王玲玲等：考虑楼板效应的外环板式梁柱节点抗弯承载力 ·825· column,were investigated.The results show that the size and axial-oad ratio have insignificant effect on the flexural capacity and stiff- ness of beam end,whereas the slab thickness,concrete compressive strength and diameter-to-thickness ratio of the column have signifi- cant effect on it.Furthermore,a calculation formula of flexural capacity was developed to estimate the flexural capacity of the beam- to-column joints,considering the composite effects of the slab.The comparison between the calculation,experiment,and simulation results indicates that the proposed formula can reasonably predict the flexural strength of beam-to-column joints with concrete slab. KEY WORDS slab effect;external diaphragm:beam-to-column joints:composite structures:nonlinear finite element analysis 由于钢一混凝土组合结构具有可装配化施工、 据和理论支撑 综合性能强、经济效果好等优点，因此己普遍应用于 1有限元分析与试验验证 现代建筑结构中.近年来，与梁柱节点相关的试验 以及数值模拟的研究日渐增多，对发生于1994年的 采用有限元分析软件MSC.Marc建立了有限 美国北岭地震-习和发生于1995年的日本兵库县 元模型，并对其进行往复加载模拟分析.步骤包括 南部地震同进行震后调查发现，许多钢结构破坏是 单元选取、网格划分与优化处理、材料本构定义、边 由于柱和梁下翼缘焊缝连接处产生脆性破坏导致 界条件施加、单元接触与连接定义、荷载工况等.基 的.楼板的存在对节点的局部受力影响显著，因此 于试验试件尺寸以1：1比例建立模型，并且在应力 忽略混凝土楼板对节点承载力及刚度的影响是造成 梯度变化大的节点区域将网格细分化，见图1.其 破坏的重要原因.当组合节点受正弯矩作用时，楼 中，U1、U2、U3分别代表沿坐标轴X、Y、Z方向上的平 板充分发挥混凝土较高的抗压能力，中和轴向上翼 移自由度，U1、U、U分别代表沿坐标轴X、Y、Z 缘方向偏移，提高了梁上翼缘的抗压性能，因此钢梁 方向上的旋转自由度 下翼缘成为节点过早失效的主要破坏区域.国内外 110 现有规范对于节点域的设计并未考虑到楼板组合作 101 用，仅是把该组合效应当作安全储备的设计方法，可 1:约束0：自由 能会产生结构由“强柱弱梁”转变成“强梁弱柱”的 颠覆性结果 国内外学者对于钢梁一混凝土组合节点进行了 一系列试验和理论研究4)，对组合梁的受力形式 11 L101 有了初步的认识.在此基础上，许多学者采用屈服 图1有限元模型 线理论对梁柱节点提出计算模型及分析公式.陈以 Fig.1 Finite element model 一等@利用屈服线理论提出了一种Ⅲ线型的直接 汇交钢管节点的极限承载分析模型.立山英二) 除楼板中的钢筋，其他部件均采用8节点实体 将Mansfield的研究和屈服线理论相结合，通过构 单元.混凝土楼板中钢筋的模拟采用Tuss单元，利 造圆锥状的破坏机构，推导出H形梁与箱形柱刚性 用Marc程序中自带的nsert功能将钢筋单元嵌入 连接时腹板连接最大受弯承载力.在此基础上，作 到混凝土楼板中.钢材的泊松比取0.3，弹性模量根 者采用分割式外环板将梁柱进行连接，将楼板与钢 据拉伸试验测得，其应力一应变曲线根据拉伸试 梁进行螺栓连接，己完成了4个T型梁柱节点构件 验的名义应力和名义应变通过公式转换得到，同时 的低周反复荷载试验的，并通过试验得到了钢 在模拟分析中假定钢材满足Mises屈服准则.混凝 梁一楼板组合节点的破坏形态、滞回性能、承载能力 土的泊松比取0.2，弹性模量由圆柱体抗压试验的 等特性，考察了楼板存在对梁柱节点局部应力的影 应力一应变关系曲线进行确定，如图2所示.其中非 响.为了更加系统全面地了解钢梁一楼板组合节点 线性上升段从圆柱体抗压试验得到，其峰值应变在 的工作机制，进一步补充并完善试验研究的不足，本 0.002附近；下降段采用直线，残余应变取0.2f(f 文采用数值模拟方法对其进行分析.同时在屈服线 为混凝土楼板的抗压强度).混凝土的受拉开裂及 理论的基础上考虑混凝土楼板影响，并结合虚功原 软化行为采用Marc中内置的Crack模型描述，模型 理进一步明确了带楼板的外环板式梁柱节点的抗弯 定义了开裂应力、软化模量、剪力传递系数和压溃应 承载力计算公式，通过有限元试验分析比对，证明该 变，如图3所示.裂面剪力传递系数反映的是混凝 公式有较高的精确性，能够为后续设计方法提供数 土开裂后裂缝截面的骨料咬合力对抵抗裂面剪力所王玲玲等: 考虑楼板效应的外环板式梁柱节点抗弯承载力 column，were investigated． The results show that the size and axial-load ratio have insignificant effect on the flexural capacity and stiff￾ness of beam end，whereas the slab thickness，concrete compressive strength and diameter-to-thickness ratio of the column have signifi￾cant effect on it． Furthermore，a calculation formula of flexural capacity was developed to estimate the flexural capacity of the beam￾to-column joints，considering the composite effects of the slab． The comparison between the calculation，experiment，and simulation results indicates that the proposed formula can reasonably predict the flexural strength of beam-to-column joints with concrete slab． KEY WOＲDS slab effect; external diaphragm; beam-to-column joints; composite structures; nonlinear finite element analysis 由于钢--混凝土组合结构具有可装配化施工、 综合性能强、经济效果好等优点，因此已普遍应用于 现代建筑结构中． 近年来，与梁柱节点相关的试验 以及数值模拟的研究日渐增多，对发生于 1994 年的 美国北岭地震［1--2］和发生于 1995 年的日本兵库县 南部地震［3］进行震后调查发现，许多钢结构破坏是 由于柱和梁下翼缘焊缝连接处产生脆性破坏导致 的． 楼板的存在对节点的局部受力影响显著，因此 忽略混凝土楼板对节点承载力及刚度的影响是造成 破坏的重要原因． 当组合节点受正弯矩作用时，楼 板充分发挥混凝土较高的抗压能力，中和轴向上翼 缘方向偏移，提高了梁上翼缘的抗压性能，因此钢梁 下翼缘成为节点过早失效的主要破坏区域． 国内外 现有规范对于节点域的设计并未考虑到楼板组合作 用，仅是把该组合效应当作安全储备的设计方法，可 能会产生结构由“强柱弱梁”转变成“强梁弱柱”的 颠覆性结果． 国内外学者对于钢梁--混凝土组合节点进行了 一系列试验和理论研究［4--9］，对组合梁的受力形式 有了初步的认识． 在此基础上，许多学者采用屈服 线理论对梁柱节点提出计算模型及分析公式． 陈以 一等［10］利用屈服线理论提出了一种Ⅲ线型的直接 汇交钢管节点的极限承载分析模型． 立山英二［11］ 将 Mansfield［12］的研究和屈服线理论相结合，通过构 造圆锥状的破坏机构，推导出 H 形梁与箱形柱刚性 连接时腹板连接最大受弯承载力． 在此基础上，作 者采用分割式外环板将梁柱进行连接，将楼板与钢 梁进行螺栓连接，已完成了 4 个 T 型梁柱节点构件 的低周 反 复 荷 载 试 验［13］，并通过试验得到了钢 梁--楼板组合节点的破坏形态、滞回性能、承载能力 等特性，考察了楼板存在对梁柱节点局部应力的影 响． 为了更加系统全面地了解钢梁--楼板组合节点 的工作机制，进一步补充并完善试验研究的不足，本 文采用数值模拟方法对其进行分析． 同时在屈服线 理论的基础上考虑混凝土楼板影响，并结合虚功原 理进一步明确了带楼板的外环板式梁柱节点的抗弯 承载力计算公式，通过有限元试验分析比对，证明该 公式有较高的精确性，能够为后续设计方法提供数 据和理论支撑． 1 有限元分析与试验验证 采用有限元分析软件 MSC． Marc 建立了有限 元模型，并对其进行往复加载模拟分析． 步骤包括 单元选取、网格划分与优化处理、材料本构定义、边 界条件施加、单元接触与连接定义、荷载工况等． 基 于试验试件尺寸以 1∶ 1比例建立模型，并且在应力 梯度变化大的节点区域将网格细分化，见图 1． 其 中，U1、U2、U3分别代表沿坐标轴 X、Y、Z 方向上的平 移自由度，UＲ1、UＲ2、UＲ3 分别代表沿坐标轴 X、Y、Z 方向上的旋转自由度． 图 1 有限元模型 Fig． 1 Finite element model 除楼板中的钢筋，其他部件均采用 8 节点实体 单元． 混凝土楼板中钢筋的模拟采用 Truss 单元，利 用 Marc 程序中自带的 Insert 功能将钢筋单元嵌入 到混凝土楼板中． 钢材的泊松比取 0. 3，弹性模量根 据拉伸试验测得［14］，其应力--应变曲线根据拉伸试 验的名义应力和名义应变通过公式转换得到，同时 在模拟分析中假定钢材满足 Mises 屈服准则． 混凝 土的泊松比取 0. 2，弹性模量由圆柱体抗压试验的 应力--应变关系曲线进行确定，如图 2 所示． 其中非 线性上升段从圆柱体抗压试验得到，其峰值应变在 0. 002 附近; 下降段采用直线，残余应变取 0. 2fc ( fc 为混凝土楼板的抗压强度) ． 混凝土的受拉开裂及 软化行为采用 Marc 中内置的 Crack 模型描述，模型 定义了开裂应力、软化模量、剪力传递系数和压溃应 变，如图 3 所示． 裂面剪力传递系数反映的是混凝 土开裂后裂缝截面的骨料咬合力对抵抗裂面剪力所 · 528 ·