搜索
您的当前位置:首页半刚性钢—混凝土组合节点受弯承载力的计算

半刚性钢—混凝土组合节点受弯承载力的计算

来源:世旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第24卷第5期 2002年9月 南京工业大学学报 10GY V 1.24 No.5 Sep.2002 JOURNAL OF NANJING UNIVERSITy OF T日n】 半刚性钢一混凝土组合节点受弯承载力的计算 胡夏闽 ,过轶青 ,高华杰 ,刘建平z (1.南京_T-业大学土木_T-程学院,江苏南京210009;2.南京大地建设集团,江苏南京 210013) 摘 要:在半刚性钢一混凝土组合框架中,混凝土板中的纵向钢筋增加了节点的强度和刚度,但是,传统的设计方法 往往忽略纵向钢筋的作用而采用简化的计算模型。因此,出于经济效益考虑,应该根据半刚性组合节点的实际受力 性能建立更加准确的计算方法。这里详细介绍了考虑混凝土板纵向钢筋作用的半刚性组合节点受弯承栽力的计算 方法,计算结果表明,建议的公式与试验结果吻合良好,可供规范制定和工程应用参考。 关键词:组合结构;半刚性节点;受弯承栽力 中图分类号: J398.9 文献标识码:A 文章编号:1671—7643(2002)05—0025—05 组合结构是一种新兴的结构形式,与钢结构相 比,它不但节约了钢材,增加了构件的刚度,而且防 系统的研究。进入80年代以后,组合结构在我国高 层建筑中得到越来越广泛的应用。但是对钢一混凝土 半刚性组合框架的研究,目前在国内还未见报道。半 刚性组合框架节点受弯承载力的计算是目前国际上 研究的热点之一。图1为几种常见的半刚性组合节 点连接形式,对其受弯承载力虽然已有不少的学者 提出了各自的计算公式,但是大都过于复杂。由于争 议较多,目前国际上还没有一个能被普遍接受的受 弯承载力计算公式r-4-7]。本文介绍了一个用简单塑 火防锈性能也较好;与混凝土结构相比,它自重轻, 施工进度快,并具有良好的延性和较高的强度。 如今在西方工业国家,组合结构的应用已较普 及,研究也较广泛r- ,并已制定了专门的组合结构的 规范I2。]。从上世纪初开始在工程中应用组合结构以 来,西方各国的学者对组合梁、组合柱等基本构件进 行了深入细致的研究,但对组合结构梁柱节点的研 究尚不够深入。 性理论推导的半刚性钢一混凝土组合节点的受弯承 载力计算公式,并与试验结果进行了比较。 我国在20世纪50年代就已经开始在工程中应 用组合结构,从70年代开始对组合结构进行了较为 一— 一  (a)角钢支托型 (b)接触板型 (c)端板型 图1半刚性组合节点的连接形式 Fig.1 Connection forms of seⅡli—rigid composite joints 收稿日期:2002—07—10 基金项目:江苏省应用基础研究项目(BJ95089),并得到了国家留学基金的资助 作者简介:胡夏闽(1958一).男.浙江安吉人,硕士,教授.主要从事组合结构、钢筋混凝土结构和钢结构的教学、科研和设计工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com 南京工业大学学报 第24卷 1 半刚性组合节点与半刚性钢节点性能比 较 节点作为框架中连接传力的枢纽,对整个结构 性能的充分发挥具有十分重要的意义 引。为了便于 结构分析,计算时往往把组合节点简化成刚性节点 或铰接节点。但实际结构中,纯粹的刚性和铰接节点 是不存在的,其实际性能往往是介于这两者之间的 半刚性节点Es ̄r.103。图2是这三种类型组合节点的 弯矩一转角( )性能曲线。 图3半刚性钢节点 Fig.3 Se 一ri d steel joints O 围2 不同刚性节点的 Fig.2 曲线 中curve of different rigidity joints 半刚性框架采用组合节点较采用纯钢结构节点 更为经济合理。图3为一纯钢梁柱半刚性连接节点, 用两个角钢将梁上下翼缘与柱翼缘连接在一起,以 承受节点的轴向力、剪力及弯矩,梁上铺有混凝土 板,只是没有剪力连接件将它们连接在一起。这种连 接的初始转动刚度较低,目前在实践工程中对这种 节点形式很少按半刚性进行计算,通常偏于保守地 按铰接连接计算。 结构中框架节点处通常都受负弯矩作用,在半 刚性组合节点中,由于用剪力连接件将钢梁和混凝 土板连接在一起而形成了两者共同工作的组合梁, 图4组合和非组合节点比较 Fig.4 Comparison of compositejoints th steeljoints 2组合节点受弯承载力的计算 2.1计算假定 1)钢梁和混凝土板受弯时均符合平截面假定; 2)不考虑混凝土的抗拉作用; 3)如果钢筋在节点区有可靠连接的话,假定混 凝土板内受拉区的纵向钢筋在节点破坏时全部达到 屈服强度 ; 4)节点破坏时钢梁受压区全部达到塑性抗压 强度 ; 因此混凝土板中的纵向钢筋成为节点梁端抵抗负弯 矩的主要部件。由于混凝土板内钢筋远离节点中和 轴,有较大的力臂,从而大大提高了节点的受弯承载 力和连接刚度。组合节点在弹性阶段即对柱的转角 有了较大的约束,有一段较长的线性刚度可以充分 用来承受荷载,还对减少梁跨中挠度和混凝土板的 开裂有很大的帮助。图4是支托型半刚性组合节点 5)当有高强螺栓参与受拉时,假定除受拉区最 下一排螺栓外其余受拉螺栓都已达到屈服拉力 [11-13]。 2.2组合板的极限拉力 根据基本假定,极限状态时纵向钢筋所受的拉 力 为: 和非组合节点 曲线的比较[1 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 :胡夏闽等:半刚性钢.混凝土组合节点受弯承载力的计算 A・ (1) 轴的位置只能是在钢梁截面内,且多数情况下位于 钢梁上翼缘或腹板内;对于支托型和接触板型半刚 性组合节点,其塑性中和轴通常位于钢梁下翼缘内。 根据塑性中和轴的位置,可以分成下述三种情 况来计算组合截面的受弯承载力。为了使本文的公 式具有更好的通用性,这里均以压型钢板组合梁的 剪力连接件承受的纵向剪力为: 一 (2) 如果F ̄>rt只,则组合板所受的极限拉力 为: 一,l 只 (3) 如果 ≤ ,则组合板所受的极限拉力 为: 一 (4) 截面进行推导。对于实心板组合截面,可取公式中的 压型钢板肋高 为零。 2.3.1 塑性中和轴位于钢梁上翼缘内 当塑性中和轴位于钢梁上翼缘内(图5(a))时: + <z≤ + +tf (5) 式中, 是组合梁负弯矩区有效长度内的剪力连接 件个数;只是一个栓钉连接件的受剪承载力,只可 参照文献C143建议的公式进行计算。 2.3受弯承载力 在一般情况下,混凝土板内纵向钢筋的截面面 式中, 是混凝土板厚;z为中和轴到混凝土板顶的 距离;卉为钢梁上缘的厚度。 积要小于钢梁的截面面积,所以组合截面塑性中和 N:l Fn (a) (b) (c) 图5受写承曩力分析模型 Fig.5 Analysis model of flexura resistance 由平衡条件∑X一0可得: 蜀为钢梁塑性截面中和轴到混凝土板顶面的距离。 + M = ・A ㈤2・3 篇 式中, 为每排高强螺栓个数;i为位于受拉区螺栓 的排数;A为钢梁受压区截面积。中和轴距离钢梁 顶端的高度: A-竹一——时: (10) + +☆<z≤ + + 一, , 为钢梁下翼缘的厚度。假定塑性中和轴位于第k 排高强螺栓与第五+1排之间(志值的确定可参看文 & (7)  ̄tCs3): <z<m+1 (11) 式中,A为钢梁截面面积; 为钢梁上翼缘宽度。 中和轴高度: z一 + +趣 (8) ・由平衡条件∑X一0可得: A一 ・ + + ・∑M+ ・ ・☆ I;1 受弯承载力为: Mo= (蜀+ + 一 )+ 趣(蜀一号)+ 2JnNna ̄ (9) 式中,工 为第i排螺栓到混凝土板顶面的距离; as为混凝土板顶端到板内纵向钢筋合力点的距离; (12) 式中,A为钢梁腹板受压区面积。 中和轴高度: z一 + +☆+ (13) 式中, 为塑性中和轴距钢梁腹板顶端的距离。 维普资讯 http://www.cqvip.com 南京工业大学学报 第24卷 验结果吻合较好。 西一A/t. (14) 受弯承载力为: 一 ( + + 一 )+∑,批玉 + 6r白( 一 tf)+ ( --tf-詈)(15) 2.3.3塑性中和轴位于钢梁下翼缘内 当塑性中和轴位于钢梁下翼缘内(图5(c))时: + + 一,f< ≤ + + (16) 由平衡条件∑X一0可得: ・ f— + ・ ・N (17) 式中: 为高强螺栓的总排数; r为钢梁下翼缘受 压区面积。 中和轴高度: 一 + + 一 f(18) 图6计算值与试验值的比较 Fig.6 Comparison of calculated results with experimental data 式中, r为钢梁下翼缘受压区高度。 一 一— _一<, <、 (19) 如果钢梁与柱子的连接是采用摩擦型高强螺栓 受弯承载力为: 的话,也可用文献[23]推导的公式进行计算,此时可 把钢梁与柱翼缘的交接面看成是均匀受压的,这样 在塑性中和轴的确定上可以更加的简便。 对于半刚性组合边节点,只有当柱端混凝土板 中的纵向钢筋有可靠的锚固措施时,才能保证受弯 承载力的充分发挥,这时的受弯承载力可以按本文 Mo— ( + + 一 一: 1+ ∑i 1 一 一鲁j 一玉 (2o) (21) + 式中, 。为第i排螺栓到钢梁下翼缘底部的距离。 对于角钢支托型和接触板型组合节点可以近似 假定截面受压区合力点位于钢梁下翼缘中心处,此 时可取: f—t f/z(22) 建议的公式计算。但是,Y.Xiao等人在试验中发现, 当锚固措施不当时,有可能出现由于钢筋锚固不够 而导致受弯承载力降低的情况。因此,文献[12]建议 对于组合边节点按铰接设计计算较为可靠。 将式(22)代人式(20)即为支托型组合节点受弯承载 4结 语 半刚性组合节点的钢梁部分与混凝土板内的钢 力计算公式。 3与试验结果的比较 为了检验本文介绍公式的准确性,本文选用了 筋共同工作,参加抗弯,这不但大大地改善了结构的 受力性能,而且还节约了钢材,降低了造价;其简单 的连接方式不仅方便了施工,缩短了施工周期,而且 还使结构在节点部位有足够的延性,能够保证结构 在地震等较大荷载的情况下能够有充分变形,吸收 大量的能量。 文献E12],[15]~[22]及我们所做的试验[11 共37 个半刚性组合节点构件的试验结果与上面推导公式 的计算结果进行了比较(图6)。这些构件包含了各 种不同的配筋率、混凝土板厚、钢梁型号和抗剪栓钉 与试验结果的比较表明,本文所推导的受弯承 载力计算公式是合理的,能够反映节点在实际情况 中的受力性能。与国际上流行的几个同类型公式相 比较 ],本文介绍的公式形式比较简单,且能保证 足够的精度,可供工程设计参考。 配置的端板型和角钢支托型组合节点。受弯承载力 的试验值 与计算值 之比的平均值 一1.106, 均方差tT ̄--0.020,离散系数。由此可见,本文的半刚 性钢一混凝土组合节点的受弯承载力计算公式与试 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 胡夏闽等:半刚性钢一混凝土组合节点受弯承载力的计算 29 参考文献: [1]胡夏闽.高华杰.组合结构在欧洲的新进展[J].工业建筑, 2002,32(6):75—8O. connectors used with profiled steel sheeting[J].Proceedings of IABSE olCloquium.Marc}L l999,8O:l85一l99. [15]Bode H,Michaeli W,Sedlacek G,Mbller e Weiterentwicldung der Bemessungsregeln von Anschh ̄en im Stahl-und Verbundbsu E2] Joint Committee IABSE/CEB/FIP/IK3CS.Composite Strucmres (Model Code)ES].1981. [32 ENV l994一卜l Eurocede 4:Pan 1.1,Design of composite stel and concrete strucmr ̄:general rules and rules for buildings[S]. [4 JohnSON R P.Composite Strucmres of Steel and Concrete(volume zur Verbssserung der Wirtsehaftlichkeit[R].Kaiserslautern, Universitat Kaisemlautern,l997. [16]Bode H,Fa'onenbsrger H J.Schmackpfeffer.H.Teiltragfahia,g verformbsre Verbindungen im Stahlverbundbsu [R]. Abschlu ̄bsricht zu TeilprojeIct 2 der DFG—Forschergruppe Verbundbsu,Kaiserslautern:Universitat Kaiserslautern,l999. 1)[M].London:Blackwell Scientific Publications,l994. [5 XiaoY.ChooBS.NethercotD ompomeCConnectionsin Stel and Concrete.Pan 2一Moment Capacity of End Plate Beam to [17]Ramm W,日z s Untersuchungan zum Tragverhalter und zur Ri ̄lbildung von Gurtplatten von Verbundtragern im Bereich negativer MomenterR].Abschlu ̄bsricht zu Teilprojekt 4 der DFG— Forschergruppe Verbundbsu, Kaiserslautern: Universitat olCumnConnectionsrJ].J.Construct.Steel Res.1996.37(1): 63—91. [6-David Nethercot.Behaviour and Desin ofg Composite Connections EC;.International Conference on Composite Construction.1997: 42l一426. Kaiserslautern.1999. [18]Kindmann R.Kathage K Experimentelle Untersuchungen zur Patationskapazitat yon Verbundanschlue ̄n[J].Stahlsu.1994,63 b(10):3l9-328. ET[ Nethercot D八Semiirid Joignt Action and the Desin ofg Nonsway omposiCte FramesFJ].Engineering Structures,l995.17(8):554— 567. [19]Anderson D,Najafi A Perforwmnce of Composite Connections, [85陈忠汉.胡夏闽.组合结构设计[M].北京:中国建筑工业出版 社.2000. ajMor Axis End Plate Joints[J].Journal of Consteuctional Stel Research.1994,3l(1O):ll一23. [9 Christoph Odenbreit.Zur Ermittlung der Tragfdaigkeiten.der SteifIgkeiten und der Schnittgroe ̄n von Verbundtragem mit [2o]Ren P.Numerical Modelling ang Experimental Analyfis of Stell Beam-to-column Connections AIlowing for te Inflhuence of halbsteifen teiltragfdaigkeien verbundanscM咄n[ D], Kaiserslautern:Universitat Kaiserslautem l 999. Reinforced—Concrete Slabs rD].These Nr.1369(1995),Ecole Polytechnique Federale de Lausanne.Departement de Genie Civil, l995. [1O:孙国良 半刚性钢一混凝土组合框架联结及在高层建筑中应用 的准则[J].建筑结构,l994.(6):l7—22. [1l: 高华杰.支托型半刚性组合框架节点受力性能试验研究[D]. 南京:南京工业大学,2002. rl2 Xiao Y.Ch00 B S.Nethercot D Composite connections in stel [21] T Q,Nethercot D A,Choo B S.Behaviour of Flush End—plate Ratio ̄1.Experimental Behaviour[J].Journal of Con ̄ructional Stel Research 38,l996,l25一l64. onneCctions with Unbslaneed Moment and Variable Shear/Moment and concrete.I.Experimental behaviour of composite beam- [22]Aribsrt J M,Lachal xpEerimental Investigation of Commposite column connections[J].J.Construct.Stel Res.1994,(31);3— 3O. onneCctions and Global Interpretation[R].CCST PRoJECT C1 “Semi Rigid Behaviour”.Cl/WD/92一ll1.Rennes:Institut National des Sciences Appliquees-Renns l992. [13:Publication 1999—109 of EX3CS(European Convention for onstructiConal Stelwork),Desin of composigte joints for building [23]过轶青,胡夏闽.半刚性钢一混凝土组合节点受弯承载力分析. 南京工业大学第四届研究生科技论坛论文集[c].南京:南京 工业大学,2002,316—332. [s二. [14 HU Xiamin,Helmut Bode.A study on shear resistance of stud Calculation of moment resistance of semi——rigid steel——concrete composite joints HI5 Xia~min。,GUO Yi—qing ,GAO Hua—jie ,UU Jian—pingz (1.College of Civil Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China; 2.Nanjing Dadi Construct 09..Nanjing 210013,China) Abstract:In the semi rigid steel—concrete composite joints,the slab reinforcement enhances the resistance and stiffness of the joints,but the tradiitonal design approaches generally overlook the actual joint response and adopt simplified analysis models.Consequently,simplified deign rules based on a complete understanding of the joint behavior should be used in order to take into account the economic benefits.In this paper,a calculation method is introduced to predict the flexural resistance of semi riigd steel—concrete composite joints.The proposed formulas consider the effects of the slab reinfor℃ement on the flexural resistance.The calculated results show good agreement with the test results.The research results presented in tis paper wihll he valuable for engineering practice and revising code. Key words:composite structures;semi rigid joints;moment resistance 一 ●  ‘’…’ ’’1.-_一 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Top