不同构造条件下混凝土柱-钢梁混合节点抗震性能的比较研究

潘志宏, 朱延章, 周智彬, 汪 平, 姜姝英

(江苏科技大学 船舶与建筑工程学院,江苏 张家港 215600)

不同构造条件下混凝土柱-钢梁混合节点抗震性能的比较研究

潘志宏, 朱延章, 周智彬, 汪 平, 姜姝英

(江苏科技大学 船舶与建筑工程学院,江苏 张家港 215600)

为研究不同构造条件下混凝土柱-钢梁混合节点的抗震性能,提出一种新型钢筋混凝土柱-钢梁混合结构节点,对其进行了低周往复荷载试验,并与文献已有节点试件的抗震性能进行了对比研究.结果表明:新型节点能获得较高的承载能力;采用削弱外伸梁端节点的构造措施,能将塑性铰从梁端外移,避免对节点核心区的不利影响,实现“强柱弱梁,强节点弱构件”的抗震设计要求;该新型节点滞回曲线整体呈纺锤形,等效粘滞阻尼系数为0.31,表明端板屈曲能较好耗散能量,具有良好的耗能能力.

混合结构; 抗震性能; 节点连接

国内外学者对混凝土柱-钢梁(Reinforeed concrete columns and steel beams,RCS)结构节点做了大量的研究,研究方向主要分为梁贯穿型节点和柱贯穿型节点[1-2],并在此基础上进行了改进和发展[3-5].梁贯穿型节点往往需要采用复杂的构造来提高节点的强度和刚度,以避免节点区域发生剪切和承压破坏.这些构造不仅对抗震性能产生影响,同时增加了施工难度.柱贯穿型节点中,钢梁通过栓接,焊接或连接件(角钢、短T型钢和端板)等连接在柱端,节点核心区受力复杂,连接不当容易对节点核心区产生不利影响.如在栓接节点中,柱上打孔将削弱混凝土柱的抗剪能力;焊接节点中,焊缝将成为节点最薄弱的环节.

基于传统的RCS节点构造形式在节点受力性能及施工操作等方面仍存在局限性,为研究不同构造条件下混凝土柱-钢梁混合节点的抗震性能,文中通过与已有的柱贯穿型中栓接节点[6]对比,提出一种新型RCS节点,该新型节点可实现工厂预制,现场装配的生产方式:“田字”钢板栅预制好,与外伸的刚梁臂预埋在混凝土柱中,现场通过螺栓将梁和钢梁臂拼接即可完成框架的施工,符合建筑产业化的生产要求.文中研究了该新型节点在低周反复荷载下的抗震性能,对促进装配式结构的发展具有重要工程实践意义,也为装配式混合结构节点构造在工程实践中推广提供依据.

1 试验

文献[6]中通过低周反复试验,研究了两种不同构造的混凝土柱-钢梁节点的抗震性能.根据连接锚固螺栓数量不同以及梁柱的连接方式不同分为两个试件RCSJ1和RCSJ2,试件构造为:在柱中预埋锚栓将连接板连接于柱端,两者之间涂结构胶加强粘结,钢梁上下翼缘焊接于连接板上,用螺栓连接梁腹板的盖板焊接于柱端的连接板上.RCSJ1和RCSJ2连接的钢梁与混凝土柱均相同,其中钢梁长2.5m,截面尺寸为HN350mm×175mm×6mm×9mm;混凝土柱尺寸为2200mm×400mm×400mm,柱配筋10φ16,φ8@100[6].节点构造如图1,2.

图1 RCSJ1试件概况及节点连接方式(单位：mm)Fig.1 Details of RCSJ1 and connections of joints(unit:mm)

图2 RCSJ2试件概况及节点连接方式(单位：mm)Fig.2 Details of RCSJ2 and connections of joints(unit:mm)

文中提出的新型RCS节点,节点区域采用梁贯穿型,且梁间采用端板拼接,其构造特点如下:①节点核心区通过增设“田字”钢板栅(用角钢焊接而成,“田字”型钢板栅分别焊接在预埋钢梁的上下翼缘,与钢梁形成一个整体),对核心区形成有效的约束,从而增强节点核心区的强度和刚度.②采用削弱外伸梁端节点的构造措施[7-8],将塑性铰的位置从梁端外移到削弱处,避免塑性铰对节点核心区的不利影响,符合强节点、弱构件的抗震设计理念.外伸梁端节点通过端板连接,利用端板屈曲耗能,而且有利于震后的修复和替换.新型节点编号为RCSJ3.RCSJ3钢梁长1.3m,截面尺寸为HN350mm×175mm×7mm×11mm,混凝土柱尺寸为2200mm×400mm×400mm,柱配筋为12φ16,φ8@100.以上所用钢材均为Q235钢,混凝土强度等级为C30,试件所用螺栓均为8.8级摩擦型高强螺栓,摩擦面用喷砂处理.节点构造如图3,实物如图4.

图3 RCSJ3试件概况及节点连接方式(单位：mm)Fig.3 Details of RCSJ3 and connections of joints(Unit:mm)

图4 RCSJ3节点构造实物Fig.4 Material object of RCSJ3 joints

2 试验结果对比分析

2.1 试验破坏特征

根据各试件的加载情况,将试件的受力过程分为4个阶段:未裂阶段、开裂阶段、屈服阶段、破坏阶段,各阶段梁端荷载的实测值见表1,其中试件RCSJ1和RCSJ2试验值参考文献[6].

表1 试验结果一览表Table 1 Test results of specimens

注:1)Pcr,Δcr为节点区混凝土开裂荷载与位移;Py,Δy为屈服荷载与位移;Pmax,Δmax为最大荷载与位移;Pu,Δu为破坏荷载与位移;
2)由于参考试件RCSJ1和RCSJ2破坏前节点核心区域无裂缝,故Pcr值和Δ值未知.

试件RCSJ1和RCSJ2破坏形态基本相同，都是焊缝被拉断,不同之处在于RCSJ1在加载约到60kN时,检查发现梁一侧下翼缘与封口板对接焊缝局部被拉裂,而RCSJ2在加载约到45kN时发现焊缝被拉裂.两试件在之后的循环过程中,裂缝处快速扩展,随之贯穿整条裂缝,在继续加载过程中,另一侧的翼缘与封口板对接焊缝的端部也出现了局部拉裂的情况.试验结束后,检查构件发现梁下翼缘与封口板之间的焊缝被拉断,节点区混凝土无破坏迹象[6].

试件RCSJ3最终破坏是端板屈曲断裂,在加载到145kN时,钢梁与混凝土相接触的表面出现初始裂缝,沿着钢梁根部向柱发展,此时梁端水平位移为12mm.位移加载到24 mm,对应荷载为184 kN时,端板开始屈服.当加载到42mm,左下焊缝断裂,盖板明显屈服,如图5a);随着位移加大,焊缝接连破坏,图5b)为右上焊缝破坏；最后,焊缝处端板屈曲断裂,而混凝土核心区未出现斜裂缝,只有初始的几条垂直向裂缝,如图5c).

2.2 承载能力

试件RCSJ3钢梁的长度1.3m,而RCSJ1和RCSJ2的钢梁长度为2.5m,所以梁端加载点到混凝土柱的距离不同,导致荷载差别很大,为了更好地观察和分析数据,将RCSJ3的数据根据梁端弯矩等效原则进行换算,得到表2.对比表2中各试件的试验值发现,试件RCSJ3的屈服荷载、极限荷载都比其他两个高很多,说明该新型节点具有较高的承载能力.

a) 盖板屈服

c) 最终破坏

表2 换算之后各试件的试验值Table 2 Test results of specimens after equal conversion

2.3 破坏机理

RCSJ1和RCSJ2节点连接采用焊缝连接,钢梁翼缘与封口板对接焊缝被拉断产生脆性破坏,使得其他各连接板件的强度未能得到充分利用,混凝土柱以及钢梁板件无明显破坏迹象,直接导致承载力各项指标偏低.节点组合件破坏未能形成理想的梁铰机制.

试件RCSJ3采用削弱外伸梁端节点的构造措施,将塑性铰的位置外移到削弱处,利用端板的屈曲耗散地震能量,避免对节点核心区的不利影响, 最终为端板屈曲破坏即削弱外伸梁端节点的梁铰机制破坏,实现了预期破坏的模式.试件RCSJ3节点核心区未出现剪切裂缝,仅梁柱交接处有少许垂直裂缝,由于能够有效发挥各连接构件的强度,承载能力最高.

2.4 滞回曲线

各试件的荷载-位移滞回曲线如图6,其中试件RCSJ1和RCSJ2试验值参考文献[6],通过对比各试件发现,RCSJ2滞回曲线没有RCSJ1饱满,说明锚栓个数的增加能够提高节点抗震能力;试件RCSJ3滞回曲线比较饱满,耗能能力良好,说明端板屈曲能够有效地耗散地震能量.

a) RCSJ1

b) RCSJ2

c) RCSJ3

2.5 延性

节点试件的延性是表征变形能力的一个重要参数,是结构、试件截面超过弹性阶段后其承载能力显著下降情况下的变形能力,延性通常采用延性系数表示.

延性系数是反映结构塑性变形能力和衡量受力性能的重要指标,延性系数越大,节点进入塑性状态后所能承受的变形就越大,节点的延性就越好.各试件的延性系数如表3;对于混凝土结构一般要求延性系数大于2,文中3个试件的位移延性系数均大于2,满足抗震设计要求.

表3 试件延性系数Table 3 Ductility coefficient

2.6 耗能能力

梁柱组合体试件在地震反复荷载下达到满意的性能,则须要试件在没有过快的刚度和强度退化条件下能耗散更多的能量.结构的耗能性能是其受力性能的主要衡量指标,试件在反复交变荷载作用下每经过一个循环,加载时先吸收能量,卸载时释放能量,但两者不相等.两者之差为构件在一个循环中的“能量耗散”，即一个滞回环所包含的面积.在现代工程抗震中,耗能能力的大小通常用等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E来评价.图7为一个典型的滞回环.

图7 耗能示意Fig.7 Sketch of energy dissipation

等效粘滞阻尼系数he的计算公式为

我国《建筑抗震试验方案规程》(JG101—96)对混凝土结构、钢结构、砌体结构、组合结构的构件及节点抗震基本性能试验和低周反复作用下的抗震性能试验,规定以能量散系数E来衡量试件的能量耗散能力

各试件的等效粘滞阻尼系数he和能量耗散系数E见表4.

表4 试件等效粘滞阻尼系数和能量耗散系数Table 4 Equivalent viscous damping and energydissipation coefficient

RCSJ1和RCSJ2等效粘滞阻尼系数和能量耗散系数均满足抗震设计要求,试件应变片显示[6]:两节点翼缘端部屈服,腹板处于弹性阶段,加载后期稍有变化,连接底板产生塑性变形但未屈曲,RCSJ1锚栓应变大于RCSJ2,但未屈服.可见连接处的翼缘、腹板、连接底板、锚栓都对耗能能力做出贡献,RCSJ1的耗能能力均比RCSJ2要强,其试件区别在于连接柱和连接板的锚栓数量不同,可见锚栓作为塑性材料在耗能方面发挥了很大的作用. RCSJ3的等效粘滞阻尼系数和能量耗散系数为3个试件中最大,说明其端板屈曲能够很好耗散能量,该新型节点具有良好的抗震性能.

3 结论

1) 文中提出的新型节点具有较高的承载能力,能实现“强柱弱梁,强节点弱构件”的抗震设计要求,采用削弱外伸梁端节点的构造措施,能将塑性铰从梁端外移,避免对节点核心区的不利影响.

2) 新型节点滞回曲线整体呈纺锤形,等效粘滞阻尼系数为0.31,利用端板屈曲能够较好耗散能量,具有良好的耗能能力.

3) 通过对比其他试件发现,新型节点具有较高承载能力,能够发挥各连接构件及混凝土的强度.

4) 由于连接部位的破坏主要集中在拼接处,而节点核心区没有破坏,说明通过合理设计,能实现混合结构节点震后破损构件的修复和替换.

5) 各试件破坏主要表现为焊缝断裂后,承载力急剧下降,由此说明,焊缝的质量非常重要,在这种节点的抗震设计中须要引起重视.

Refrences)

[1] 许伟,仲卿. 钢筋混凝土柱-钢梁结构节点的研究状况[J].四川建筑,2007, 27(z1):106-108.

[2] 李春宝,黄组波. 钢梁-钢筋混凝土柱节点在国内外的应用研究现状[J]. 森林工程,2006,22(4):49-51. Li Chunbao, Huang Zubo. The application research of steel beam-reinforced concrete colmnn joint at home and abroad[J].ForestEngineering,2006,22(4):49-51. (in Chinese)

[3] 陆铁坚,贺子瑛,余志武,等. 钢-混凝土组合梁与混凝土柱节点的抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2008,29(1):70-74. Lu Tiejian, He Ziying, Yu Zhiwu, et al. Experimental research on seismic behavior of SC beam to RC column connection[J].JournalofBuildingStructures,2008,29(1):70-74. (in Chinese)

[4] 戴绍斌,李兵,林明森，等.钢梁混凝土柱贯穿型节点抗震性能研究[J]. 武汉理工大学学报, 2009,31(10):48-51. Dai Shaobin, Li Bing, Lin Mingsen,et al. Research on the aseismic behavior of the penetrating column joint of reinforced concrete column and steel beam[J].JournalofWuhanUniversityofTechnology,2009,31(10):48-51. (in Chinese)

[5] 聂建国,王宇航,陶慕轩,等. 钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁外加环节点抗性能试验研究[J].建筑结构学报,2012,33(7):88-97. Nie Jianguo, Wang Yuhang, Tao Muxuan,et al. Experimental study on seismic behavior of laminated steel tube column-concrete beam joint with outer stiffening ring[J].JournalofBuildingStructures,2012,33(7):88-97. (in Chinese)

[6] 王哲夫. 钢梁-钢筋混凝土柱柱梁贯穿型节点受力性能研究[D]. 湖北武汉:武汉理工大学,2007.

[7] 李忠献.装配式钢骨混凝土框架边节点抗震性能试验[J].哈尔滨工业大学学报,2005, 37(z):319-324.

[8] 郁有升,王燕. 钢框架梁翼缘削弱型节点力学性能的试验研究[J].工程力学,2009,26(2):1-10. Yu Yousheng, Wang Yan. Experimental study on the mechanical property of reduced beam section connections of steel frames[J].EngineeringMechanics,2009,26(2):1-10. (in Chinese)

(责任编辑：顾 琳)

ComparativestudyonseismicbehaviorofanewtypeofRCcolumns-steelbeamconnectionswithdifferentdetails

Pan Zhihong, Zhu Yanzhang, Zhou Zhibin, Wang Ping, Jiang Shuying

(School of Naval Architecture and Architectural Engineering,Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang Jiangsu 215600,China)

In order to study the seismic behavior of RC columns-steel beams with different details, a new type of RC columns-steel beam connection was proposed. Through the experimental study on low cycle loading, the seismic behavior of the joint was analyzed, and the node was compared with existing joints. The research shows that: the new node can obtain higher bearing capacity; the position of plastic hinge is out-transmitted to the weakening section which may avoid the unfavorable influence of plastic hinge on the joint core by the weakened structural measures of overhanging beam; strong column and weak beam, strong node weak component of the seismic design requirements is realized. The hysteretic curve of the new node is spindle-shaped; equivalent viscous damping coefficient is 0.31. The buckling end plate can dissipate energy, and it has good energy dissipation capacity.

hybrid frame; seismic behavior; connection

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.04.005

2013-03-13

中铁集团科研项目;江苏省研究生科研创新计划项目(CXLX13-709);江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(201310289032Z);江苏科技大学大学生创新计划项目

潘志宏(1970-),男,博士,教授,研究方向为基于性态抗震理论、方法和应用，既有建筑功能提升改造技术，新型工业化结构体系研发等.E-mail:plfxlf@yahoo.cn

TU528.59

A

1673-4807(2014)04-0326-06