張 杰，龍思宇

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

為了更好地解決大型城市中用地資源不足以及交通擁堵的問(wèn)題，TOD(交通引導(dǎo)開(kāi)發(fā))模式越來(lái)越多地被運(yùn)用于城市建設(shè)當(dāng)中。該模式中地下部分為交通樞紐，上部則多為商住區(qū)，造成該結(jié)構(gòu)體系下部柱網(wǎng)跨度大而上部柱網(wǎng)較密，需要設(shè)置存在該類(lèi)異型節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換層。為明確節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理和承載能力，建立相應(yīng)的理論體系，完善設(shè)計(jì)方法，需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)異型節(jié)點(diǎn)的研究還處在探索階段。對(duì)于RC節(jié)點(diǎn)，白國(guó)良[1]進(jìn)行了8組鋼筋混凝土異型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，提出由截面較小的梁柱決定“小核芯”的概念，認(rèn)為框架異型節(jié)點(diǎn)的承載能力取決于節(jié)點(diǎn)的“小核芯”；張淑云[2]等對(duì)9個(gè)異型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究并提出了異型節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算公式；吳濤[3]針對(duì)火力發(fā)電廠(chǎng)中存在的高梁變截面柱構(gòu)成的異型邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明該類(lèi)節(jié)點(diǎn)初裂荷載和極限荷載明顯低于常規(guī)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于SRC節(jié)點(diǎn)，周長(zhǎng)斌[4]、李超[5]、李晨[6]、楊曉麗[7]等人研究了剪力墻對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，軸壓力的有利作用以及節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁柱截面變化對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，并對(duì)SRC異型節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理和承載力計(jì)算方法進(jìn)行研究和分析，提出了抗剪承載力計(jì)算公式。

針對(duì)轉(zhuǎn)換層中出現(xiàn)的該類(lèi)異型節(jié)點(diǎn)，本文按照“強(qiáng)構(gòu)件，弱節(jié)點(diǎn)”的原則設(shè)計(jì)了多組的SRC及RC異型節(jié)點(diǎn)模型，并對(duì)其進(jìn)行了非線(xiàn)性有限元分析。根據(jù)有限元分析結(jié)果，明確了異型節(jié)點(diǎn)在受力機(jī)理和失效模式上的特征，分析了梁柱截面變化對(duì)失效模式與承載能力的影響，對(duì)比了SRC與RC異型節(jié)點(diǎn)的異同。

1 異型節(jié)點(diǎn)模型

1.1 節(jié)點(diǎn)尺寸及配筋

根據(jù)某轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的異型節(jié)點(diǎn)，按照1∶4的縮尺比得到原型節(jié)點(diǎn)RC-1與SRC-1。在原型節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，保持配筋率不變，改變上柱與右梁的截面尺寸設(shè)計(jì)了其余的異型節(jié)點(diǎn)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 原型節(jié)點(diǎn)尺寸及配筋(RC-1與SRC-1) mm

1.2 有限元模型

節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，單元類(lèi)型為八節(jié)點(diǎn)六面體單元(C3D8R)，材料屬性采用Abaqus中的塑性損傷模型。其受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系根據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]得到如圖1所示應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)?；炷潦芾瓌t采用應(yīng)變能定義，據(jù)歐洲規(guī)范[9]：Gf=α(0.1fc)0.7。

表2 其余節(jié)點(diǎn)變化參數(shù) mm

圖1 混凝土單軸應(yīng)力-變曲線(xiàn)

節(jié)點(diǎn)縱筋與箍筋均采用HRB335，SRC節(jié)點(diǎn)中的型鋼強(qiáng)度等級(jí)為Q345。鋼筋單元類(lèi)型為兩結(jié)點(diǎn)空間線(xiàn)性梁?jiǎn)卧?B31)，型鋼單元類(lèi)型為八節(jié)點(diǎn)六面體單元(C3D8R)。鋼材本構(gòu)關(guān)系為帶強(qiáng)化階段的彈塑性模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如式(1)所示。

(1)

1.3 模型網(wǎng)格劃分

本節(jié)點(diǎn)應(yīng)用分離式的方法建模，混凝土與型鋼均用實(shí)體單元建模而鋼筋則采用梁?jiǎn)卧??；炷僚c型鋼幾何上為一整體，切割后分別賦予材料，鋼筋則內(nèi)置于混凝土當(dāng)中。本文分析中單元最大尺寸為20mm×20mm×20mm。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意

1.4 邊界條件與荷載

由于該異型節(jié)點(diǎn)的特殊性，將傳統(tǒng)加載模式的單推上柱改為上下柱端同時(shí)施加水平位移荷載。為保證各構(gòu)件保持達(dá)到極限承載能力的時(shí)間大致相同，需要按照上下柱端等轉(zhuǎn)角的原則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單調(diào)加載?？紤]節(jié)點(diǎn)的非對(duì)稱(chēng)性，需要逆時(shí)針與順時(shí)針兩種加載工況。區(qū)別于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，本節(jié)點(diǎn)為超靜定的邊界條件。加載方式與邊界條件如圖3所示。

(a)逆時(shí)針加載

2 有限元結(jié)果及分析

2.1 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞驗(yàn)證

為了研究節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載能力，要保證“強(qiáng)構(gòu)件，弱節(jié)點(diǎn)”即不允許構(gòu)件先于核心區(qū)發(fā)生破壞，需要驗(yàn)算單個(gè)構(gòu)件的極限承載力大于其在節(jié)點(diǎn)模型中的極限反力。以SRC-1為例，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)件極限承載力與其極限反力對(duì)比如表3所示。經(jīng)計(jì)算，所有節(jié)點(diǎn)模型均為“強(qiáng)構(gòu)件，弱節(jié)點(diǎn)”。

表3 節(jié)點(diǎn)內(nèi)構(gòu)件反力與單構(gòu)件承載力比較

2.2 節(jié)點(diǎn)失效模式分析

對(duì)于常規(guī)節(jié)點(diǎn)，其失效模式為經(jīng)典的混凝土斜壓桿理論，在剪力作用下，混凝土主拉應(yīng)力方向開(kāi)裂而主壓應(yīng)力方向形成“斜壓桿”抗剪。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，斜壓桿抗剪仍適用于異型節(jié)點(diǎn)。不同于常規(guī)節(jié)點(diǎn)的矩形柱狀斜壓桿，由于小柱與小梁的受壓區(qū)位置影響，異型節(jié)點(diǎn)會(huì)形成錐狀甚至是雙斜壓桿(圖4)。

(a)常規(guī)節(jié)點(diǎn)與異型節(jié)點(diǎn)斜壓桿形成示意

由于節(jié)點(diǎn)的非對(duì)稱(chēng)性，不同加載方向會(huì)形成非對(duì)稱(chēng)的受壓區(qū)，進(jìn)而逆時(shí)針加載時(shí)出現(xiàn)較明顯的雙斜壓桿，而順時(shí)針則出現(xiàn)錐狀斜壓桿。以SRC-1為例，不同加載方向時(shí)斜壓桿情況如圖5所示。

(a)逆時(shí)針與順時(shí)針加載斜壓桿示意

以SRC-1與RC-1為例對(duì)比SRC異型節(jié)點(diǎn)與RC異型節(jié)點(diǎn)的云圖(圖6)，RC節(jié)點(diǎn)由于無(wú)型鋼作用，雙斜壓桿均勻筆直，傳力路徑清晰。SRC節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土在型鋼翼緣所形成框架作用下，斜壓桿明顯在翼緣框架內(nèi)發(fā)生變形，由類(lèi)似于RC節(jié)點(diǎn)的直桿向兩側(cè)擴(kuò)散形成弧形斜壓桿。

圖6 SRC與RC異型節(jié)點(diǎn)斜壓桿對(duì)比

各節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時(shí)混凝土最小主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)云圖如圖7所示。對(duì)比SRC-1與SRC-2、RC-1與RC-2可見(jiàn)擴(kuò)大上柱截面，斜壓桿分布更寬；對(duì)比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3可見(jiàn)右梁截面高度增加使雙斜壓桿間距增加且更加陡峭。

2.3 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力計(jì)算方法

節(jié)點(diǎn)整體受力模型見(jiàn)圖8(a)，核心區(qū)受力簡(jiǎn)化見(jiàn)圖8(b)。以節(jié)點(diǎn)核心區(qū)為對(duì)象，根據(jù)平衡可求得1-1截面剪力，公式如下：

Vj=Vu-Tr-Cl

(2)

Tr=VrL2/hw2

(3)

Cl=VlL1/hw1

(4)

式中：Vj為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力；Tr為右梁作用于核心區(qū)水平拉力；Cl為左梁作用于核心區(qū)水平壓力；L1L2為左梁與右梁長(zhǎng)度；VuVrVl為各支座支反力；hw1為左梁截面有效高度，對(duì)SRC節(jié)點(diǎn)取型鋼翼緣重心間距，對(duì)RC節(jié)點(diǎn)取縱筋重心間距；hw2為右梁截面有效高度，取縱筋重心間距。

圖7 各異型節(jié)點(diǎn)混凝土應(yīng)力云

2.4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

不同節(jié)點(diǎn)下柱端反力位移曲線(xiàn)如圖9所示。

(a)節(jié)點(diǎn)整體受力

圖9 不同節(jié)點(diǎn)下柱端反力位移曲線(xiàn)

對(duì)比逆時(shí)針與順時(shí)針加載時(shí)的曲線(xiàn)，可見(jiàn)由于節(jié)點(diǎn)的非對(duì)稱(chēng)性，雖然下柱端極限位移較接近，但不同加載方向水平極限反力有明顯差距。

對(duì)比SRC節(jié)點(diǎn)與RC節(jié)點(diǎn)，SRC節(jié)點(diǎn)由于存在型鋼，其極限反力明顯大于RC節(jié)點(diǎn)。觀察曲線(xiàn)趨勢(shì)，可見(jiàn)由于鋼材強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土，缺少型鋼的RC節(jié)點(diǎn)后期承載力下降明快于SRC節(jié)點(diǎn)。

對(duì)比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3，發(fā)現(xiàn)增加右梁截面高度，下柱端水平極限反力有所提高。說(shuō)明增加小梁截面高度會(huì)增大下柱承受的彎矩。對(duì)比SRC-1與SRC-2與SRC-4以及RC-1與RC-2與RC-4，可見(jiàn)上柱截面增大而下柱水平極限反力下降。這是由于截面增大后小柱會(huì)承擔(dān)更多的荷載。

由前文所述核心區(qū)剪力計(jì)算公式，算得各節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力見(jiàn)表4。分析結(jié)果表明：

(1)對(duì)比SRC-1與SRC-4、RC-1與RC-4，由于上柱與右梁未配置型鋼，SRC異型節(jié)點(diǎn)抗剪承載力明顯低于常規(guī)節(jié)點(diǎn)，而RC異型節(jié)點(diǎn)承載力未見(jiàn)明顯下降；

(2)觀察各節(jié)點(diǎn)在不同加載方向時(shí)的抗剪承載力，發(fā)現(xiàn)順時(shí)針加載時(shí)的極限剪力要比逆時(shí)針加載高出10 %～15 %。由前文可知不同的加載方向會(huì)形成不同形式的斜壓桿，傳力路徑的改變導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力出現(xiàn)差別；

(3)由于型鋼腹板具有較強(qiáng)的抗剪能力，SRC節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力較RC節(jié)點(diǎn)高出一倍以上；

(4)對(duì)比SRC-1與SRC-2、RC-1與RC-2，擴(kuò)大上柱截面導(dǎo)致核心區(qū)受剪面有效寬度增加，從而提高了節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。對(duì)比SRC-1與SRC-3、RC-1與RC-3，雖然右梁截面變高，但節(jié)點(diǎn)抗剪承載力卻有所降低。這是由于在一定范圍內(nèi)增加右梁高度會(huì)使斜壓桿變陡，不利于核心區(qū)混凝土抗剪。

表4 各節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力計(jì)算結(jié)果 kN

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)8組節(jié)點(diǎn)的有限元模擬，分析了SRC與RC異型節(jié)點(diǎn)在失效模式與抗剪承載力上各自的特征，得出以下主要結(jié)論：

(1)不同于常規(guī)節(jié)點(diǎn)的柱狀斜壓桿，異型節(jié)點(diǎn)在不同的加載方向下核心區(qū)會(huì)形成錐形斜壓桿與雙斜壓桿，并且其抗剪承載力也會(huì)有明顯區(qū)別。

(2)SRC異型節(jié)點(diǎn)由于型鋼翼緣的作用，其斜壓桿在RC異型節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)生了變形和擴(kuò)散，形成了弧形的斜壓桿。且型鋼的存在也明顯提高了異型節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力。

(3)增加異型節(jié)點(diǎn)中小柱的寬度會(huì)提高節(jié)點(diǎn)的抗剪性能，而增加小梁高度導(dǎo)致斜壓桿變陡時(shí)這對(duì)混凝土抗剪不利。

該類(lèi)異型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式與傳力機(jī)理復(fù)雜，本文僅研究了幾組參數(shù)的影響，且局限于有限元模擬，為了建立該類(lèi)異型節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法，尚需進(jìn)行廣泛參數(shù)的試驗(yàn)和理論分析研究。