摘要：對勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)承載力研究，搭建各梁柱節(jié)點(diǎn)仿真模型，統(tǒng)計(jì)分析各個截面的應(yīng)變及受力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在彈性階段節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最高達(dá)到225.6 MPa，塑性階段的核心區(qū)柱壁產(chǎn)生嚴(yán)重外鼓現(xiàn)象，應(yīng)力最高達(dá)到309.5 MPa；隨著加載級別增大，梁柱拼接截面的屈服范圍向兩端方向擴(kuò)張；縮減空鼓占比能夠提升梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力，同時混凝土強(qiáng)度不能偏低；勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的腹板厚度越大，節(jié)點(diǎn)的承載力越強(qiáng)；在一定范圍內(nèi)，提升軸壓比能夠使梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力同步提升，軸壓比高于0.8后承載力有所下降，當(dāng)混凝土強(qiáng)度由C30提升至C40，梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力提升16.09%。

關(guān)鍵詞：高層建筑；勁性混凝土；梁柱節(jié)點(diǎn)；承載力；荷載位移

中圖分類號：TQ178文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0169-05

Three-dimensional simulation of bearing capacityof rigid concrete beam-column joints in high-rise buildings

SI Xiang，LING Lixian，LIN Rongshun，LIN Zhihui

（China Construction Seventh Engineering Division Co.，Ltd.，Zhengzhou 450052，China）

Abstract：In order to study the bearing capacity of rigid concrete beam-column joints，the simulation model of each beam-column joint was constructed，and the strain and stress state of each cross-section were statistically analyzed.The experimental results showed that in the elastic stage，the maximum joint stress reached 225.6 mpa，and in the plastic stage，the column wall in the core area produced serious bulge，and the maximum reached 309.5 mpa.With the increase of loading level，the yield range of beam column splicing section expanded to both ends.Reducing the proportion of hollowing could improve the bearing capacity of beam column joints，and the concrete strength could not be low.The greater the web thickness in the joint area of rigid concrete beam column，the stronger the bearing capacity of the joint.Within a certain range，raising the axial compression ratio could increase the bearing capacity of beam column joints synchronously.When the axial compression ratio was higher than 0.8，the bearing capacity decreased.When the concrete strength is increased from C30 to C40，the bearing capacity of beam column joints in?creased by 16.09%.

Key words：high-rise building；stiff concrete；beam-column joints；bearing capacity；load-displacement

勁性混凝土實(shí)則為型鋼混凝土[1-3]，其由混凝土、型鋼、縱向鋼筋等構(gòu)成，因勁性混凝土具有強(qiáng)度大、縮減工程造價以及提升工程質(zhì)量等諸多優(yōu)勢，常被應(yīng)用于高層建筑中[4-6]。梁柱節(jié)點(diǎn)處的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，其設(shè)計(jì)形式直接關(guān)系到整個建筑結(jié)構(gòu)的安全性[7]，作為連接梁柱的核心部位，節(jié)點(diǎn)的承載能力至關(guān)重要，其受力情況來自多元化，主要受到壓、剪等復(fù)合應(yīng)力，設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮自身荷載情況，還需重點(diǎn)考量其面臨地震、臺風(fēng)等外力自然災(zāi)害情況下的承載力[8]，因此，深入研究梁柱節(jié)點(diǎn)承載力以保障節(jié)點(diǎn)高效完成內(nèi)力傳遞，保障高層建筑安全性。

針對混凝土柱的鋼梁節(jié)點(diǎn)承載力展開探索，分析各節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)的各個部件受力原理，并利用疊加原理獲取最終結(jié)果[9]；提出雙型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)分析方法，搭建求解模型[10]。但上述2種方法存在一定的局限性，不適用于勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)承載力研究。因此，通過對高層建筑勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行三維仿真，分析節(jié)點(diǎn)承載力的各個影響因素，以期提升勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)承載力，進(jìn)一步保障建筑安全性。

1研究區(qū)概況

1.1項(xiàng)目概況

上海的力波啤酒廠轉(zhuǎn)型項(xiàng)目2、3期項(xiàng)目總建筑面積14.5萬m2，地上及地下建筑面積分別為3.26萬m2、4.84萬m2，其最大高度為104.2 m，該項(xiàng)目主要由主塔樓及裙樓構(gòu)成，主塔樓采用鋼框架+豎向支撐的體系，鋼柱采用焊接箱型柱，分為內(nèi)外圈鋼柱，外圈鋼柱最大截面為1 000 m×1 000 m×40 m×40 m；內(nèi)圈鋼柱最大截面為1 000 m×600 m×60 m×60 m；鋼梁最大截面為H900 m×300 m×16 m×35 m。

該項(xiàng)目采用勁性柱與混凝土梁鋼筋構(gòu)造而成，鑒于其連接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，連接方式較多，且精度要求極高，針對該項(xiàng)目梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力展開三維仿真分析。

1.2試件制作

依據(jù)我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)制作梁柱節(jié)點(diǎn)試件[11-13]，擬定該試件縮尺比例為1∶3大小，采用C30及C40 2個混凝土強(qiáng)度等級制作節(jié)點(diǎn)試件，縱筋及箍筋分別選取標(biāo)準(zhǔn)鋼筋HR400級鋼筋、HR300級鋼筋，柱截面面積大小為200 mm×200 mm，梁截面面積大小為150 mm×200 mm，用表1描述梁柱節(jié)點(diǎn)試件的具體數(shù)據(jù)。

1.3加載裝置及加載方法

利用油壓千斤頂向混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件柱的軸向施加壓力，并采用上、下2個方向的油壓千斤頂向梁的兩端施加低周反復(fù)荷載。

采用荷載控制及分級加載方式對試件進(jìn)行施加荷載[14-15]，且設(shè)定每個級別的荷載為單次循環(huán)，當(dāng)試件產(chǎn)生屈服時，選取位移控制荷載加載，并將試件產(chǎn)生屈服時的位移數(shù)值視作極差，對荷載加載進(jìn)行控制，此時每個級別的荷載需循環(huán)2次，當(dāng)試件承載力降低至極限承載力的80%時結(jié)束加載，詳細(xì)的加載制度用表2描述。

對加載方向進(jìn)行設(shè)定，左側(cè)加載點(diǎn)方向?yàn)橄蛏?，右?cè)加載點(diǎn)方向?yàn)橄蛳?，對全部試件的破壞過程基本一致。在控制加載期間內(nèi)，在荷載偏低時，此時試件未發(fā)生裂痕等現(xiàn)象，則為彈性階段。逐漸增加荷載，直至梁端產(chǎn)生數(shù)條裂痕，其位移曲線斜率已經(jīng)產(chǎn)生較大變動，此時試件產(chǎn)生屈服，則為塑性階段[16]。利用位移控制持續(xù)增加荷載，梁端裂痕則會持續(xù)加深，并伴隨梁端混凝土產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，其縱筋及箍筋暴露出來，梁端遭到損壞，此時停止試驗(yàn)。

1.4建模分析

1.4.1搭建梁柱節(jié)點(diǎn)仿真模型

利用ANSYS軟件依次搭建鋼筋及混凝土等模型[17]，構(gòu)建梁柱節(jié)點(diǎn)仿真模型，采用軟件中的SOL?ID65單元按照1.2小節(jié)描述模擬制作混凝土，該單元中各個節(jié)點(diǎn)包含3個自由度，因此可從3個方向模擬混凝土的裂縫過程；選取B31梁單元制作梁柱內(nèi)部的縱筋、箍筋，鋼筋則通過Embed方式鑲嵌至混凝土中，由于節(jié)點(diǎn)對混凝土產(chǎn)生較大約束，該過程未考量混凝土及鋼筋的滑移作用。在試驗(yàn)過程中需依次在柱頂、柱底及梁端添加傳力墊板，避免應(yīng)力過于集中，用圖1描述搭建的梁柱節(jié)點(diǎn)仿真模型。

1.4.2邊界條件

在模擬過程中，柱兩端選取鉸接的約束邊界條件，試件受制于梁端的約束僅在水平方向上移動，對柱頂表面向下集中施加荷載，均與試驗(yàn)加載方向保持相同，在梁端添加一個變動幅值的邊界條件，保證梁端向豎向位移[18]。

2實(shí)驗(yàn)分析

2.1模擬結(jié)果-應(yīng)力云圖

仿真分析梁柱節(jié)點(diǎn)試件AB-1在荷載作用下的應(yīng)力情況，并記錄其應(yīng)力云圖，如圖2所示。

由圖2（a）、圖2（b）可知，在彈性階段，梁柱節(jié)點(diǎn)試件的鋼梁端上、下翼緣遭受的應(yīng)力向腹板擴(kuò)散，應(yīng)力最高達(dá)到225.6 MPa，且在核心區(qū)柱右側(cè)產(chǎn)生局部屈服現(xiàn)象；隨著施加荷載逐漸增大，梁端及腹板的應(yīng)力交叉提升，塑性階段的核心區(qū)柱壁產(chǎn)生嚴(yán)重外鼓現(xiàn)象，應(yīng)力最高達(dá)到309.5 MPa，此時梁柱節(jié)點(diǎn)承載力降低且遭到損壞。

2.2梁柱各截面應(yīng)變情況分析

隨機(jī)選取一個試件AB-1，從中挑選4個截面，截面位置如圖3所示；研究各截面在各個荷載加載級別情況下的應(yīng)變情況，統(tǒng)計(jì)后繪制成曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，在各個荷載加載級別情況下各截面應(yīng)變情況大不相同，在試驗(yàn)初始階段受壓區(qū)翼緣沒有發(fā)生屈服現(xiàn)象，直至加載級別達(dá)到12級220 kN荷載值，此時梁柱拼接截面已經(jīng)開始發(fā)生屈服，繼續(xù)增大加載級別后，梁柱拼接截面的屈服范圍隨之蔓延，并向兩端方向持續(xù)擴(kuò)張。

2.3空鼓占比對梁柱節(jié)點(diǎn)承載力的影響

在實(shí)際建筑工程項(xiàng)目過程中，使用頻率高的梁柱節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象，因此，選取不同混凝土等級、空鼓占比不同的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，獲取各節(jié)點(diǎn)極限承載力以及位移情況如表3所示。

由表3可知，在其他條件相同時，當(dāng)空鼓占比變大時，其位移逐漸變大且荷載逐漸下降，此時這些節(jié)點(diǎn)正、負(fù)向的承載力都在變?nèi)酰辉谕瓤展恼急惹闆r下，混凝土強(qiáng)度越高的節(jié)點(diǎn)位移變化相對越小，相應(yīng)的承載力也比混凝土強(qiáng)度偏低的節(jié)點(diǎn)要強(qiáng)。

選取空鼓占比16%混凝土強(qiáng)度C30的節(jié)點(diǎn)AB-2以及空鼓占比16%混凝土強(qiáng)度C40的節(jié)點(diǎn)AB-5試件對其進(jìn)行測試驗(yàn)證，2個節(jié)點(diǎn)的滯回曲線對比結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在彈性期間，AB-2節(jié)點(diǎn)與AB-5節(jié)點(diǎn)二者滯回曲線斜率以及形態(tài)基本一致，步入強(qiáng)化彈性期間，它們的滯回曲線開始產(chǎn)生改變，相對而言，AB-5節(jié)點(diǎn)的滯回曲線形態(tài)更好一些，再次證明，在同等空鼓占比情況下，混凝土強(qiáng)度等級高的節(jié)點(diǎn)比混凝土強(qiáng)度等級偏低的節(jié)點(diǎn)承載能力更強(qiáng)。

綜上可知，縮減空鼓占比能夠提升梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力，并且需保證混凝土強(qiáng)度等級不能偏低。

2.4腹板厚度對梁柱節(jié)點(diǎn)承載力的影響

勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的腹板厚度作為影響承載力的重要元素，當(dāng)勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)受力不超過極限荷載時，腹板不會發(fā)生屈服現(xiàn)象，促使鋼腹板的抗剪能力獲得最大限度的發(fā)揮，配合混凝土強(qiáng)度的作用力，可快速提升結(jié)構(gòu)的承載力，選取不同腹板厚度、混凝土強(qiáng)度的節(jié)點(diǎn)，模擬對其進(jìn)行破壞試驗(yàn)，分析各節(jié)點(diǎn)荷載情況，統(tǒng)計(jì)后用表4描述各節(jié)點(diǎn)承載力結(jié)果。

由表4可知，在相同混凝土強(qiáng)度等級條件下，伴隨腹板厚度的加大，勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的屈服應(yīng)力隨之增強(qiáng)，荷載也同步變大；而在相同腹板厚度情況下，混凝土強(qiáng)度等級越高其荷載相對越大。在其它條件一致情況下，勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的腹板厚度越大，其擁有的承載力越強(qiáng)。而在相同腹板厚度時，提升混凝土強(qiáng)度等級同樣能夠提升勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力。

2.5軸壓比對梁柱節(jié)點(diǎn)承載力的影響

選取混凝土強(qiáng)度一定條件下、不同大小軸壓比的節(jié)點(diǎn)試件，進(jìn)行三維仿真，分析其對梁柱節(jié)點(diǎn)承載力的影響，承載力結(jié)果用表5描述。

由表5可知，在相同混凝土強(qiáng)度等級及其他條件一致時，軸壓比的增加使承載力逐漸加強(qiáng)，但軸壓比超過0.6后其承載力略有下降，在不同混凝土強(qiáng)度等級下，AB-4比AB-1節(jié)點(diǎn)的承載力提升16.09%。綜上，在一定范圍內(nèi)，軸壓比的增加能夠提升梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力，當(dāng)混凝土強(qiáng)度由C30提升至C40，梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力增幅達(dá)到16.09%。

3結(jié)語

（1）梁柱各截面在受到荷載施加時，梁柱拼接截面出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，且隨著荷載力度加大，其持續(xù)向兩端方向擴(kuò)張屈服；

（2）縮減空鼓占比能夠提升梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力，并且需保證混凝土強(qiáng)度等級不能偏低，混凝土強(qiáng)度偏低同樣會造成梁柱節(jié)點(diǎn)承載力下降；

（3）在其他條件一致情況下，勁性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的腹板厚度越大，節(jié)點(diǎn)的承載力越強(qiáng)，提升混凝土強(qiáng)度也會加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的承載力；

（4）在一定范圍內(nèi)，提升軸壓比能夠使梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力同步提升，軸壓比超過0.8后則其承載力略有下降，當(dāng)混凝土強(qiáng)度由C30提升至C40，梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力增幅達(dá)到16.09%。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）