型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析

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发布时间：2021-09-03

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型钢混凝土柱中钢柱翼缘开孔分析
袁波，梁魏，张华刚，马克俭
(1．贵州大学空间结构研究中心，贵州贵阳550003；
2．中国联合工程公司，浙江杭州310014)
摘要：在实际工程中，特别是在高层和超高层结构中，型钢?昆凝土柱截面尺寸往往相对于钢筋混凝土梁要大得
多，有时柱中型钢翼缘甚至比混凝土梁要宽得多，这就无法满足钢翼缘不开孔的要求。本文以实际工程中存在的
混凝土梁一型钢混凝土柱的节点为研究对象，推导了型钢混凝土柱的缺损率公式，同时研究钢柱翼缘开孔大小、孔
间距、孔边距等参数对型钢混凝土柱中的钢柱翼缘应力分布的影响，最后，对工程中常用的开孔翼缘补强方法进行
分析，得出了补强板的最优板厚。
关键词：SRC柱；钢筋混凝土梁；缺损率；应力分布；最优板厚
中图分类号：TU375．1 文献标识码：A 文章编号：1008—1933(2012)02—009—05
Analysis of steel column wing with hole in SRC column
YUAN Bo ，LIANG Wei ，ZHANG Huagang ，MA Kejian
(1．Space Structrues Research Center of Guizhou University，Guiyang 550003，China；
2．China United Engineering Corporation，Hangzhou 310014，China)
Abstract：In practical engineering，especially in high—rise and super high-rise structure，the section of SRC column is ohen much bigger
than RC beam．even sometimes width of RC beam cross section is often even smaller than width of steel wing of SRC steel column．If
wing of section steel column not have hole，it is difi~culy to solve reinforcing bars go through node of beam—column directly，this paper
study on node of RC beam—SRC column which is often exist in practic engineering，deduced section steel colomn defect rate formula，
study on param eter which is size of hole，distant of between hole and hole and edge of steel column，having efect on distribute of stress
of wing．At last carrying out study on reinforced method of steel column wing with hole，having reached the optimum thick of reinforcing
board．
Key words：SRC column；RC beam；defect rate；stress distribute
0 前言对此做了分析和讨论。
在实际工程中，特别是在高层和超高层结构中，
很多时候会采用型钢混凝土柱一混凝土梁的结构形
式，通常型钢混凝土柱截面尺寸相对于钢筋混凝土
梁要大得多，有时柱中型钢翼缘甚至比混凝土梁要
宽得多，这个时候要是}昆凝土梁上下纵筋要连续穿
过柱就显得非常困难，因而不得不在柱中型钢翼缘
上进行开口。但是《型钢混凝土组合结构技术规
程》中规定：“设计上应减少梁纵向钢筋穿过柱内
型钢柱的数量，且不宜穿过型钢翼缘”。可是，在无
法避免而又必须开孔时，就不得不采取开孔方式，那
么，开孔对节点的影响及开孔率为多少为宜，本论文
收稿日期：2011-03—14
作者简介：袁波(1974一)，男，四川遂宁人，博士(后)，副教授，硕
士生导师，研究方向：多高层建筑结构与工程结构防灾减灾。
基金项目：国家自然科学基金项目(50968004)
E —mail：superyuanbo@ 163．corn
1 钢梁全塑性弯矩
YB9082—97《钢骨混凝土结构设计规程》在条
文说明中指出：当有某种情况而不能避免型钢翼缘
上的纵筋贯通孔时，必须将型钢截面的缺损率控制
在20％限度内，且应保证在型钢达到全塑性弯矩以
前不发生破坏。本文通过对实腹梁的受力状态分
析，来研究翼缘的开孔问题，因为其理论可引申到型
钢混凝土柱中。
在外力作用下，实腹梁的截面发展过程分为弹
性、部分塑性和塑性3个阶段。在弹性阶段，梁截
面上各点正应力均小于屈服点，而当截面最外边
缘的应力达到屈服点，v时所处的状态为弹性阶段
的极限状态；之后，随着外力的逐渐增加梁截面进入
部分塑性阶段，即截面上部分点应力同时达到屈服
点，其余点均小于厂v；当整个截面进入全塑性阶段
时，截面上所有点的应力均达到屈服点，形成塑性
10 四川建筑科学研究第38卷
铰，此时，梁截面达到极限承载力，所能承受的弯矩
为极限弯矩，即全塑性弯矩，其值为：
Mo= (s +s )=厂v (1)
式中．S ——中和轴以上净截面对中和轴的面积
矩；
S ——中和轴以下净截面对中和轴的面积
矩；
— — 净截面的塑性抵抗矩。
全塑性状态只是一种理想状态，截面上实际的
正应力分布不可能在中和轴处出现正负号的突变，
而是存在线性过渡区域，只是此时该过渡区域很小。
因此，当截面弯矩达到时，即认为达到全塑性状
态，翼缘(甚至部分腹板)上的应力进入强化阶段，
这一特性将是后面分析缺损率的重要依据。
2 缺损分析
在分析时，首先对计算作如下简化：
1)分析工字形钢的受弯能力时，忽略剪力；
2)忽略轴力的影响。
受弯构件截面设计时，十字形和工字形型钢的
截面塑性发展系数y 取为1．O5_3 J，也即在型钢没
有削弱时可进入部分塑性状态，但未达到全塑性状
态。若使型钢达到全塑性弯矩，一般柱型钢全塑性
发展系数y 通常在1．120和1．235 L4 J之间，可见，y
与的值非常接近，差值不超过8％。因此，即使
型钢达到全塑性状态，弯矩也提高得不多。实际上
若型钢真的达到了全塑性状态，这时候的变形将会
很大，柱子可认为已经破坏，所以翼缘原则上不可削
弱。但《型钢混凝土组合结构设计规程》⋯ 给出的
计算方法比较保守，偏于安全，和理论解比有较大的
安全储备，翼缘在不得已的情况下确有可开孔的可
能，所以为了给出翼缘缺损的一个界限判定条件，可
把型钢单独取出研究，取正常截面达到全塑性弯矩
这一极限状态，要求在这个状态下被削弱的翼缘不
能发生破坏。
取钢材Q345(厚度为17—35 mm)作为分析对
象，建立如图3所示的三折线应力一应变曲线的数
学模型(完全弹塑性加硬化模型) J，模型中，各个
阶段的控制应力和应变取值如下：，v=325 N／ram2，
= 0．0016， =470 N／ram ，s =0．09，E。=2．06
X10 N／mm 。
设原翼缘面积为A。，削弱后的面积为A ，缺损
率为6=(A。一A )／A。，当原截面达到全塑性时，翼
缘对中性轴产生的弯矩为Mo=fyA。h。(h。为翼缘形
心轴到截面中和轴的距离)，翼缘削弱后减少的弯
矩为△Mo： (A。一A1)h。。
当缺损截面的翼缘及部分腹板进入强化阶段，
其可增加的最大弯矩为
Mb =(fo—fr)A h0+( 一 )bh h (2)
式中 ——翼缘强化后的平均应力；
— — 腹板强化部分的平均应力；
6——腹板厚度；
— — 腹板等效矩形应力到截面中和轴的距
离；
：— — 腹板等效矩形应力的高。
于是应有
AM ≤Mb一 (3)
式中腹板增加的弯矩( 一，v) 要比翼缘部
分小很多，现在偏安全的略去，根据式(2)和(3)可
得
AM =(Ao—A ) 。≤ (fo一 )A1ho (4)
化简得
J
fy≤} (5)
变换不等式得
砉≤ 一-一 ≤-一砉一 ≤·一砉c6
以fo=厂v+0．01( 0— h)E ， 0= ho／h，
= 0．09， h=0．02， =325 N／mm ，E =2．06×10
N／mm 代人上式得
≤ 卜丽 (7)
根据式(7)可知，对应于一个。／^的比值，6都
有相应的最大值。虽然实际工程中工字型钢的具体
尺寸各不相同，但各部分的尺寸比例应在一定范围
内，现以我国国家标准《热轧H型钢和剖分T型钢》
为参考，得到的最小值0．86，代入式(7)得6≤
0．27。
考虑到实际存在的剪力和轴力影响，以及利用
钢材强化阶段的不安全性，取6≤0．20，即当翼缘缺
损率控制在20％以内时，可保证柱中型钢在达到全
塑性弯矩以前不发生破坏。
3 柱翼缘开孔有限元模型
本章主要的目的是分析在弯矩作用下开孔对型
钢翼缘的影响，以及补强后的效果，为了简便以及一
目了然，所以只建型钢部分，将开孔部位设置在纯弯
段内，如图1所示。模型为简支工字形梁，梁长1．8
m，在离两端简支约束各0．3 111的地方加垫板，在上
面加均布荷载，此时，梁中产生纯弯区段。工字型钢
的材料模型采用三折线应力一应变数学模型(