钢管混凝土梁柱节点荷载-位移滞回曲线分析

钢管混凝土梁柱节点荷载-位移滞回曲线分析

结果表明，该模型是分析管道混凝土结构弹塑性地震反应的基础。理论分析荷载-位移滞回曲线对于研究钢管混凝土梁柱节点的滞回性能和试验中试件的设计具有十分重要的意义。另外,通过把荷载-位移滞回关系曲线的理论计算结果与试验结果比较,也可以验证节点核心区恢复力模型的正确性。对于钢管混凝土与柱梁节点梁端荷载-位移滞回曲线的理论计算,不曾有人做过这方面的研究。为了使理论计算尽量符合实际情况,采用数值分析的方法计算荷载-位移曲线。1计算方法包括管道混凝土和柱梁节点梁端的负荷-位移曲线的计算1.1节点核心区剪切变形引起的梁端位移传统计算方法是借鉴钢筋混凝土梁柱节点计算梁端位移的方法得到的。现以一个边柱节点为例,来说明传统计算方法的步骤。考虑一边柱节点在梁端竖向荷载作用下,可将其梁端位移分解为以下三个组成部分。1.由梁的自身变形所引起的梁端位移δjb;2.由柱子变形所引起的梁端位移δjc;3.由节点核心区剪切变形引起的梁端位移δjj;则梁端位移可表示为现分述如下:1.梁自身变形(图1)将梁视为一端固定,一端自由的悬臂梁。在梁端竖向往复荷载作用下,梁自身变形为δjb。2.柱子转动引起的梁端位移(图2)将柱子视为两端铰接,在梁端竖向往复荷载作用下,柱中点的转动为θjc。如果梁的长度为L且刚度无穷大,则由于柱子转动而引起的梁端位移为θjc可由柱子的M-ue788关系求得。本文采用压杆挠曲线法计算θjc。3.节点核心区剪切变形引起的梁端位移(图3)由于节点核心区受到的剪力很大,剪切变形不能忽略,在梁端竖向往复荷载作用下,节点核心区的转动为θjj。则由于核心区剪切变形而引起的梁端位移为4.梁端实际位移以上三部分变形相叠加,便得到了梁端最终实际位移传统计算方法的特点是:柱子变形包括了核心区的弯曲变形。也就是说,在计算核心区的变形时,只计算其剪切变形即可。1.2梁端区域变形所谓节点核心区即是梁柱相连接的地方,它是一段受剪力比较大的柱段,它也存在着弯曲变形。传统计算方法是把节点核心区的弯曲变形和剪切变形分开,将节点核心区的弯曲变形放在整个柱子中计算,而将其剪切变形单独计算。虽然这种分析方法概念清晰,但在实际试验中无法将这两种变形分开测量,也就是说试验中所测得的核心区变形既包括核心区的弯曲变形,又包括它的剪切变形。针对这一情况,提出了改进计算方法。现仍以边柱节点为例,在梁端竖向荷载作用下,可将其梁端位移分解为以下三个组成部分。1.梁自身变形同传统计算方法2.柱子变形(图4)在梁端竖向往复荷载作用下,柱子和核心区加强环交点A的转动为θ′jc。则由柱子转动而引起的梁端位移为3.节点核心区的变形(图5)在梁端竖向往复荷载作用下,节点核心区的转动为θ′jj(包括节点弯曲变形和剪切变形)。则由于核心区变形而引起的梁端位移为4.梁端实际位移以上三部分变形相叠加,便得到了梁端最终实际位移改进计算方法的特点是将节点核心区的弯曲变形和剪切变形综合考虑,计算时不加以区分,这样可以考察节点核心区的综合变形能力。2恢复力计算公式2.1阿迪斯波尔的恢复力模型钢梁常用的恢复力模型是双线形恢复力模型,如图6所示。参考文献,采用双线型模型,为一平行四边形,如图7所示。2.3抗剪承载力标准2.3.1结合文献中的组合弹性剪切刚度GscAsc、组合强化剪切刚度G′scAsc和钢管混凝土抗剪承载力标准值Vsck(具体计算见文献),本文在运用传统计算方法进行计算时采用图8所示恢复力模型。2.3.2改进计算方法所采用的恢复力模型(图9)由文献中试验数据线性回归得到。3竖向荷载pi作用下的单元刚度为了便于分析,假定节点试件各部分在变形过程中始终符合平截面假设。将悬臂梁(图10)分为n段,任意取单元体j,设其长度为dxj,则在梁端竖向荷载Pi作用下,j单元所受外力矩为平衡条件是内外力矩相等,即这样,根据钢梁M-ue788关系模型便可得到Pi作用下,j单元的曲率ue788j。则j单元的转角(图11)Pi作用下的梁端位移(图11)3.2柱变形采用压杆挠曲法计算柱子的挠曲线,将节点试件中柱子部分简化成图12的形式。具体方法详见文献。3.3中心区域变形(1)边柱图13则边柱节点核心区受到的实际水平剪力为(2)梁端水平剪力由于受两个大小相等,方向相反的梁端竖向力,则中柱节点核心区受到的实际水平剪力为这样,通过梁端竖向荷载可以计算得到核心区受到的剪力V,再根据V-γ关系曲线便可得到剪切角γ。4理论计算与试验数据的比较4.1第一次屈服阶段图14为两个边柱试件梁端P-Δ滞回曲线理论值与试验值的对比情况。由图可见,从加载初期弹性阶段到第一次屈服时卸载到零这一过程都符合得较好,后面钢梁进入了屈服阶段,由于钢梁的计算采用双线型恢复力模型而未考虑包氏效应,所以在后面加载屈服点附近符合得不是很好。但从总体情况看,无论是传统计算方法还是改进计算方法都与试验值符合较好,这说明了理论分析的正确性。4.2试验值与传统计算方法的对比图15为两个中柱试件梁端P-Δ滞回曲线理论值与试验值的对比情况,由图可见,无论是传统计算方法还是改进计算方法都与试验值符合较好。这说明了理论分析的正确性。5节点核心区变形计算方法的改进本文对钢管混凝土梁柱节点梁端荷载-位移滞回曲线进行了理论分析,选取和确定了节点恢复力模型(由钢梁M-ue788关系模型、钢管混凝土压弯构件的M-ue788关系模型和节点核心区V-γ关系模型组成),按照传统和改进两种分析方法,编制数值计算程序进行节点荷载-位移滞回曲线分析。本文提出的改进方法将节点核心区的弯曲和剪切变形综合考虑,一方面解决了按传统方法计算时,核心区弯曲变形和剪切变形在试验