装配式钢管混凝土柱-钢梁端板螺栓连接抗震加固设计研究

李力怡，马江萍，刘清颖，杨 燕

(西安培华学院 建筑与艺术设计学院，陕西 西安 710125)

在装配建筑中，传统的钢筋混凝土框架结构质量重、施工麻烦。而钢材属于一种新型材料具有质量轻、施工方便、节省资源等特性，刚好可以弥补传统钢筋混凝土的缺点。与传统混凝土相比钢材：质量轻，抗震性好；材质均匀，延展性好；施工简单，易于操作，成本相对较低。本文就装配式钢管混凝土柱-钢梁端板螺栓连接抗震加固设计，通过对钢管混凝土柱-钢梁端板螺栓进行试验(加载、测量、钢化等)，对其抗震性进行研究。

1 试验与方法

1.1 试件设计

试验选取5个装配式钢管混凝土柱试件，编号分别为Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5。主要试验目的为测试钢管混凝土柱试件的螺栓直径、轴压比、加劲肋、端板厚度和混凝土强度。试件选取梁柱反弯点间距为2 010 mm的典型单元，梁端加载点与梁端柱面处的间距为1 400 mm的T形试件。如表1所示为试件的主要参数，其中钢骨、梁和柱采用相同型号；螺栓采用8.8级长螺栓，分别为M16和M20两种，属于高强度摩擦型长螺栓。梁截面：为宽度；为高度；为壁厚；为立方体抗压强度；为轴心抗压强度；为弹性模量。柱截面：为公称内径；为公称高度；为公称宽度；为壁厚；为钢管数量。

表1 试件主要参数

1.2 试件制作及材性试验

该试件采用的水泥为普通水泥，其中水泥的强度等级为42.5级，粗集料采用级配良好且最大粒径为10 mm的卵石，混凝土外加剂选用JT-B1外加剂。实验所含有的主要作用成分(质量占比)为：水(180)：水泥(525)：细集料(786)：粗集料(100)：外加剂(JT-B1)。实验利用搅拌机对混凝土进行拌和，浇筑时为了混凝土更加密实，可以在顶部进行从上往下的浇筑，同时再使用钢筋在方钢管柱内进行插捣，最后结尾时需要将混凝土顶部与钢管上截面抹平。然后静置自然养护，15 d之后将浮浆层去除，并在柱顶或其他位置使用高强混凝土实现钢管与凿去浮浆层后的裸露的混凝土表面之间尺寸一致，最后在进行盖板操作，保证钢骨、钢管和核心混凝土受力均匀。该实验需要制作3个标准立方体试块和3个标准棱柱体试块，试块大小分别为：160 mm×160 mm×160 mm、160 mm×160 mm×310 mm，然后静置自然养护。如表2所示为钢材的各项力学指标，根据该领域的相关要求，实验的比例系数=5.65，在实验当天进行混凝土力学实验(抗压强度和弹性模量)。

表2 钢材各项力学指标

1.3 加载方案

该实验梁端低周反复荷载采用HLAW-2000KN电液伺服加载系统，设置作动器位移行程为250 mm左右。如图1所示为加载装置简易示意图。

A-钢架；B-荷载传感器；C-液压千斤顶；D-H形钢梁；E-螺杆；F-球铰；G-试件；H-钢敦；I-作动器；J-侧向支持

1.4 测量内容

电液伺服加载系统通过自动采集数据来测量荷载-位移滞回关系曲线，该测量器在钢梁的各个节点(钢梁上、下翼缘、腹板以及端板等)都设置了电阻应变片。如图2所示为位移计布置示意图，和表示测量组合柱水平位移；和表示核心区的剪切变形；表示测梁柱间的相对位移；和表示梁的竖向位移。

图2 位移计布置示意图

2 试验现象及破坏模式

2.1 试件1

试件1随水平位移程度变化各部分工作状态及破坏现象如表3所示。

表3 试件1随水平位移程度变化各部分工作状态及破坏现象

由表3可知，当试件1水平位移小于等于16 mm时，未出现裂纹等问题，此时试件仍处于弹性工作状态；随着试件水平位移的不断增大至16～18 mm时，试件出现裂纹Ⅰ，该裂纹位置如表3中所示；当试件水平位移为18～24 mm时，裂纹Ⅰ整体位置不变，但开始沿钢梁垂直方向延伸；当试件水平位移为22～28 mm时，裂纹Ⅰ最大宽度已高达0.77 mm，同时裂纹Ⅰ所处位置的CFDST 柱的外钢管鼓出出现第2处破坏“突出Ⅱ”；试件1水平位移达到28～32 mm后，试件右侧CFDST 柱的柱底被压屈，此时出现第3处破坏“屈曲Ⅲ”；当试件1水平位移达到40～48 mm时，试件左侧CFDST 柱发生屈曲，此时出现第4处破坏“屈曲Ⅳ”；当试件1水平位移达到64 mm时，试件中各承重及传递弯矩部件已基本失灵，试件1承载能力急剧下降；当水平位移超过72 mm后，试件1承载结构基本被完全破坏。

2.2 试件2

试件2与试件1相比，在结构上发生了一定变化，即采用了加强块梁柱连接方式，因而其随水平位移程度增强带来的破坏位置、类型等均发生了变化，统计结果如表4所示。

表4 试件2随水平位移程度变化各部分工作状态及破坏现象

由表4可知，试件2水平位移在16 mm以内时，与试件1同样处于弹性工作状态，此时未出现任何结构破坏；试件2水平位移在16～20 mm时，试件1CFDST 柱内部填充混凝土首次出现破坏，主要表现为声响，此时记录为“声响Ⅰ”；当水平位移为20～24 mm时，试件2梁翼缘和端部盖板的间隙增大，且二者之间进行连接的高强度摩擦型螺栓出现滑动，此时破坏类型记录为“滑动Ⅱ”；当水平位移达到32～36 mm时，试件2多处出现破坏；当水平位移达到48～56 mm时，试件2 CFDST 柱的柱脚区域出现压屈现象，此时记录为“多处破坏Ⅲ”；当水平位移达到64 mm后，试件2梁柱连接处发生严重破坏，此处外钢管明显鼓起，记录为“鼓起Ⅳ”。由于试件2加强块的存在，该试件因破坏而承载力下降幅度较试件1更加缓慢。

3 试验结果及分析

3.1 滞回性能

钢管混凝土柱-钢梁端板螺栓连接抗震性的主要表征是滞回曲线和骨架曲线。通过实验得出5个试件的-Δ滞回曲线都相对饱满，因此可以得出该试件具有良好的耗能能力。当荷载较小时，5个试件的位移和弯矩均呈线性状态，根据包辛格效应可以得出，在正、负2个方向上滞回曲线均不对称。由此可知，荷载和位移对滞回环的饱满程度有影响，对试件的耗能能力有影响。此外，破坏模式对滞回曲线形状也具有较大的影响(分弓形、梭形和倒S形)。当端板控制承载力时，试件Ⅰ-1、Ⅰ-4和Ⅰ-5的滞回曲线呈弓形；当螺栓控制承载力时，试件Ⅰ-2的滞回曲线呈倒S形；当钢梁控制承载力时，试件Ⅰ-3滞回曲线呈梭形。因此，螺栓的脆性破坏对端板螺栓连接节点具有重要影响，在进行设计时，应该注意避免脆性破坏发生。

3.2 刚度退化

刚度退化是结构反应的一个过程，可以表示试件在加载过程中的刚度变化。其计算公式是荷载绝对值(正、负2个加载方向荷载的最大值)之和与位移绝对值之和的比，即：

式中：表示第级时试件的割线刚度；+表示第级时试件正向最大荷载；-表示第级时试件负向最大荷载；+和-分别对应第级时试件正、负2个方向最大荷载所对应的位移。

将5个试件的刚度变化划分为3个阶段：

(1)当Δ<30 mm时，由于装配式钢管混凝土柱-钢梁端板螺栓连接在一定程度增强了试件的抗侧刚度，因此，试件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割线刚度相近且大于试件Ⅰ-1；

(2)当30 mm≤Δ≤40 mm时，试件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割线刚度接近试件Ⅰ-1；

(3)当Δ>40 mm时，试件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割线刚度更大，装配式钢管混凝土柱-钢梁端板螺栓连接对试件Ⅰ-1抗侧刚度影响很小。

4 结语

(1)试件半刚性节点，其抗震强度随端板厚度和螺栓直径增大呈上升趋势；

(2)当控制试件的承载力不同时，滞回曲线的形状受影响较大，会随承载力的变化呈分弓形、梭形和倒S形变化；

(3)当端板和钢梁控制承载力时，对框架的承载力、刚度和延性的影响很小，可以有效改善框架的延性，对提高框架承载力和抗震性具有重要意义。