熊維建 蘇小卒

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點是一個重要部位,它在框架結(jié)構(gòu)中起著連接梁柱、傳遞和分配內(nèi)力、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的變形、保證結(jié)構(gòu)整體性的作用。節(jié)點是個薄弱環(huán)節(jié),如果節(jié)點破壞可能會導致結(jié)構(gòu)整體倒塌這樣的嚴重災害,所以對鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點進行深入的理論研究是十分必要的。一方面鋼筋混凝土框架節(jié)點處于梁柱交匯處,再加上直交梁和樓板等因素的影響,受力復雜,分析困難?，F(xiàn)在很多用于研究框架結(jié)構(gòu)空間節(jié)點的拉壓桿模型是簡化為平面的拉壓桿模型,這種使得分析簡單許多的簡化有其合理性。但是如果想更加全面的分析其受力機理,還得從其實際的空間情況來研究。

1 框架節(jié)點運用拉壓桿研究現(xiàn)狀

我國規(guī)范[9]的節(jié)點強度設(shè)計公式是建立在試驗基礎(chǔ)上的經(jīng)驗公式。經(jīng)驗公式自然有它的局限性,經(jīng)驗公式的不少參數(shù)是由試驗數(shù)據(jù)回歸得到的,同時又由于試件數(shù)量有限,所以有一定的適用范圍。節(jié)點屬于D區(qū)構(gòu)件,因此拉壓桿理論能夠得到應用。拉壓桿模型可以在結(jié)構(gòu)分析中建立起便于計算的模型,因此在框架節(jié)點的研究計算中不失為一種很好的方法。拉壓桿模型這一概念最早可以追溯到Van Dusen于柱節(jié)點應用的拉壓桿模式[12]。福州大學的季韜等[10]也推導了一套通過驗算節(jié)點核心區(qū)混凝土抗壓強度和鋼筋抗拉強度來進行節(jié)點設(shè)計的方法,這種方法是基于鋼筋混凝土軟化析架模型的。該方法充分利用了節(jié)點核心區(qū)混凝土的強度,通過6個梁柱節(jié)點計算值與試驗值的比較,同時將此節(jié)點設(shè)計方法與GBJ 10-89混凝土設(shè)計規(guī)范的節(jié)點設(shè)計方法比較。歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范Eurocode2[6]關(guān)于框架節(jié)點的拉壓桿模型為角節(jié)點的情況,其沒有考慮梁柱剪力。其他的研究還有學者通過對無粘結(jié)預應力混凝土扁梁框架節(jié)點理論分析和擬靜力試驗,證明采用變角空間析架模型模擬外核心區(qū)受力機理的合理性并推導出考慮附加扭矩作用下的外核心區(qū)抗剪公式[11]。

2 空間節(jié)點的拉壓桿模型方法

拉壓桿模型計算方法是混凝土結(jié)構(gòu)受力本質(zhì)的抽象和概括。隨著計算機和有限元方法在工程中的大量應用,為保證工程設(shè)計的足夠精度,同時避免直接利用有限元計算,受力概念清晰的拉壓桿模型方法就顯得尤為重要了。與此同時,建立拉壓桿模型也離不開有限元,需要用有限元對混凝土結(jié)構(gòu)的主應力跡線進行分析和指導,尤其是結(jié)構(gòu)或受力復雜的情況。拉壓桿模型方法抓住了結(jié)構(gòu)的受力本質(zhì),是有限元在工程中的簡化計算方法,因其受力概念明確,有利于在工程設(shè)計中應用。拉壓桿理論是對D區(qū)構(gòu)件或部分區(qū)域進行分析的結(jié)果與工程實際所得到的結(jié)果更為接近。它能讓設(shè)計者更清楚地認識該區(qū)域的傳力機制,并提供定量的配筋設(shè)計方法,傳統(tǒng)設(shè)計方法不能很好解決構(gòu)造區(qū)域的配筋設(shè)計,并且結(jié)果更加合理安全。因而拉壓桿理論在工程設(shè)計與研究中得到廣泛應用。

2.1 ANSYS中的單元Solid 65于本研究的使用方法

為了便于使用者應用,ANSYS軟件內(nèi)部設(shè)定了專門面對混凝土材料的三維實體單元形式Solid 65,并建立了三維情況下混凝土的破壞準則,提供了很多缺省參數(shù),從而為使用者提供了很大的方便。此外,ANSYS軟件本身所擁有的大量單元形式,可以很方便的讓使用者建立混凝土和其他材料之間的共同工作模型,因此在很多實際問題中都取得了成功應用[1,4]。單元Solid 65是加入了混凝土的三維強度準則的實體單元模型。由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型,它可以在三維空間的不同方向分別設(shè)定鋼筋的位置、角度、配筋率等參數(shù)。

2.2 混凝土的破壞形態(tài)

框架節(jié)點的三種典型的破壞方式：1)在梁端或者柱端受拉鋼筋屈服前節(jié)點發(fā)生剪切破壞;2)在梁端或者柱端受拉鋼筋屈服到喪失正截面承載力(受壓區(qū)混凝土壓碎)之間,隨著節(jié)點交替變形逐步增大,節(jié)點發(fā)生剪切破壞;3)在梁端或者柱端受拉鋼筋屈服后,隨著節(jié)點交替變形逐步增大,梁端或柱端塑性鉸充分轉(zhuǎn)動,直至梁端或柱端喪失正截面承載力?；炷恋钠茐膹姸扰c它所處的應力狀態(tài)有關(guān)。一般認為混凝土在破壞之前都可視作各向同性體,因此它的破壞準則就與坐標的選擇無關(guān),混凝土材料在不同的應力狀態(tài)下,其承載能力有很大的差異。由于混凝土破壞情況復雜,在受拉或受壓較小時,破壞為開裂型的脆性斷裂,而在高靜水壓力作用下又有較大延性,表現(xiàn)為壓碎型的延性破壞。

2.3 混凝土結(jié)構(gòu)拉壓桿模型一般特征及使用事項

混凝土結(jié)構(gòu)拉壓桿模型設(shè)計計算方法根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的主應力跡線圖,用拉桿、壓桿與結(jié)點所構(gòu)成的桁架模擬結(jié)構(gòu),直接抓住了結(jié)構(gòu)的受力本質(zhì)。拉壓桿模型的理論依據(jù)是塑性原理[2],其基本假定：1)壓桿軸向受壓,拉桿軸向受拉,壓桿和拉桿的結(jié)點不受彎矩。2)由于鋼筋的作用,在結(jié)點區(qū)域產(chǎn)生拉應變,從而使得混凝土的抗壓強度降低。它在復雜的框架空間節(jié)點的建立中,可以參照有限元計算軟件得到的彈性主應力跡線來建立拉壓桿模型。拉壓桿模型設(shè)計是一個反復的過程,直到壓桿,拉桿與節(jié)點滿足要求為止。建立拉壓桿模型的原則是：壓桿不能相交,而拉桿卻可以。拉壓桿模型方法不能應用疊加原理,拉壓桿模型方法是塑性方法,屬于非線性范疇,不能應用疊加原理。而且,混凝土強度只能利用一次,不能重復利用。如何合理性的判別：按最小勢能原理,結(jié)構(gòu)的真實應力應該使總勢能取得最小值。而實際上,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的應力一般遠遠超過混凝土,應變卻基本相同,所以可以只計算鋼筋的應變能,同時最好使所建立的拉壓桿模型與彈性主應力分布較好的相符合,以滿足結(jié)構(gòu)使用性的要求[5]。

3 結(jié)語

基于大型有限元軟件ANSYS,可以建立復雜的框架空間節(jié)點的有限元模型,根據(jù)其主應力跡線,進而應用拉壓桿方法進行研究的步驟。這些理論合理程度的判別尚需要大量的框架結(jié)構(gòu)節(jié)點試驗來驗證,從而為正確設(shè)計提供更加可靠的依據(jù)。建立在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)之上的拉—壓桿模型法,能夠讓設(shè)計者對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的內(nèi)部傳力機制有一個清晰的認識,有利于在設(shè)計中使結(jié)構(gòu)性能得以充分實現(xiàn)。

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