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考慮樓板效應的外環板式梁柱節點抗彎承載力

王玲玲 牟犇 林旭川 河野昭彥

王玲玲, 牟犇, 林旭川, 河野昭彥. 考慮樓板效應的外環板式梁柱節點抗彎承載力[J]. 工程科學學報, 2019, 41(6): 824-833. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.015
引用本文: 王玲玲, 牟犇, 林旭川, 河野昭彥. 考慮樓板效應的外環板式梁柱節點抗彎承載力[J]. 工程科學學報, 2019, 41(6): 824-833. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.015
WANG Ling-ling, MOU Ben, LIN Xu-chuan, KAWANO Akihiko. Flexural capacity of beam-to-column joints with external diaphragm considering the slab effect[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(6): 824-833. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.015
Citation: WANG Ling-ling, MOU Ben, LIN Xu-chuan, KAWANO Akihiko. Flexural capacity of beam-to-column joints with external diaphragm considering the slab effect[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(6): 824-833. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.015

考慮樓板效應的外環板式梁柱節點抗彎承載力

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.015
基金項目: 

國家重點研發計劃資助項目 2017YFC1500605

國家自然科學基金資助項目 51678542

中國博士后面上資助項目 2017M612226

詳細信息
    通訊作者:

    牟犇, E-mail: mouben98@163.com

  • 中圖分類號: TU392.3

Flexural capacity of beam-to-column joints with external diaphragm considering the slab effect

More Information
  • 摘要: 樓板的存在對梁柱節點的局部受力影響顯著, 在梁柱節點設計中, 若僅僅把樓板與鋼梁的組合效應作為安全儲備, 可能會產生結構由"強柱弱梁"轉變成"強梁弱柱"的顛覆性結果, 因此忽略混凝土樓板對節點承載力及剛度的影響是造成破壞的重要原因.基于已完成的帶樓板的T型梁柱節點低周往復荷載試驗, 建立了非線性有限元分析模型.為了更加全面地了解鋼梁-樓板組合節點的工作機制, 進一步補充完善試驗研究的不足, 模型考慮了樓板與鋼梁之間的栓釘連接以及材料非線性等因素, 模型的計算結果與試驗結果具有高吻合度.在此基礎上, 通過有限元參數分析, 詳細分析了構件尺寸效應、軸壓比、樓板厚度、樓板強度和柱寬厚比共五個參數對考慮樓板影響的外環板式梁柱節點抗震性能的影響.結果表明尺寸效應、軸壓比對梁端抗彎承載力及剛度的影響小到可以忽略, 樓板厚度、樓板強度和柱寬厚比對梁端抗彎承載力有顯著影響.結合理論分析進一步提出了考慮樓板影響的外環板式梁柱節點梁端抗彎承載力計算公式, 通過對比公式計算結果與試驗、有限元分析結果可得, 該計算公式可較好的計算帶樓板外環板式梁柱節點梁端抗彎承載力.

     

  • 圖  1  有限元模型

    Figure  1.  Finite element model

    圖  2  混凝土本構關系

    Figure  2.  Constitutive relation of concrete

    圖  3  混凝土損傷定義

    Figure  3.  Cracking damage of concrete

    圖  4  滯回曲線對比.(a) ST-W/O; (b) ST-W

    Figure  4.  Comparison of hysteretic curves: (a) ST-W/O; (b) ST-W

    圖  5  骨架曲線對比.(a) ST-W/O; (b) ST-W

    Figure  5.  Comparison of skeleton curves: (a) ST-W/O; (b) ST-W

    圖  6  尺寸對梁端抗彎承載力的影響

    Figure  6.  Effect of specimen size on the flexural capacity

    圖  7  不同軸壓比下節點梁端彎矩-轉角曲線

    Figure  7.  Effect of axial-load ratio on the flexural capacity

    圖  8  不同樓板厚度下梁端彎矩-轉角曲線

    Figure  8.  Effect of slab thickness on the flexural capacity

    圖  9  不同樓板強度梁端彎矩-轉角曲線

    Figure  9.  Effect of slab concrete strength on flexural capacity

    圖  10  不同方鋼管壁寬厚比梁端彎矩-轉角關系曲線

    Figure  10.  Effect of D/t on the flexural capacity

    圖  11  不同寬厚比下節點域應力云圖.(a) D/t=50; (b) D/t=40; (c) D/t=33; (d) D/t=29; (e) D/t=25; (f) D/t=22

    Figure  11.  Effect of D/t on Von Mises stress of panel zone: (a) D/t=50; (b) D/t=40; (c) D/t=33; (d) D/t=29; (e) D/t=25; (f) D/t=22

    圖  12  不同寬厚比下節點域等效塑性應變圖.(a) D/t=50; (b) D/t=40; (c) D/t=33; (d) D/t=29; (e) D/t=25; (f) D/t=22

    Figure  12.  Effect of D/t on equivalent plastic strain of panel zone: (a) D/t=50; (b) D/t=40; (c) D/t=33; (d) D/t=29; (e) D/t=25; (f) D/t=22

    圖  13  計算簡化模型.(a) VpFc, eff; (b) Vp > Fc, eff

    Figure  13.  Analysis model: (a) VpFc, eff; (b) Vp > Fc, eff

    圖  14  外環板破壞機構示意圖

    Figure  14.  Failure modes of external diaphragm

    圖  15  外環板的梁柱連接節點的結構示意圖

    Figure  15.  Details of beam-to-column joint with external diaphragm

    表  1  試驗和有限元的初期剛度、屈服點和塑性點對比

    Table  1.   Comparison of initial shear stiffness, yield moment, and plastic moment

    試件編號 加載方向 初始剛度/(kN·m·rad-1) 屈服強度/(kN·m) 塑性強度/(kN·m)
    試驗值 數值模擬 誤差/% 試驗值 數值模擬 誤差/% 試驗值 數值模擬 誤差/%
    ST-W/O 正向 20498 21202 3.43 170 175 2.94 209 224 7.18
    負向 23653 21744 7.72 159 168 5.66 212 213 0.47
    ST-W 正向 41737 43577 4.41 186 202 8.60 236 250 5.93
    負向 24717 26024 5.29 167 183 9.58 216 232 7.41
    下載: 導出CSV

    表  2  試件計算模型參數

    Table  2.   Details of parametric studies

    模型編號 方鋼管/(mm × mm × mm) 梁/(mm × mm × mm × mm) 方鋼管柱寬,D/mm 軸壓比,n 樓板厚度,ts/mm 樓板強度等級 柱寬/厚比,D/t
    1#(ST-W/O) 200×200×9 300×120×6×12 200 0 0 C40 22
    2#(ST-W) 200×200×9 300×120×6×12 200 0 85 C40 22
    3# 250×250×9 375×150×7.5×15 250 0 85 C40 22
    4# 300×300×13.5 450×180×9×18 300 0 85 C40 22
    5# 400×400×18 600×240×12×24 400 0 85 C40 22
    6# 200×200×9 300×120×6×12 200 0.2 85 C40 22
    7# 200×200×9 300×120×6×12 200 0.4 85 C40 22
    8# 200×200×9 300×120×6×12 200 0.6 85 C40 22
    9# 200×200×9 300×120×6×12 200 0.8 85 C40 22
    10# 200×200×9 300×120×6×12 200 0 60 C40 22
    11# 200×200×9 300×120×6×12 200 0 100 C40 22
    12# 200×200×9 300×120×6×12 200 0 120 C40 22
    13# 200×200×9 300×120×6×12 200 0 85 C20 22
    14# 200×200×9 300×120×6×12 200 0 85 C30 22
    15# 200×200×9 300×120×6×12 200 0 85 C60 22
    16# 200×200×9 300×120×6×12 200 0 85 C80 22
    17# 200×200×8 300×120×6×12 200 0 85 C40 25
    18# 200×200×7 300×120×6×12 200 0 85 C40 29
    19# 200×200×6 300×120×6×12 200 0 85 C40 33
    20# 200×200×5 300×120×6×12 200 0 85 C40 40
    21# 200×200×4 300×120×6×12 200 0 85 C40 50
    下載: 導出CSV

    表  3  不同尺寸試件在性能點的梁端抗彎承載力

    Table  3.   Effect of specimen size on the moment-rotation behavior

    試件編號 柱寬,D/mm 加載方向 K0FEM/(kN·rad-1) θyFEM/rad MyFEM/(kN·m) θpFEM/rad MpFEM/(kN·m)
    5# 400 正向 336867 0.0049 1621 0.0090 1859
    負向 197502 0.0060 1456 0.0095 -1732
    4# 300 正向 141683 0.0055 671 0.0093 754
    負向 87631 -0.0088 -609 0.0142 -675
    3# 250 正向 82665 0.0064 387 0.0102 464
    負向 49367 -0.0090 -355 -0.0151 -393
    2# 200 正向 43577 0.0056 202 0.0097 250
    負向 26024 -0.0090 -183 -0.0157 -216
    下載: 導出CSV

    表  4  不同尺寸下的單位截面抗彎系數梁端抗彎承載力的比值

    Table  4.   Effect of specimen size on M23, M24and M25

    單位截面抗彎系數梁端抗彎承載力比值 正向荷載 負向荷載
    屈服點 塑性點 屈服點 塑性點
    M23 0.98 0.95 0.99 0.93
    M24 0.98 0.89 0.99 0.93
    M25 1.00 0.93 0.99 1.00
    下載: 導出CSV

    表  5  樓板強度等級

    Table  5.   Slab concrete strength

    強度等級 立方體抗壓強度標準值,fcu, k/MPa 抗壓強度,fc/MPa
    C20 20 9.6
    C30 30 14.3
    C40 40 21.1
    C60 60 23.1
    C80 80 35.9
    下載: 導出CSV

    表  6  塑性點彎矩計算值與試驗值/有限元值對比

    Table  6.   Comparison of calculation results with experiment or FEM results

    參數名稱 參數值 正向加載 負向加載
    MpCAL/(kN·m) MpEXPMpFEM/(kN·m) MpCAL/MpEXPMpCAL/MpFEM MpCAL/(kN·m) MpEXPMpFEM/(kN·m) MpCAL/MpEXPMpCAL/MpFEM
    ST-W/O* 198.1 209.0 0.95 198.1 212.0 0.93
    ST-W** 231.5 236.0 0.98 198.1 216.0 0.92
    樓板厚度,ts/mm 60 216.9 224.5 0.97 198.1 186.6 1.06
    85 231.4 236.0 0.98 198.1 216.0 0.92
    100 236.6 266.0 0.89 198.1 199.8 0.99
    120 243.4 287.0 0.85 198.1 203.2 0.97
    樓板混凝土強度等級 C20 215.2 204.1 1.05 198.1 196.9 1.01
    C30 223.8 220.0 1.02 198.1 196.6 1.01
    C40 231.5 236.0 0.98 198.1 216.0 0.92
    C60 231.5 264.5 0.87 198.1 199.0 1.00
    C80 231.5 270.4 0.86 198.1 198.4 1.00
    柱寬厚比,D/t 22 231.5 236.0 0.98 198.1 216.0 0.92
    25 219.6 231.7 0.95 188 198.1 0.95
    29 208.8 215.7 0.97 178.7 183.4 0.97
    33 199.2 204.0 0.98 170.5 173.1 0.98
    40 190.8 176.9 1.08 163.3 152.2 1.07
    50 183.7 164.7 1.12 157.3 141.5 1.11
    ??注: ***為實驗.
    下載: 導出CSV
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  • 加載中
圖(15) / 表(6)
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  • 收稿日期:  2018-05-16
  • 刊出日期:  2019-06-01

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