CN113673061B - 一种梁节点的抗剪承载力的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梁节点的抗剪承载力的评估方法，通过计算节点上部核心区的抗剪承载力V_j1和节点下部核心区的抗剪承载力V_j2，能够对整个核心区的抗剪承载力进行更为精确地把控，从而提升最终节点核心区的抗剪承载力V_j的计算结果可靠性。在计算V_j1和V_j2的时候，不仅考虑了上部核心区轴压力的有利作用项V_N1和下部核心区轴压力的有利作用项V_N2，还额外考虑了上部核心区轴压力的不利作用项V_N1′和下部核心区轴压力的不利作用项V_N2′，使得最终计算出的V_j1和V_j2更为符合实际情况。

Description

一种梁节点的抗剪承载力的评估方法

【技术领域】

本发明涉及一种梁节点的抗剪承载力的评估方法，属于横梁应力分析领域。

【背景技术】

横梁与上下柱的节点是传递分配内力以及保证结构整体性的重要构件，在水平地震作用下，节点核心区的剪力往往是梁端和柱端的数倍，因此针对节点核心区抗剪承载力的评估具有十分重要的意义。

传统抗剪承载力计算方法若要得出十分精确的计算结果，就不得不考虑大量计算变量，导致计算量十分巨大，性价比较低。而忽略部分变量的情况下，计算结果与实际情况偏差较大，计算结果也失去了参考价值。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种梁节点的抗剪承载力的评估方法。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种梁节点的抗剪承载力的评估方法，包括如下步骤：

步骤S1：计算节点核心区混凝土强度的有利作用项Vc；

步骤S21：计算节点上部核心区轴压力的有利作用项V_N1；

步骤S22：计算节点上部核心区轴压力的不利作用项V_N1'；

步骤S23：计算节点下部核心区轴压力的有利作用项V_N2；

步骤S24：计算节点下部核心区轴压力的不利作用项V_N2'；

步骤S31：计算节点上部核心区配箍率的有利作用项V_S1；

步骤S32：计算节点下部核心区配箍率的有利作用项V_S2；

步骤S41：计算节点上部核心区的抗剪承载力V_j1，

步骤S42：计算节点下部核心区的抗剪承载力V_j2，

步骤S43:节点核心区的抗剪承载力为V_j，V_j＝min(V_j1,V_j2)；

γ_RE为承载力抗震调整系数。

本发明的有益效果为：

通过计算节点上部核心区的抗剪承载力V_j1和节点下部核心区的抗剪承载力V_j2，能够对整个核心区的抗剪承载力进行更为精确地把控，从而提升最终节点核心区的抗剪承载力V_j的计算结果可靠性。选取V_j1和V_j2中的较小值作为V_j，能够避免高估节点核心区的实际抗剪承载力，从而减少对节点安全性误判情况的发生。在计算V_j1和V_j2的时候，不仅考虑了上部核心区轴压力的有利作用项V_N1和下部核心区轴压力的有利作用项V_N2，还额外考虑了上部核心区轴压力的不利作用项V_N1'和下部核心区轴压力的不利作用项V_N2'，使得最终计算出的V_j1和V_j2更为符合实际情况，因此也使得V_j1和V_j2更具备实际参考价值。此外本发明计算过程简单，计算量较少，具备较高的实际应用价值。

本发明Vc＝1.1η_jf_tb_jh_j，其中η_j为正交梁对节点的约束影响系数，b_j为节点核心区的截面有效验算宽度，f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值，h_j为节点核心区的截面高度。

本发明 f_yv为箍筋的抗拉强度设计值,A_svj为核心区有效验算宽度范围内同一截面验算方向的箍筋各肢的全部截面面积,h_bo为梁端有效高度，a’_s为受压区普通纵向钢筋合力点到混凝土边缘的距离，s为箍筋间距,β为上柱倾角，/>为下柱倾角。

本发明其中η_j为正交梁对节点的约束影响系数，b_j为节点核心区的截面有效验算宽度，b_c为柱截面宽度，β为上柱的倾角，/>为下柱倾角，N为上柱轴压力。

本发明 其中η_j为正交梁对节点的约束影响系数，b_j为节点核心区的截面有效验算宽度，b_c为柱截面宽度，β为上柱倾角，/>为下柱倾角，N’为下柱的轴压力。

本发明γ_RE＝1。

本发明η_j＝1。

本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明实施例的梁节点的主视结构示意图；

图2为本发明实施例的梁节点的受力分析图；

图3为E1、E1-S1、E1-S2、E1-S3、E1-S4分别通过实施例、对比实施例1和对比实施例2方法计算得到的V_j数值的柱状图；

图4为E1、E1-S1、E1-S2、E1-S3、E1-S4通过实施例和对比实施例1计算得到的V_j数值和对比实施例2计算得到的V_j数值之间的偏差率柱状图；

图5为E1-D1、E1-D2、E1-D3、E1-D4分别通过实施例、对比实施例1和对比实施例2方法计算得到的V_j数值的柱状图；

图6为E1-D5、E1-D6、E1-D7、E1-D8分别通过实施例、对比实施例1和对比实施例2方法计算得到的V_j数值的柱状图；

图7为E1-D-β1、E1-D-β2、E1-D-β3、E1-D-β4分别通过实施例、对比实施例1和对比实施例2方法计算得到的V_j数值的柱状图；

图8为分别通过实施例、对比实施例1和对比实施例2方法计算得到的V_j数值的柱状图；

图9为E1、E1-S1、E1-S2、E1-S3、E1-S4、E1-D1、E1-D2、E1-D3、E1-D4、E1-D5、E1-D6、E1-D7、E1-D8、E1-D-β1、E1-D-β2、E1-D-β3、E1-D-β4和中/>数值分布图；

图10为E1、E1-S1、E1-S2、E1-S3、E1-S4、E1-D1、E1-D2、E1-D3、E1-D4、E1-D5、E1-D6、E1-D7、E1-D8、E1-D-β1、E1-D-β2、E1-D-β3、E1-D-β4和中/>数值分布图。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例：

参见图1和2，横梁1端部、上柱2下端和下柱4上端三者交汇位置为节点3。横梁1端部和上柱2下端的交汇部分为节点上部核心区3a，横梁1端部和下柱4上端的交汇部分为节点下部核心区3b。横梁1处于水平状态，而上柱2和下柱4可能处于竖直状态，也可能不处于竖直状态。其中β为上柱倾角，为下柱倾角，即，横梁1和上柱2之间的轴线夹角为β，横梁1和下柱4之间的轴线夹角为/>其中上柱2所受竖直方向的压力(上柱2的轴压力)为N，故而上柱2在其自身轴向上所受分力为N sinβ，上柱2在垂直于轴向上所受分力为N cosβ。同理，下柱4所受竖直方向的压力(下柱4的轴压力)为N’，故而下柱4在其自身轴向上所受分力为下柱4在垂直于轴向上的所受分力为/>

针对图1中的结构，本实施例提供了一种梁节点的抗剪承载力的评估方法，以针对整个节点3进行抗剪承载力的评估。

具体的，上述评估方法包括如下步骤：

步骤S1：计算节点核心区混凝土强度的有利作用项Vc；

步骤S21：计算节点上部核心区3a轴压力的有利作用项V_N1；

步骤S22：计算节点上部核心区3a轴压力的不利作用项V_N1'；

步骤S23：计算节点下部核心区3b轴压力的有利作用项V_N2；

步骤S24：计算节点下部核心区3b轴压力的不利作用项V_N2'；

步骤S31：计算节点上部核心区3a配箍率的有利作用项V_S1；

步骤S32：计算节点下部核心区3b配箍率的有利作用项V_S2；

步骤S41：计算节点上部核心区3a的抗剪承载力V_j1，

步骤S42：计算节点下部核心区3b的抗剪承载力V_j2，

步骤S43:节点核心区的抗剪承载力为V_j，V_j＝min(V_j1,V_j2)。

其中γ_RE为承载力抗震调整系数，一般γ_RE＝1。

与现行常规针对节点3的抗剪承载力评估方法不同，本实施例并非直接计算整个节点3的抗剪承载力，而是将节点3分为节点上部核心区3a和节点下部核心区3b，通过分别计算V_j1和V_j2，从而更为精确地把控节点3整个核心区的抗剪承载力，因此最终得到的V_j具备良好的可靠性和参考价值。

以V_j1为例，与现有传统V_j1的计算方法不同，V_j1在计算过程中不仅考虑了Vc、V_N1、V_S1三个有利作用项，还额外考虑了不利作用项V_N1'，因此计算得到的V_j1更为贴近实际值，避免计算得到的V_j1过高。同理，相似的计算过程也避免了V_j2的计算结果过高，并且更为贴近实际数值。在此基础上，不论采用何种计算方式对V_j1和V_j2进行处理，最终得到的V_j都能够较为贴近实际值。

V_j选用V_j1和V_j2中的较小值，以避免高估V_j，以使得V_j更为贴近实际值，以此进一步得到V_j的可靠性，对实际节点3的结构设计有更好的指导意义。

与现有计算方式，如《混凝土结构设计规范GB 50010-2010》(2015年版)(简称：混规2015)中第11.6.4条关于节点抗剪承载力的计算方法，相比而言，本实施例评估方法仅仅额外增加了V_N1'和V_N2'两个变量的额外计算，于整个计算过程而言，计算量增加很小，整体计算量依然维持在较低水平，因此该评估方法具备较高的应用价值。

常规的，步骤S1中Vc＝1.1η_jf_tb_jh_j，与混规2015保持一致，其中η_j为正交梁对节点的约束影响系数，通常而言η_j＝1，b_j为节点核心区的截面有效验算宽度，f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值，h_j为节点核心区的截面高度。

以混规2015为例，现有技术中一般默认β和φ均为90°，然后再对V_N1、V_N2、V_S1和V_S2进行计算，其原因在于现有技术中一般默认β和即使与90°有一定的偏差，对V_N1、V_N2、V_S1和V_S2的计算结果影响不大。

但是本实施例额外考虑β和的具体数值，在此基础上对V_N1、V_N2、V_S1和V_S2进行计算。

其中

f_yv为箍筋的抗拉强度设计值,A_svj为核心区有效验算宽度范围内同一截面验算方向的箍筋各肢的全部截面面积,h_bo为梁端有效高度，a’_s为受压区普通纵向钢筋合力点到混凝土边缘的距离，s为箍筋间距。其中使得V_S1和V_S2的计算方式与混规2015大致保持一致。

而和/>分别作为V_S1和V_S2的修正因子，从而在配箍率方面将β对节点上部核心区3a的范围影响以及/>对节点下部核心区3b的范围影响纳入至计算结果中。从而提升V_S1和V_S2最终计算结果的精度。当β和/>均为90°时，/>和均为1，故而此时V_S1和V_S2可以与混规2015的计算结果保持一致。

同理，b_c为柱截面宽度，其中上柱2和下柱4的柱截面宽度一般相同，故而V_N1和V_N2的计算公式中统一为b_c。

和/>使得V_N1和V_N2的计算过程与混规2015大致保持一致。sinβ和/>作为修正因子，以将β对上部核心区3a轴压力的影响和/>节点下部核心区3b轴压力的影响反应至V_N1和V_N2的计算结果中。可以看到，当β和/>均为90°时，本实施例V_N1和V_N2的计算结果与混规2015保持一致。

N cosβ和的存在是产生V_N1'和V_N2'的主要原因。基于此，本实施例V_N1'和V_N2'的计算方式如下：

为了验证本实施例评估方法的有效性，针对5种不同梁节点模型进行评估，具体模型命名和β数值如表1所示，在E1、E1-S1、E1-S2、E1-S3、E1-S4中，

表1

其中b_j＝0.2m，h_j＝0.2m，f_yv＝360MPa，A_svj＝5.65m²，N＝N’＝200kN，h_bo＝0.27m，a’_s＝0.03m，f_t＝1.51MPa，s＝0.05m，b_c＝0.2m。

其中本实施例V_j的计算结果如表2所示。

表2

对比实施例1：

本对比实施例采用混规2015对E1、E1-S1、E1-S2、E1-S3、E1-S4的V_j进行计算，其中该公式中b_j＝0.2m，h_j＝0.2m，f_yv＝360MPa，A_svj＝5.65m²，N＝N’＝200kN，h_bo＝0.27m，a’_s＝0.03m，f_t＝1.51MPa，s＝0.05m，b_c＝0.2m。

本对比实施例V_j的计算结果如表3所示。

表3

对比实施例2：

本对比实施例采用有限元分析软件ANSYS进行仿真数值模拟，采用分离式建模方式对E1、E1-S1、E1-S2、E1-S3、E1-S4的V_j进行计算，本对比实施例的计算方法为现有技术，不再进行展开叙述。

其中混凝土采用solid65单元，钢筋采用link8单元。单元参数设置中混凝土初始弹性模量为2.65E+4MPa，泊松比为0.2，抗拉强度标准值设为2.2MPa，钢筋初始弹性模量为2.00E+5MPa，泊松比为0.3，有限元网格划分精度为5cm。

本对比实施例采用的方法为现行最为精准的V_j计算方法，计算过程较为复杂，耗时较长，计算结果可以作为标准值。

本对比实施例V_j的计算结果如表4所示。

表4

为了便于对实施例、对比实施例1以及对比实施例2计算出的V_j进行比较和区分，实施例中的V_j记为V_jχ，对比实施例1中的V_j记为V_jΨ，对比实施例2中的V_j记为V_jω，则误差或/>

参见图3和4，可以看出，在五种模型中，V_jχ均小于V_jω，而在E1-S1和E1-S2中，V_jΨ大于V_jω，对应的ε分别为15％和6％，由此可见混规2015计算得到的V_j数值容易变大，从而容易导致对安全性产生误判。

为了进一步对实施例、对比实施例1以及对比实施例2进行比较，额外增加比较模型，其中模型名称以及对应的β和V_j如表5、表6、表7所示。

表5

表6

表7

参见图5-8，针对模型E1-D1、E1-D2、E1-D3、E1-D4、E1-D5、E1-D6、E1-D7、E1-D8、E1-D-β1、E1-D-β2、E1-D-β3、E1-D-β4、 V_jΨ均不同程度超过V_jω，由此可见通过混规2015对节点核心区的抗剪承载力进行计算，会对后续工程设计带来极大的安全隐患。与之相对，采用实施例中的评估方法计算得到的V_jχ均小于V_jω，因此基于V_jχ对后续工程进行设计，能够有效提升最终工程结构安全性。

参见图9-10，几乎所有数值均大于1，因此混规2015计算抗剪承载力极易发生超标，也超标幅度甚至超过1，在后续工程设计过程中很容易导致潜在安全隐患。与之相对，实施例计算得到的/>均小于1，因此几乎可以杜绝抗剪承载力数值超标情况的发生，极大提升后续工程设计过程安全性。此外所有/>的数据方差为0.074，而所有/>的方差仅为0.005，由此可见随着β和/>数值的变化，/>的比值更为恒定，而/>的浮动较大，因此V_jχ相比V_jΨ更能反映V_jω，因此整体而言V_jχ更能反映实际情况，精确性更高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (3)

1.一种梁节点的抗剪承载力的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：计算节点核心区混凝土强度的有利作用项V_c；

步骤S21：计算节点上部核心区轴压力的有利作用项V_N1；

步骤S22：计算节点上部核心区轴压力的不利作用项V_N1'；

步骤S23：计算节点下部核心区轴压力的有利作用项V_N2；

步骤S24：计算节点下部核心区轴压力的不利作用项V_N2'；

步骤S31：计算节点上部核心区配箍率的有利作用项V_S1；

步骤S32：计算节点下部核心区配箍率的有利作用项V_S2；

步骤S41：计算节点上部核心区的抗剪承载力V_j1，

步骤S42：计算节点下部核心区的抗剪承载力V_j2，

步骤S43:节点核心区的抗剪承载力为V_j，V_j＝min(V_j1，V_j2)；γ_RE为承载力抗震调整系数；

其中，

Vc＝1.1η_jf_tb_jh_j，其中η_j为正交梁对节点的约束影响系数，b_j为节点核心区的截面有效验算宽度，f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值，h_j为节点核心区的截面高度；

；

f_yv为箍筋的抗拉强度设计值,A_svj为核心区有效验算宽度范围内同一截面验算方向的箍筋各肢的全部截面面积,h_bo为梁端有效高度，a’_s为受压区普通纵向钢筋合力点到混凝土边缘的距离，s为箍筋间距,β为上柱倾角，为下柱倾角；

其中η_j为正交梁对节点的约束影响系数，b_j为节点核心区的截面有效验算宽度，b_c为柱截面宽度，β为上柱倾角，为下柱倾角，N为上柱的轴压力；

，

其中η_j为正交梁对节点的约束影响系数，b_j为节点核心区的截面有效验算宽度，b_c为柱截面宽度，β为上柱倾角，为下柱倾角，N’为下柱的轴压力。

2.根据权利要求1所述的梁节点的抗剪承载力的评估方法，其特征在于，γ_RE＝1。

3.根据权利要求1所述的梁节点的抗剪承载力的评估方法，其特征在于，η_j＝1。