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    型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析.pdf

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    型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析.pdf

    第38卷第2期 2012年4月 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 9 型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析 袁 波 ,梁 魏 ,张华刚 ,马克俭 1.贵州大学空间结构研究中心,贵州贵阳550003; 2.中国联合工程公司,浙江杭州310014 摘要在实际工程中,特别是在高层和超高层结构中,型钢昆凝土柱截面尺寸往往相对于钢筋混凝土梁要大得 多,有时柱中型钢翼缘甚至比混凝土梁要宽得多,这就无法满足钢翼缘不开孔的要求。本文以实际工程中存在的 混凝土梁一型钢混凝土柱的节点为研究对象,推导了型钢混凝土柱的缺损率公式,同时研究钢柱翼缘开孔大小、孔 间距、孔边距等参数对型钢混凝土柱中的钢柱翼缘应力分布的影响,最后,对工程中常用的开孔翼缘补强方法进行 分析,得出了补强板的最优板厚。 关键词SRC柱;钢筋混凝土梁;缺损率;应力分布;最优板厚 中图分类号TU375.1 文献标识码A 文章编号1008193320120200905 Analysis of steel column wing with hole in SRC column YUAN Bo ,LIANG Wei ,ZHANG Huagang ,MA Kejian 1.Space Structrues Research Center of Guizhou University,Guiyang 550003,China; 2.China United Engineering Corporation,Hangzhou 310014,China AbstractIn practical engineering,especially in highrise and super high-rise structure,the section of SRC column is ohen much bigger than RC beam.even sometimes width of RC beam cross section is often even smaller than width of steel wing of SRC steel column.If wing of section steel column not have hole,it is dificuly to solve reinforcing bars go through node of beamcolumn directly,this paper study on node of RC beamSRC column which is often exist in practic engineering,deduced section steel colomn defect rate ula, study on parameter which is size of hole,distant of between hole and hole and edge of steel column,having effect on distribute of stress of wing.At last carrying out study on reinforced of steel column wing with hole,having reached the optimum thick of reinforcing board. Key wordsSRC column;RC beam;defect rate;stress distribute 0 前 言 对此做了分析和讨论。 在实际工程中,特别是在高层和超高层结构中, 很多时候会采用型钢混凝土柱一混凝土梁的结构形 式,通常型钢混凝土柱截面尺寸相对于钢筋混凝土 梁要大得多,有时柱中型钢翼缘甚至比混凝土梁要 宽得多,这个时候要是}昆凝土梁上下纵筋要连续穿 过柱就显得非常困难,因而不得不在柱中型钢翼缘 上进行开口。但是型钢混凝土组合结构技术规 程中规定 “设计上应减少梁纵向钢筋穿过柱内 型钢柱的数量,且不宜穿过型钢翼缘”。可是,在无 法避免而又必须开孔时,就不得不采取开孔方式,那 么,开孔对节点的影响及开孔率为多少为宜,本论文 收稿日期2011-0314 作者简介袁波1974一,男,四川遂宁人,博士后,副教授,硕 士生导师,研究方向多高层建筑结构与工程结构防灾减灾。 基金项目国家自然科学基金项目50968004 Emailsuperyuanbo163.corn 1 钢梁全塑性弯矩 YB908297钢骨混凝土结构设计规程在条 文说明中指出当有某种情况而不能避免型钢翼缘 上的纵筋贯通孔时,必须将型钢截面的缺损率控制 在20%限度内,且应保证在型钢达到全塑性弯矩以 前不发生破坏。本文通过对实腹梁的受力状态分 析,来研究翼缘的开孔问题,因为其理论可引申到型 钢混凝土柱中。 在外力作用下,实腹梁的截面发展过程分为弹 性、部分塑性和塑性3个阶段 。在弹性阶段,梁截 面上各点正应力均小于屈服点 ,而当截面最外边 缘的应力达到屈服点,v时所处的状态为弹性阶段 的极限状态;之后,随着外力的逐渐增加梁截面进入 部分塑性阶段,即截面上部分点应力同时达到屈服 点 ,其余点均小于厂v;当整个截面进入全塑性阶段 时,截面上所有点的应力均达到屈服点 ,形成塑性 10 四川建筑科学研究 第38卷 铰,此时,梁截面达到极限承载力,所能承受的弯矩 为极限弯矩,即全塑性弯矩 ,其值为 Mo s s 厂v 1 式中 .S 中和轴以上净截面对中和轴的面积 矩; S 中和轴以下净截面对中和轴的面积 矩; 净截面的塑性抵抗矩。 全塑性状态只是一种理想状态,截面上实际的 正应力分布不可能在中和轴处出现正负号的突变, 而是存在线性过渡区域,只是此时该过渡区域很小。 因此,当截面弯矩达到 时,即认为达到全塑性状 态,翼缘甚至部分腹板上的应力进入强化阶段, 这一特性将是后面分析缺损率的重要依据。 2 缺损分析 在分析时,首先对计算作如下简化 1分析工字形钢的受弯能力时,忽略剪力; 2忽略轴力的影响。 受弯构件截面设计时,十字形和工字形型钢的 截面塑性发展系数y 取为1.O5_3 J,也即在型钢没 有削弱时可进入部分塑性状态,但未达到全塑性状 态。若使型钢达到全塑性弯矩,一般柱型钢全塑性 发展系数y 通常在1.120和1.235 L4 J之间,可见,y 与 的值非常接近,差值不超过8%。因此,即使 型钢达到全塑性状态,弯矩也提高得不多。实际上 若型钢真的达到了全塑性状态,这时候的变形将会 很大,柱子可认为已经破坏,所以翼缘原则上不可削 弱。但型钢混凝土组合结构设计规程给出的 计算方法比较保守,偏于安全,和理论解比有较大的 安全储备,翼缘在不得已的情况下确有可开孔的可 能,所以为了给出翼缘缺损的一个界限判定条件,可 把型钢单独取出研究,取正常截面达到全塑性弯矩 这一极限状态,要求在这个状态下被削弱的翼缘不 能发生破坏。 取钢材Q345厚度为1735 mm作为分析对 象,建立如图3所示的三折线应力一应变曲线的数 学模型完全弹塑性加硬化模型 J,模型中,各个 阶段的控制应力和应变取值如下,v325 N/ram2, 0.0016, 470 N/ram ,s 0.09,E。2.06 X10 N/mm 。 设原翼缘面积为A。,削弱后的面积为A ,缺损 率为6A。一A /A。,当原截面达到全塑性时,翼 缘对中性轴产生的弯矩为MofyA。h。h。为翼缘形 心轴到截面中和轴的距离,翼缘削弱后减少的弯 矩为△Mo A。一A1h。。 当缺损截面的翼缘及部分腹板进入强化阶段, 其可增加的最大弯矩为 Mb fofrA h0 一 bh h 2 式中 翼缘强化后的平均应力; 腹板强化部分的平均应力; 6腹板厚度; 腹板等效矩形应力到截面中和轴的距 离; 腹板等效矩形应力的高。 于是应有 AM≤Mb一 3 式中腹板增加的弯矩 一,v 要比翼缘部 分小很多,现在偏安全的略去,根据式2和3可 得 AMAoA 。≤fo一 A1ho 4 化简得 J fy≤} 5 变换不等式得 砉≤ 一-一 ≤-一砉一 ≤一砉c6 以fo厂v0.01 0 hE , 0 ho/h, 0.09, h0.02, 325 N/mm ,E 2.0610 N/mm 代人上式得 ≤卜丽 7 根据式7可知,对应于一个 。/的比值,6都 有相应的最大值。虽然实际工程中工字型钢的具体 尺寸各不相同,但各部分的尺寸比例应在一定范围 内,现以我国国家标准热轧H型钢和剖分T型钢 为参考,得到 的最小值0.86,代入式7得6≤ 0.27。 考虑到实际存在的剪力和轴力影响,以及利用 钢材强化阶段的不安全性,取6≤0.20,即当翼缘缺 损率控制在20%以内时,可保证柱中型钢在达到全 塑性弯矩以前不发生破坏。 3柱翼缘开孔有限元模型 本章主要的目的是分析在弯矩作用下开孔对型 钢翼缘的影响,以及补强后的效果,为了简便以及一 目了然,所以只建型钢部分,将开孔部位设置在纯弯 段内,如图1所示。模型为简支工字形梁,梁长1.8 m,在离两端简支约束各0.3 111的地方加垫板,在上 面加均布荷载,此时,梁中产生纯弯区段。工字型钢 的材料模型采用三折线应力一应变数学模型与前 面理论分析相同。材料力学性能见表1。 袁波,等型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析 13 1随着孔边距的减小,孑L边应力分布越不均 匀,并且应力集中现象也越明显,沿翼缘受力方向分 布的低应力区也受到一定程度的影响。 2当孔边距离翼缘边缘只有一个孔径长度时, 高应力区覆盖了整个缺损截面,两孔之间的截面由 于宽度较大,而且受到腹板的约束,没有出现明显的 变形;而孔与翼缘边缘之间的截面则明显向外鼓出, 变形很大。所以,为了保证截面在材料破坏前不出 现变形过大产生的屈区破坏,应保证孑L至翼缘边缘 的距离大于高应力区范围,考虑到有一定的安全系 数,建议取不小于2倍的孔径。 . 7补强后的开孑L翼缘分析 为了使补强板在缺损截面上的应力分布比较均 匀,必须取一合理的板高。如果板高过小,在缺损截 面处的应力沿板厚方向就有可能不均匀;板高过大, 则浪费材料,且对补强板平面外的稳定性亦不利。 下面,通过如图5所示在同一荷载M0.5M。下观 察不同板高时应力分布的变化,找出一个比较合理 的板高。 a补强板高口40mm b补强板高a75mm c补强板高a100mm 图5不同补强板高应力分布 Fig.5 Stress distribution of different reinforcing plate hight 从图5中的应力分布可以看出 1随着补强板板高的增加,其应力分布沿板厚 度方向均匀性增加,孔边应力集中现象减弱。 2当补强板高为4倍孔径及以上时,缺损截面 上的应力均在屈服阶段,没有进人强化,且沿板厚方 向分布较均匀。 33倍孔径时,孔边开始出现进入强化阶段的 高应力区,应力沿板厚方向分布较为不均匀,补强板 内外表面应力差别较其余孔径时大。 44倍孔径及以上时的应力分布图均表明,设 置了补强板后孔边应力集中现象明显减弱,且最大 应力数值大幅下降。 根据以上分析,建议板高最小值取为4倍孔径。 由于型钢外包有混凝土,所以在一般情况下,4倍孔 径的板高不需考虑平面外稳定性问题。 参考文献 [1]JGJ 1382001型钢混凝土组合结构技术规程[s].北京中国 建筑工业出版社,2002. [2] 徐亚丰.钢骨高强混凝土框架节点抗震性能研究[D].沈阳 东北大学,2003. [3]GB500172003钢结构设计规范[s].北京中国建筑工业出 版社,2003. [4] 李焱.框架节点在压弯剪复合受力情况下的全过程分析 [D].天津天津大学,2003. [5]江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析[M].西安陕西 科技出版社,1994. [6]江见鲸.混凝土结构工程学[M].北京中国建筑工业出版社, 1998. [7]赵鸿铁,姜维山,周小真,等.劲性配筋混凝土梁柱节点[J].西 安冶金建筑学院学报,1988231-39. [8] 陈林.钢一混凝土组合梁与钢筋混凝土柱节点设计方法的 试验研究[D].南京东南大学,2003.

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