矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点试验研究

刘殿忠，李红现，陈 阳

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

0 引言

钢管混凝土结构就是钢管和混凝土组成整体来共同受力的组合结构形式[1],一般表现为轴心受压、小偏心受压构件,本文中采用的内隔板式矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点就是一种在实际工程中常用的钢管混凝土组合结构[2].在钢管混凝土中,尽可能最大限度地发挥两种材料各自的优点,使其达到“1+1>2”的作用效果[3],其工作原理主要有两部分:一是钢管易发生屈曲失稳而失去沿管轴向抗压能力，但是内部混凝土可以阻止钢管发生压屈失稳,增强钢管自身稳定性;二是钢管同样也对内部灌注的混凝土产生环向约束作用,让其处于三向受压状态,进一步增强了混凝土的整体轴向抗压强度[3].

1996年,Alostaz等[4]人通过试验研究了对设置不同构造措施的钢管混凝土柱-钢梁节点抗震性能,其构造措施有简单焊接、预埋和穿心等.该试验以轴压比、钢管径厚比和梁的弯矩剪力比等作为控制变量因素,分别研究了节点的承载及抗震性能,试验结果表明,钢梁内力传递给其内部灌注的混凝土类型连接节点比采用焊接连接方式的节点,具有更好的承载力和耗震性能.

2004年,宗周红等[5]人在柱端施加低周反复荷载，研究对矩形钢管混凝土柱-钢梁半刚性加劲端板和双T板连接节点的力学性能影响;分析不同轴压比下的滞回耗震性能、强度与刚度退化特征、延性变形与破坏机理;通过试验对比得出,轴压比对节点转动效应有直接的影响,对于加劲端板及双T板连接节点,在轴压比不同的情况下,节点转动的作用效果也不同,但均具有良好的转动变形能力.

1 试验概况

1.1 试验节点模型设计

试验中设计制作了3个试件节点分别命名为JD-1，JD-2和JD-3.对其进行低周往复试验,对试件节点的承载能力、强度及刚度退化特性、延性变形能力、抗震能力、破坏机理及特征进行试验研究.

试验以多层框架混合结构建筑为例,设计时没有考虑现浇楼板两个主轴方向同时受到地震力的影响,目的是突出试验研究的主要内容,由于实际尺寸较大,考虑到结构试验室条件,本试验试件是按照1∶2的缩尺进行设计的,节点选取位置及尺寸示意如图1所示.

(a)

(b)

1.2 空鼓下的内隔板设计

由于灌注不均匀或钢管内混凝土振捣不充分导致在钢管内部灌注的混凝土与钢管壁之间出现空隙,这个空隙就是空鼓,空鼓详见图2.本试验中试件节点选取的是“空鼓存在于柱截面对边处”的边跨节点详见图3,本试验将空鼓占比不同的节点与“无空鼓”的节点进行试验对比分析.

(a) (b) (c)图2 空鼓示意Fig.2 Empty drums

空鼓采用方形柱状塑料泡沫条,当空鼓存在于柱截面对边处时,在柱截面两条短对边的内隔板下方,分别设置两种不同占比的空鼓：一种是空鼓占比为10 %的空鼓,粘结着尺寸为17 mm×17 mm×180 mm的方形柱状塑料泡沫条;另一种是空鼓占比为20 %的空鼓,粘结着尺寸为34 mm×34 mm×180 mm的方形柱状塑料泡沫条;塑料泡沫条的设置位置均相同.同样,在内隔板式节点中,分为上内隔板式和下内隔板式节点,但是由于本试验中上下两块内隔板灌注位置基本相同,故采用相同的空鼓内隔板式节点布置方式,见图3.

(a)

(b)

1.3 试件模型制作

本试验共制作了3个试件,分别是无空鼓的JD-1,空鼓占比10 %的JD-2,空鼓占比20 %的JD-3,其中试件中钢管混凝土柱截面尺寸表达式为:长边×短边×长边壁厚×短边壁厚(B1×B2×t1×t2);H型钢梁的截面尺寸表达式为:梁高×梁宽×腹板厚度×翼缘厚度(H×B×t1×t2);其试件具体参数详见表1,空鼓具体参数详见表2.

表1 节点试件参数Table 1 Node specimen parameters

表2 节点空鼓存在情况Table 2 Existence of node empty drums

1.4 材料力学性能

矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点是由钢材和混凝土两种不同的材料组成的,钢材选用Q 235 B级钢[6],混凝土采用C 40级普通混凝土[7];具体材料性能指标见表3.

表3 钢材和混凝土的材性试验结果Table 3 Timber test results of steel and concrete

1.5 试验加载装置及加载制度

本试验采用两台美国产的MTS拟静力加载伺服作动器[8],其中一台设在竖直方向,用于对试件进行模拟施加轴向荷载,另一台设在水平方向,用于模拟施加水平方向上的地震荷载;试验加载装置如图4所示.试验加载采用分级加载的方式,对梁柱分别施加水平及轴向荷载,依据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101-2015)[9]的规定,整个加载分为两部分:第一部分以加载值的5 %为一级,分四级进行加载至20 %,然后进行持荷10 min后卸载;第二部分以加载值20 %为一级,分五级加至预定荷载值,具体加载制度见图4.

(a)

(b)

1.6 量测内容及测点布置

本试验量测内容主要是[8],柱端和梁端荷载-位移滞回曲线,其中位移计主要布置在柱两端、节点柱上下壁和梁自由端等部位测量矩形钢管柱和型钢梁的位移;应变片主要布置在梁柱相接处节点核心区、来测量钢梁的剪切和变形能力及应力随时间变化的规律;位移计及应变片布置如图5所示.

(a)

(b)

(c) (d) (e)图5 位移计及应变片布置Fig.5 Layout of displacement gauge and strain gauge

2 试验结果

2.1 荷载-位移P-Δ曲线

试验中试件JD-1,JD-2和JD-3的破坏特征有许多共同之处,其中JD-3因焊缝提前开裂滞回曲线出现明显的捏缩现象,但JD-1,JD-2滞回曲线形状相差不大,其滞回曲线如图6所示.

图6 试件P-Δ滞回曲线Fig.6 P-Δ hysteretic curves of specimen

在弹性阶段内,当试件节点受力未达到屈服状态时,滞回曲线斜率基本不变;在试件节点屈服之后,P-Δ曲线却出现了明显的拐点,试件节点承载力基本无变化,但变形量增加明显,继续加载达到节点极限承载力之后,节点的荷载开始降低,并最终下降至极限承载力的85 %左右.除了试件JD-3因焊缝质量问题而提前发生开裂,导致其试验力发生急剧下降,试件自身承载力迅速降低之外,试件JD-1,JD-2的滞回曲线均比较饱满,具有良好的耗震性能.

2.2 骨架曲线分析

本试验试件JD-1,JD-2和JD-3的骨架曲线如图7所示.

图7 试件骨架荷载-位移P-Δ曲线及汇总Fig.7 Skeleton load-displacement P-Δ curves and summary of each specimen

将试件JD-1,JD-2和JD-3的骨架曲线汇集到图7,可以看出,3个试件骨架曲线的斜率在初始弹性阶段基本相同,骨架曲线也基本重合;

JD-3试件节点由于焊缝质量问题而提前发生开裂,造成荷载提前下降的现象,可以得出,焊缝早期的开裂对试件节点整体的承载力有较大的影响.

以无空鼓的试件JD-1与空鼓占比10 %的试件JD-2相比分析,试件JD-1的最大承载力与破坏强度都比试件JD-2要高,这说明空鼓的存在会降低试件节点的承载力,并且会对结构的抗震带来不利影响.

2.3 承载力分析

试件各阶段的荷载及位移见表4.

表4 试件各阶段的荷载及位移Table 4 Load and displacement in the various stages of specimen

由表4可以看出,JD-1的正向各阶段荷载数值异常,造成这种试验异常的原因是由于试件与连接件以及作动器之间的扭转作用,导致试验力没有垂直作用在钢梁翼缘上,造成了正向极限承载力明显降低.另外2个试件节点,试件JD-2与试件JD-3屈服极限比较靠近,这表明,空鼓的存在试件的弹性阶段影响较小.同样,试件JD-3比试件JD-2正、负方向极限破坏强度均明显提前,出现这种现象的主要原因是试件JD-3焊缝过早开裂.

试件JD-1与试件JD-2的负方向状态相对较好,试件JD-1的极限强度、破坏强度均比试件JD-2要高一些,而极限位移却比试件JD-2低一些,因为试件JD-2在试验过程中形成一个小鼓包,导致柱壁提前发生屈服现象,这说明无空鼓的试件JD-1比空鼓占比10 %的承载力要高一些,空鼓的存在会在一定程度上降低节点的承载力.

3 结论

试验通过对3个内隔板式矩形钢管混凝土柱-H型钢梁节点进行低周反复加载试验,研究分析了“柱截面对边存在空鼓、空鼓占比不同的边跨节点”的各截面变化情况、破坏特征、承载能力.

(1) 对3个试件节点进行了滞回试验,发现无空鼓的试件JD-1和有空鼓且空鼓占比为10 %的试件JD-2都有良好的滞回性能,滞回曲线比较圆滑、饱满,没有太大的捏缩现象;但是试件JD-3由于焊缝提早开裂,所以滞回曲线出现了严重的捏缩现象,说明焊缝质量对试件节点的滞回性能有着较大的影响.

(2) 试件JD-1,JD-2和JD-3在发生屈服前即处于弹性阶段时,应变随试验力呈正比线性增加,其骨架曲线斜率没有发生变化,证明了空鼓的存在对弹性阶段下的节点影响不大.

(3) 试验中,试件JD-3焊缝的破坏对承载力造成了不利影响,由滞回曲线、骨架曲线和承载力判断,如试验中试件JD-3焊缝在未提前开裂的情况下,有空鼓的试件JD-3耗能能力比无空鼓的试件JD-1要更好.