交错桁架体系RC柱与桁架连接节点受力性能分析

摘要

交错桁架结构体系最早于20世纪60年代出现于美国,并得到了广泛应用,典型的交错桁架结构体系主要由柱、楼板及平面桁架等构件组成,柱可采用H型钢柱、钢管柱、钢管混凝土柱等,楼板可以采用空心楼板、叠合楼板、现浇钢筋混凝土楼板等,桁架可以采用空腹式桁架、帕式桁架或混合式桁架。该结构体系具有开间大、施工便捷、经济、高效、环保等优势,同时其结构质量轻、整体受力性能好,柱内力一般较小,导致采用钢柱时设计控制指标通常为长细比,造成了材料的浪费。预制钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）柱具有实心截面且施工便捷的优势,运用在交错桁架结构体系中,可以更充分地利用柱的力学性能,进而提高交错桁架结构体系的经济效益。然而,要实现RC柱的应用必须先实现柱-桁架节点的可靠连接。中建科技有限公司设计开发了采用预制RC柱、钢桁架和预应力混凝土楼板的装配式交错桁架结构,重庆大学对该结构体系进行了静力弹塑性分析,以评估其抗震性能。国内外学者对交错桁架结构体系中的桁架及结构体系抗震性能进行了大量的试验研究与理论分析,但对于交错桁架结构体系节点仅少量学者进行了一些较为初步的研究,且主要针对钢或钢管混凝土柱-桁架节点。为研究交错桁架体系中RC柱与桁架连接节点的受力性能,基于ABSQUS有限元软件,针对该工程中采用的典型RC柱-桁架节点,即RC柱与上弦杆和斜腹杆连接处的牛腿加预埋板式节点,建立了有限元模型,对其在结构设计分析中出现的5种最不利工况下的应力分布、斜腹杆荷载-位移曲线以及弦杆截面内力进行了分析,主要研究参数包括RC柱轴压比、是否限制弦杆水平位移及斜腹杆的受力情况。研究结果表明:1)杆件内力可通过节点板传至牛腿或预埋钢板,再通过锚杆传至柱内,传力路径明确,节点设计合理。2)各类杆件均先于节点区钢筋屈服,满足"强节点,弱构件"的设计要求。3)不释放弦杆水平位移的工况中,弦杆和斜腹杆强度利用更充分,柱中钢筋应力发展程度较释放弦杆水平位移的工况弱。4)不释放弦杆水平位移时,由于此时弦杆和斜腹杆强度利用更充分,柱中钢筋应力发挥程度不高,因此承载力和位移均更大;轴压比为0的工况中,斜腹杆荷载在位移为5 mm之前随位移线性增大,5 mm之后由于节点区塑性变形增长,荷载随位移增长速率减慢。5)峰值荷载时,除轴压力为0工况的剪力外,其他工况下弦杆的弯矩和剪力均较小;限制弦杆水平位移的工况下的弦杆轴力明显大于释放弦杆水平位移的工况,且斜腹杆峰值荷载提高约10%。6)为减轻由于牛腿造成的柱偏心效应,建议适当增加钢筋混凝土的纵筋配筋率,以提高其安全储备。