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1、钢筋混凝土板柱结构中柱节点的抗震性能的试验研究江苏建筑2006年第1期(总第104期)29钢筋混凝土板柱结构中柱节点的抗震性能的试验研究朱心部.程文漾(东南大学土木工程学院,南京210096)【摘要】介绍了3个缩尺1/4板柱结构中柱节点在水平低周反复荷栽作用下的试验,时其破坏形态和抗震性能进行了分析,并用有限元对板柱节点进行了弹塑性分析,其结果与试验结果符合较好.关键词】板柱结构;中柱节点;抗震性能;有限元分析中图分类号TU375.3文献标识码】A文章编号10056270(2006)01002904ExperimentalStudyofSeismicBehaviorofInteriorJoin
2、tsforR.C.Slab-columnZHUXin-buCHENGWen-rangAbstract:Thepaperdescribedthetestof3interiorjointsspecimentsofR.C.slabcolumnwith1/4reducedscalesubjectedtothehorizontalreversedload.ItSfailurepatternsandseismicbehaviorareanalyzedandtheelasticplasticanalysisofthejointsareindeepingwiththetestresults.Keywords:
3、Slab-columnSystem;InteriorJiont;Seismicbehavior;FiniteElementAnalysis1试验简介1.1试件共进行了3个板柱结构中柱节点在水平低周反复荷载作用下的试验.原型结构的柱网尺寸为8mx8m.层高为4m.试件是从中间区格板的反弯线,对称线及柱子反弯点所取出的截离体,并缩尺1/4而确定的.试件尺寸与板,柱配筋情况见图1,图2表1.为了防止试件在吊装过程中开辟中板誊.柱板昔辟中板誊I,一_,(1)11L(a)试件板底配筋图辟中板带l挂上板带l辟中板幸-0LJe一广I(b)试件板机配筋图!(c)柱配筋图一图1试件配筋图裂,故将楼板的厚度均设计
4、为100mm.试件采用人工搅拌混凝土现场一次浇筑成功.板的混(a)试件平面图一!j一(b)试件立面图图2试件尺寸图【收稿日200505-03作者简介朱心部,(1979-),东南大学土木学院,硕士研究生.团一_.一江苏建筑2006年第1期(总第104期)表l试件尺寸(单位:mm)与配筋表板柱板配筋试件号abtll如hC1C2,INCl87587510o2O002000450250250l0808125INC285085010o2O00200045030o30ol01258l50INC58258251oo2O0020004503503508125815O凝土保护层厚度为|5mm.柱的混凝土保护层厚
5、度为25mm,对每个试件均在现场制作3个l50mmxl50ram|50mm的混凝土标准试块.与试件相同条件下养护28天.板中钢筋采用HPB235热轧钢筋.柱子纵筋采用HRB335钢筋,试件的配筋以及通过试验得到的混凝土与钢筋的力学指标见图1和表2.表2钢筋和混凝土的材料力学性能试件号N/mm:)E0(N,mm2)直径fr(N/mm:)ED(N,mm2)INCl32.103.02xlo4l03622.02xl05INC232.893.07xlo483352.10xl05INC333.463.07xlo41.2支承情况柱子下端铰支,垂直于加载方向的板边为简支.另外两边为自由.简支边是这样实现的:在
6、板的每一简支边内侧各预留了4个洞口,以便穿过螺栓.并在上,下板面都放置了100mm宽的钢板.如图2.在板上表面与顶部钢板之间以及板的下表面与支承钢梁之间各垫一根圆钢管,顶部钢板与支承钢梁下翼缘间用螺栓连接.支承钢梁则与固定在地槽上的两个钢墩连接.如图3所示.14厚钢板图3板简支边构造图1.3加载制度和量测内容.在柱顶施加水平低周反复荷载.其方向与板的简支边垂直.试验装置为100t反力墙和液压伺服控制系统.试件INC2和INC3屈服前采用变幅值荷载控制加载,每级荷载增量为2kN,按正向加载一卸载为零一反向加载一卸载为零的顺序循环加载.每级荷载循环一次.柱顶水平位移屈服值是通过柱截面的板内受拉钢筋
7、达到屈服时所测得的柱顶水平位移为准的.屈服后采用位移控制加载.取屈服时的柱顶的水平位移为v.则按Ay,2Ay,3Ay逐级加载,在每级变形值下循环3次,直至荷载值低于最大荷载值的85%时,则认为试件破坏.试件INCl则一直采用荷载控制加载.在浇筑试件前,首先将板钢筋贴好应变片.并用环氧包裹,用于测试板中钢筋的应变值.在柱顶设置位移计.通过控制系统获得荷载一位移滞回曲线.2主要试验结果2.1受力全过程试验表明.试件从开始加载到破坏的全过程中.分为三个受力阶段:未裂阶段,裂缝阶段,破坏阶段.试件INC1属于冲切破坏形态.试件INC3属于弯曲破坏形态.INC2则同时具有弯曲和冲切破坏特征.各试件的受力
8、全过程分述如下:(1)试件INC1当第七循环拉力达到14kN时.在与柱外侧交接的上部板面处出现细微裂缝.其方向近似垂直于加载方向.随着荷载的继续增加.上部板面交替的出现了径向和环向裂缝,同时.垂直于加载方向的径向裂缝不断向板两侧伸展.当拉力达到46kN时,通过柱截面的板中上层纵向受拉钢筋屈服.此后.继续以荷载控制加载.当荷载达到52kN时,试件发生冲切破坏.破坏后在弯曲中心轴的一侧,与柱邻近的板区域混凝土剥落.露筋.在混凝土剥落处通过柱截面的板顶钢筋向上弯折.裂缝还未完全贯通板厚.(2)试件INC2当第七循环推力达到14kN时开裂.在与柱外侧交接的上部板面处出现细微裂缝.其方向近似垂直于加载方
9、向.当第八循环拉至16kN时.柱的内侧也出现与加载方向垂直的裂缝.同时板底也出现类似的裂缝.随着荷载的增大.这两条裂缝不断向两侧伸展.宽度也不断增大.当拉力达到36kN时.通过柱截面的板中上层纵向受拉钢筋屈服.当位移控制加载循环还未达到2Ay时试件发生冲切破坏.破坏后在弯曲中心轴的一侧.与柱邻近的板区域混凝土剥落.同时.弯曲裂缝已经完全贯通板厚,裂缝宽度已经很大.试件的破坏同时具有弯曲破坏和冲切破坏的特征.(3)试件INC3当第八循环推力达到16kN时开裂.此时上部板面与柱内侧的交接处出现细微裂缝.该裂缝近似垂直与加载方向.当第八循环拉至16kN时,柱的内侧也出现与加载方向垂直的裂缝.同时板底
10、也出现类似的裂缝.随着荷载的增加.这两条裂缝交替不断的向两侧伸展.宽度也不断增加.当拉力达到26kN时候通过柱截面的板中上层纵向受拉钢筋屈服.当位移控制加载循环至5v时,试件破坏.破坏后柱外侧和内侧形成了两条完全贯通板厚的主裂缝.具有明显的弯曲破坏特征.各试件的试验结果见表3.表3主要试验结果屈服荷载及最大荷载及破坏荷载及试件对应位移对应位移对应位移编号荷载位移荷载位移荷载位移(kN)(mm)(kN)(mm)(kN)(mm)INCl52.2l8.252.2l8.2INC236l1-344.920-344.920I3INC3268.8238.4l7.532.636.7江苏建筑2006年第1期(总
11、第104期)312.2荷载一柱顶位移滞回曲线各试件的荷载一柱顶位移滞回曲线如图4图6所示.所有试件的滞回曲线较狭长,卸载后的残余变形较小.有明显的捏缩现象,曲线呈反S型,耗能能力差,即抗震性能差.6O4O22O.撂一2O一4O一6O疆一402OO2O40位移(mm)图4试件INC1的滞回曲线6040,20互0挥一204060Z握,ll,一604020020406O位移(mm)图5试件INC2的滞回曲线,曩,.I6O一4O一2OO2O4O6O位移(mil1)图6试件INC3的滞回曲线滞回曲线的捏缩现象反映了试件在加载后期刚度增大,而卸载后期刚度下降的现象.这是因为在正向加载后期,因加载产生的裂缝
12、尚未闭合,板的抗弯刚度主要由板中钢筋的骨架提供,刚度较小.而反向加载后期.裂缝逐渐闭合,混凝土参与工作.从而试件的刚度增大.试件INC3在达到最大荷载后,承载力随着位移的增大而下降,表现出较好的延性:而试件INC1,INC2在达到最大荷载后,发生脆性破坏,承载力骤降.2.3板柱节点的延性与耗能板柱节点低周反复荷载抗震性能试验的延性系数可定义为极限位移与屈服位移之比Ix=Au/Ay.屈服位移v按荷载一位移曲线有明显转折时的转折点取值.当荷载一位移曲线无明显屈服点,从而不易确定屈服荷载和相应的位移时,一般可通过问接的方法确定屈服点,常用的方法有:等能量法,派克法,图解法l1.随着荷载的增加.板柱节
13、点的板中受拉钢筋沿着板宽逐渐屈服.因此在荷载位移曲线上没有明显的转折.panf针对板柱节点提出了一种确定屈服点的简化方法.本文采用这种方法来确定屈服位移.所得到的各试件的延性系数见表4.可以看出,节点发生冲切破坏试件的延性要比发生弯曲破坏的要差.与有关试验资料I31的比较可看出.板柱节点的延性较梁柱节点要差在反复荷载作用下.板柱节点的刚度随加载循环次数的增加而逐步降低.构件的加载曲线与位移轴所围面积表示.构件吸收能量的大小,构件的卸载曲线与位移轴所围面积表示构件释放能量的多少.而荷载循环一周后滞回环内所围面积则表示构件的耗能多少.本文采用等效粘滞阻尼系数h来表达节点的耗能能力.由于所选取的滞回
14、环不同,每个循环下所得到的等效粘滞阻尼下系数h也不同.此处采用极限荷载滞回环下的等效粘滞阻尼下系数h.各试件的等效粘滞阻尼系数见表4.钢筋混凝土梁柱节点的等效粘滞阻尼系数h一般在0.10.2之间.从表4中可以看出板柱节点的等效粘滞阻尼下系数h比梁柱节点的小得多,可见,板柱节点的耗能能力是比较低的.因此.板柱结构抗震性能差.不仅是因为它的侧向刚度小,而且还由于其节点的抗震性能也比较差的缘故表4试件的延性系数和等效粘滞阻尼系数INC1INC2INC3INC4fINC5f延性系数1.541.932.733.043.05等效粘滞阻尼数h0.O670.0580.0950.0940.O923有限元程序分析
15、为了与本文中板柱结构中柱节点在水平低周反复荷载作用下的试验结果进行对比和校核.采用有限元程序Ansys对试验模型进行弹塑性有限元分析.3.1单元选取与材料定义(1)混凝土单元I5:混凝土采用三维八节点的六面体单元Solid65.该单元具有八个节点.每个节点有三个自由度,即X,Y.Z三个方向的线位移.Solid65单元可以对材料进行非线性处理,可以模拟混凝土的开裂(-个正交方向1,压碎,塑性变形及徐变.(2)钢筋单元:钢筋采用三维杆单元Unk8.该单元是三维杆轴方向的拉,压单元,不承受弯矩.每个节点具有沿节点坐标X,Y,Z方向平动的3个自由度.钢筋单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力刚化,大变形,大应
16、变等功能.3.2混凝土和钢筋的处理方式建立模型时,不考虑混凝土和钢筋之间滑移.将两种单元的对应节点的自由度进行耦合,使其具有相同的自由度.为了建模和划分网格的方便,不考虑混凝土保护层.3.3材料本构关系f1)混凝土本构关系采用规范推荐的简化的应力一应变关系式I61:当ss.时1一1一(1)当80<8s时(2)eo=0.oo2+0.5(f-5O)xlO(3)s=0.0033一(.k一50)x10(4)1n=2一(厶一50)(5J式中,s为混凝土的压应力和压应变i为混凝土轴如加0加32江苏建筑2006年第1期(总第104期)心抗压强度;为对应于压应力刚达到/:时混凝土的压应变,当计算的值小于
17、0.oo2时取0.002;,为正截面处于非均匀受压时的混凝土压应变,当计算的值大于0.0033时取为0.0033为混凝土立方体抗压强度标准值;n为系数.当计算的n值大于2.0时取为2.0(2)钢筋的本构关系根据实测结果.按规范所采用的本构关系将其简化为理想的弹塑性应力一应变关系.钢筋屈服前.其应力和应变成正比:钢筋屈服后,应变继续增长,应力保持不变,取钢筋的极限拉应变为0.oo1.拉,压应力一应变关系采用同一条曲线.,s,上日:(6)5,g-s.0.01日:(7)g一式中,s.为钢筋的应力和应变;,E为实测钢筋的屈服强度和弹性模量.3-4加载与求解柱顶荷载采用每级2kN分级施加节点上.方程求解
18、采用稀疏矩阵直接求解.非线性迭代的收敛准则用位移控制.适当提高收敛容差(0.01).打开自动时间步.每级荷载最多可分80个子步,如果仍不收敛则停止计算.3.5主要结果与分析根据计算结果.将试验和计算得到的试件的荷载一柱顶位移曲线进行对比(如图7图9).图7图9给出了柱顶位移同荷载的关系曲线.可见.试验值与计算值符合较好.在加载初期,由试验得出的荷载一柱顶位移曲线的斜率要稍小于计算的结果.随着荷载的增加,荷载一柱顶位移曲线斜率下降.表现出明显的非线性,但是试验的荷载一柱顶位移曲线下降的程度较计算值要严重,且此时试验值与计算值开始出现偏差.?主要原因如下:首先,由于不考虑板和柱的混凝土保护层,故模
19、型板的刚度大于实际板的刚度.因此在加载初期由计算值得到的荷载一柱顶位移曲线的斜率大于试验值;其次,在有限元分析过程中,混凝土模型的裂缝剪力传递系数始终保持不变.但实际混凝土的裂缝剪力传递系数是不断变化的,它随着混凝土裂缝开裂程度的加剧而逐步减小.建模时裂缝的开口剪力传递系数取为0-4.闭口剪力传递系数取为0.7I81.在裂缝开展初期该系数小于实际情形.而裂缝开展后期则大于实际情形.所以在裂缝开展初期.由计算值得到的荷载一柱顶位移曲线斜率小于由试验值得到的曲线,后期则大于由试验值得出的荷载一柱顶位移曲线.4结语(1)试验表明.仅承受水平荷载的中柱节点主要有弯曲破坏和冲切破坏两种破坏形态.(2)从
20、破坏后的裂缝开展情况来看.在节点核心区域不仅有弯曲作用还有扭转作用.其受力机理比较复杂.板柱节点发生弯曲破坏时表现出一定的延性和耗能能力.但要比梁柱节点差,而发生冲切破坏时的延性和耗能能力则更差.(3)板柱结构抗震性能差,不仅是因为它的侧向刚度小,而且还由于其节点本身的抗震性能也比较差的缘故.(4)由Ansys计算得出的结果和试验结果进行对比可以看出,简化的Ansys有限元分析可以较好的描述板柱节点的荷载一柱顶位移曲线的上升段.参考文献【l】唐九如.钢筋混凝土框架节点抗震.南京:东南大学出版6O5O4O3O嬉201OOO51O152O位移(111111)图7试件INC1的荷载一柱顶位移曲线5O
21、40一善.萎20lO005l0l52O位移(ram)图8试件INC2的荷载一柱顶位移曲线4O30一至20挺10OO51015位移(mm)图9试件INC3的荷载一柱顶位移曲线社.1989.【2】AustinD.MoehleJ.P.,AnExperimentalStudyofSlabcolumnConnections.ACIStructuralJournal,V.89,No.6,Nov.一Dec.1992:626638.【3】中国建筑科学研究院.混凝土结构研究报告选集(3)【M】.北京:中国建筑工业出版社.199441吴强.水平荷载作用下板柱结构的理论分析和试验研究【D1.东南大学博士学位论文,2004,8.f51陆新征,江见鲸.用ANSYSSolid65单元分析混凝土组合构件复杂应力【J.建筑结构,2003,33(6)【6】蓝宗建,梁书亭,孟少平.混凝土结构设计原理【M】.东南大学出版社.2002.4【7】混凝土结构设计规范(GB500102002)S1.中国建筑工业出版社.2oo2【8】江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析fM】.陕西科学技术出版社.1994