示。初步设计的型钢混凝土柱梁连接的节点构造如图 3a 所示,该构造中钢筋穿透了型钢,因此不仅构造复杂,施工难度大而且削弱了型钢截面。为此施工现场结合工艺提出一种图 3b 所示的钢筋不穿透型钢并加强箍筋的改进构造措施。

基于此工程背景,本文应用 ABAQUS 平台建立型钢混凝土柱节点模型,考察改进构造措施和原构造措施的承载力差别,试验构件的配筋如图 4 所示,并通过试验验证数值模型,深入分析该构造措施的可行性,应用有限元模型对两种节点构件的破坏模式进行分析,同时探究不同参数对改进构造措施的承载性能影响,其结论可为相关研究和工程设计提供参考。

图 1 北塔二层结构平面 mm

图 2 型钢混凝土柱俯视

a—原构造措施节点; b—改进构造措节点。

图 3 原构造和改进构造措施的节点配筋 mm

a—穿透型钢节点试验配筋; b—箍筋加强节点试验构造配筋。

图 4 穿透型钢和箍筋加强节点试验配筋 mm

2.1 基本假定

建立数值模型时应用的基本假定如下: 

1) 不考虑钢筋在混凝土中的滑移,即钢筋和混凝土之间完全黏结; 

2) 型钢和混凝土中存在切向库伦摩擦接触,法向接触为硬接触; 

3) 不考虑加载速率对材料强度的影响。

2.2 材料的本构模型

混凝土本构模型采用 ABAQUS 中的混凝土塑性损伤模型,该本构可以模拟混凝土等近似脆性材料在低围压的循环荷载下的损伤和刚度退化,屈服法则采用 Lee 等的修正 Lubliner 法则,该屈服法则考虑了拉伸和压缩下强度的不同演变方式。采用了非关联的流动法则塑性流动势能函数 Drucker-Prager 双曲函数。本文中屈服和流动法则相关参数取值如下,混凝土泊松比 ν = 0.2,弹性模量 E_c= 20 GPa。研究表明,低围压下膨胀角、偏心率、双单轴抗压屈服强度、拉压 π 平面应力不变量之比,黏性参数对计算结果影响较小。本文采用的参数如表 1 所示。

表 1 参数取值

注:f_b0/f_c0 为初始等效双轴压缩应力和单轴压缩应力之比,是一个用于定义混凝土本构的参数;K 是屈服表达式的参数,对于混凝土结构一般取 2/3。

本文混凝土轴压应力-应变曲线参考 GB50010—2010《混凝土结构设计规范》附录 C 中的基本表达式和建议参数,应力-应变曲线见图 5,模型中参数取值见表 2。

图 5 混凝土损伤本构参数

表 2 混凝土强度参数取值

注:混凝土本构参数,分别为:峰值时混凝土应变、峰后承载力下降 50%时的应变,阿尔法 c 和阿尔法 t 是相关参数。

钢材和钢筋的本构选取双折线模型,其应力-应变曲线如图 6 所示。型钢的本构参数采用 GB50017—2017《钢结构设计标准》中建议的参数;钢筋本构参数采用 GB 50010—2010 建议的参数,钢筋屈服后的弹性模量取 E′_s= 0.01E_s ( E_s 为钢筋的弹性模量; E′_s 为强化阶段的斜率),型钢和钢筋的密度和泊松比分别为 7800 kg/m³ 和 0.3。型钢和钢筋在水平荷载往复过程中钢筋受到往复的拉压作用,因此均选用随动强化法则。

图 6 型钢和钢筋应力-应变关系

2.3 网格剖分和相互作用设定

四面体单元在可以很好地描述复杂构型几何特性中仍具有良好的收敛性能,因此模型中混凝土柱结构采用 C3D4 的四面体单元,顶部、底部混凝土结构采用 C3D8R 的六面体单元。

钢梁的翼缘和腹板厚度尺寸小于其他方向,有专家学者采用壳单元进行模拟,但壳单元不易考虑型钢和混凝土之间的相互摩擦作用,因此本文考虑用实体单元建立型钢构件。二次缩减积分能够较好地模拟线性应变场和克服剪力自锁现象,因此采用 C3D20R 单元模拟型钢,并用通用接触模拟型钢和混凝土的相互接触作用,其中,法相接触为硬接触,切向接触为库伦接触,摩擦因数为 0.3。

模型中的钢筋网架只考虑沿长度方向的性能,桁架单元为杆结构,即只能承受轴向拉力或压力而不承受弯曲荷载,比较符合钢筋的受力状态,故混凝土框格内的受力钢筋和构造钢筋选取二节点线性桁架单元 (T3D2) ,使用合并和内置命令,将纵筋和箍筋合并成钢筋骨架,并内置于混凝土实体单元中,实现混凝土和钢筋骨架的共同工作和协调变形。

在穿透型钢节点构件模型中,将穿过型钢的箍筋用绑定约束在型钢上模拟型钢对箍筋的约束作用。在箍筋加强型节点构件模型中,钢筋和型钢没有相互接触关系,因此按照普通钢筋混凝土的建模方法,将钢骨架合并为整体并嵌入到混凝土实体中。

网格的质量和密度直接影响模型的收敛性、精确性和计算时间。型钢和混凝土构件采用结构化网格划分技术,并在节点区域适当加密,既能够保证合理的计算精度和收敛性能,又可以较好地节省计算时间。混凝土采用大小约为 30 mm 的三角形网格,核心处加密至大小 15 mm;型钢采用约为 25 mm 的均匀网格。剖分后试件的网格如图 7 所示。

a—混凝土; b—型钢部件; c—钢筋骨架。

图 7 模型网格划分

2.4 荷载和边界条件

为缓解应力集中现象,水平荷载施加于参考点处,即在模型节点耳部中心处设定一个参考点,并通过耦合命令将参考点与试件中部的加载梁的相对运动约束在一起,模型的边界条件如图 8 所示。

图 8 试件边界条件

结构到达峰值承载力后,荷载-位移曲线会出现承载力下降段。为保证收敛性,模型采用控制位移的加载方式。

3.1 试验概况

项目中箍筋穿透型节点和箍筋加强型节点的构造如图 3a 和图 3b 所示,柱内纵筋和箍筋的尺寸分别为32 和16@100。考虑到足尺构件加工困难和实验室 MTS 加载能力有限,试验采用比例为 1/8 的缩尺试验进行验证。按照截面等配筋率和配箍率的原则确定缩尺模型主筋和箍筋分别为8 和6 @100,箍筋穿透型节点试件与箍筋加强型节点试件后的缩尺模型配筋分别如图 4a 和图 4b 所示。箍筋穿透型节点缩尺构件和箍筋加强型节点缩尺试件的编号分别为 1 号和 2 号。

试验过程中构件均通过限位梁约束构件顶部水平方向位移,同时用螺栓将试件锚固于地面,并设置千斤顶防止构件水平方向滑移。根据实际工程轴压比在构件顶部通过千斤顶施加 1000 kN 的竖向荷载。保持竖向荷载不变,在楼板位置采用位移控制施加水平方向的往复荷载。试验设备和加载装置如图 9 所示。水平荷载的加载制度如图 10 所示,分别为 0.6 mm(1/1400)、1.0 mm(1/800)、1.7 mm(1/500)、2.4 mm (1/350)、3 mm (1/280)、4.5 mm (1/200)、6 mm (1/140)、8.5 mm (1/100)、12 mm (1/70)、15 mm (1/55)、17 mm (1/49)、21 mm (1/40)、24 mm(1/35)、30 mm (1/28) ,每级循环 2 次,直至试件发生破坏或不满足安全条件为止。分别建立箍筋穿透型节点试件和箍筋加强型节点试件的数值模型,计算得到钢筋和型钢应力云图如图 11 所示,试验过程中构件混凝土应力云图如图 12 所示。

图 9 试验加载装置

图 10 水平位移加载制度

a—钢筋骨架; b—型钢。

图 11 1 号构件钢筋和型钢应力云图 MPa

a—钢筋骨架; b—型钢。

图 12 2 号构件钢筋和型钢应力云图 MPa

3.2 构件破坏的三阶段

为深入研究型钢混凝土柱在该状态下的工作和破坏机理,本节将基于往复荷载下的数值模拟结果对箍筋穿透型和箍筋加强型节点试件的破坏模式开展细致分析。往复荷载下的滞回曲线可以很好地反映结构在循环往复荷载下的混凝土损伤状况。等效塑性应变(PEEQ)能反映加载过程中塑性损伤累积情况,直观地分析节点的破坏特征。从图 13、图 14可以看出,两种型钢混凝土构件的破坏模式可分为试件开裂、试件屈服、试件破坏三种阶段。

a—试件开裂; b—试件屈服; c—试件破坏。

图 13 1 号构件加载过程照片

a—试件开裂; b—试件屈服; c—试件破坏。

图 14 2 号构件加载过程照片

3.2.1 出现裂缝

从图 15a、16a 中可知,竖向荷载和水平荷载共同作用下,混凝土柱中内嵌型钢的存在使得混凝土柱在荷载下不再满足平截面假定,柱端中心处塑性变形不断增加,塑性应变较大,裂缝最先出现在柱端中心附近,此时水平位移约达到 2.4 mm。

a—开裂状态; b—屈服状态; c—破坏形态。

图 15 1 号试件等效塑性应变云图

a—开裂状态; b—屈服状态; c—破坏形态。

图 16 2 号试件等效塑性应变云图

3.2.2 屈服过程

如图 15b、16b 所示,随着水平荷载增加,当水平位移达到 20 mm 时,荷载-位移曲线斜率逐渐改变,此时混凝土柱中塑性变形逐渐增大,内嵌型钢出现屈服。

3.2.3 极限状态

如图 15c、16c 所示,当水平位移达到 24 mm 时,荷载-位移曲线逐渐达到峰值,可以看出,柱中混凝土均已达到峰值塑性应变,内嵌型钢在梁柱相接位置处有很大的应力,钢筋骨架也发生逐渐屈服。

3.3 构件破坏模式

通过以上分析可以发现核心区型钢、钢筋骨架均达到了屈服,而最终破坏试件的照片显示构件柱和节点相接处破坏严重,说明数值模型可以较好地模拟构件最终破坏状态;对比 1 号、2 号构件的应力云图和破坏现象可以得出以下结论: 

1) 箍筋穿透型和箍筋加强型构件的开裂塑性应变分布存在一定差异,但屈服状态和破坏状态的塑性应变分布基本一致,说明两种构件在地震作用下,最终的破坏形态基本相同。

2) 两种不同施工工艺和构造的型钢混凝土梁柱节点试件的 Mises 应力云图几乎相同,说明箍筋加强型节点试件和箍筋穿透型节点试件具有相同的最终破坏模式,与试件最终破坏状态一致。

4.1 滞回曲线和骨架曲线

箍筋穿透型节点试件和箍筋加强型节点试件数值模型的滞回曲线和试验滞回曲线对比见图 17 和图 18,其中 Δ 为水平位移。试验过程中,2 号构件由于扭转严重提前停止加载。从中可以看出:

1) 在水平位移较小时,1 号构件数值模型计算的滞回曲线比真实的试验值具有更大的刚度,但两者具有相近的承载力峰值;2 号构件数值模型计算的滞回曲线和真实的试验值在水平位移较小和较大时均十分吻合,两构件数值模型计算的滞回曲线均略饱满于试验值,最终承载力比试验结果略大9.2%和 10.1%,说明数值模型可以较好地模拟构件承载力和滞回特性; 

2) 1 号构件和 2 号构件滞回加载曲线的模拟结果出现了刚度退化现象,这与试验结果十分接近,说明数值模型很好地拟合了混凝土在往复荷载下的损伤现象;

3) 1 号构件和 2 号构件滞回曲线的变化规律基本相同,说明两种工法的构件在同等的地震作用中有相同的耗能能力。

图 17 1 号构件滞回曲线对比

图 18 2 号构件滞回曲线对比

4.2 骨架曲线

箍筋穿透型节点试件和箍筋加强型节点试件的骨架曲线如图 19、图 20 所示,模拟值与试验值对比见表 3。从图表中可以看出,数值模型的模拟值均略大于试验实测值,两者吻合良好。

图 19 1 号构件骨架曲线对比

图 20 2 号构件骨架曲线对比

表 3 模拟结果与试验峰值承载力对比

4.3 误差分析

箍筋加强型节点试件和箍筋穿透型节点试件数值模型的应力分布总体符合实测规律,滞回曲线和骨架曲线与实测值吻合良好,说明数值模型可以有效地把握住往复荷载下该构件滞回曲线和骨架特性。但模拟值和实测值仍存在一定差别,可能是由于:

1) 试件和地面通过锚栓锚固,锚栓可能存在较小的弹性变形和水平滑移,导致试验与数值模型中的边界条件存在差异,使试件的实测初始刚度降低;2) 材料的本构关系和型钢与混凝土之间的滑移参数可能与实际情况存在一定差异;3) 1 号构件中采用了绑定约束考虑箍筋穿透型钢,由此导致该数值模型的刚度偏大,计算的滞回曲线在位移较小时与试验值存在一定差异,但构件最终破坏时与箍筋关系不大,因此具有相同的承载力峰值;4) 如图 21 所示,数值模拟结果表明,实际试件加载时可能存在一定的扭转,由此导致水平荷载峰值降低,从而使得数值模拟得出的滞回曲线和骨架曲线承载力偏高。2号相件的情况类似。

图 21 1 号构件面外位移云图(放大因子为 45)

为进一步研究箍筋加强型节点的力学性能,本文从轴压比 n₀ 、型钢含钢率 ρ_ss 、柱中纵筋配筋率 ρ对箍筋加强型节点的骨架曲线进行考察。以箍筋加强型节点试件的数值模型为基准进行参数影响分析,分析中基准参数见表 4。

表 4 箍筋加强型节点(2 号构件)模型基准参数

5.1 轴压比 n₀ 的影响

有研究表面轴压比对试件的延性具有一定影响,图 22 为在试件配筋和加载方式不变的情况下,改变试件的轴向荷载,n₀/N₀ 分别为 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 ( 其中 N₀ 为箍筋加强型节点构件的轴压比),建立数值模型计算得到的各个工况下试件的骨架曲线。可以看出:

1) 当轴压比改变量较小时基本不影响试件在水平位移下的峰值承载力;

2) 轴压比的改变影响下降阶段的骨架曲线,随着轴压比的增大,骨架曲线下降阶段的曲线愈发陡峭。

图 22 轴压比 n₀ 对骨架曲线的影响

5.2 型钢含钢率 ρ_ss 的影响

在试件配筋和加载方式不变的情况下,改变试件的型钢含钢率,受构件混凝土尺寸的约束影响,将 ρ_ss/ρ_ss0分别改变为 0.90、0.95、1.00、1.05、1.10(其中, ρ_ss0 为改进工法构件的含钢率),建立数值模型计算得到各个工况下试件的骨架曲线如图 23 所示。可以看出:

1) 随着型钢含钢率的增大,水平位移下构件的骨架峰值得到一定程度的提高,表明型钢混凝土中含钢率对承载力有一定幅度的提高;

2) 水平位移下骨架曲线下降段的斜率基本相同,说明该配钢率范围对箍筋加强型节点构件的延性影响很小。

图 23 含钢率 ρ_ss 对骨架曲线的影响

5.3 主筋配筋率 ρ 的影响

在加载方式、轴压比、配钢率、箍筋配筋等不变的情况下,仅改变试件的纵筋配筋率 ρ, 即将 ρ/ρ₀ 分别改变为 0.8、0.9、1.0、1.1、1.2(其中 ρ₀ 为箍筋加强型节点构件的纵筋配筋率),建立数值模型计算,得到各个工况下试件的骨架曲线如图 24 所示。可以看出:

1) 在水平位移较小时不同配筋率下骨架曲线基本重合,说明纵筋配筋率在水平位移较小时对骨架曲线影响较小;

2) 在水平位移较大时,不同配筋率下骨架曲线存在一定差别,说明纵筋配筋率在水平位移较大时影响骨架曲线的峰值承载力。

图 24 配筋率对骨架曲线的影响

本文对两种不同构造的型钢混凝土梁柱节点进行了非线性有限元分析,通过试验验证数值模型的准确性,并对箍筋加强型节点试件的破坏模式进行了分析,最后考察轴压比 n₀ 、型钢含钢率 ρ_ss、柱中纵筋配筋率 ρ 对箍筋加强型节点试件的骨架曲线的影响,其结论可为相关研究和工程设计提供参考。通过分析本文得出以下结论:

1) 建立的两种构件数值模拟结果与试验结果的滞回曲线、骨架曲线基本吻合,充分验证了本文中有限元模型的合理性;

2) 所模拟的两种节点构造在变形能力、破坏特征与极限承载力方面基本相同,与试验现象一致,说明箍筋加强型能够满足结构承载力和破坏模式的要求;

3) 参数分析表明,随着轴压比增大,骨架曲线的峰值荷载不变,节点试件延性逐渐降低,主筋配筋率对骨架曲线的影响最大,随主筋配筋率增加,试件峰值承载力增加。

4) 箍筋加强型节点能够满足结构极限承载力和变形的要求,在施工困难的部位可采用箍筋加强型节点替代箍筋穿透型节点。