鋼管混凝土異形柱-工字鋼梁框架頂層邊節(jié)點抗震性能試驗研究

鋼管混凝土異形柱-工字鋼梁框架頂層邊節(jié)點抗震性能試驗研究

0節(jié)點模型試驗這種形狀的柱子避免了內部的結構和矩形柱，增加了房間的有效使用面積，改善了建筑的概念和用途，深受業(yè)主和房地產開發(fā)商的歡迎。近年來,在深入研究鋼筋混凝土異形柱基礎上,開發(fā)了鋼管混凝土異形柱結構、型鋼混凝土異形柱結構和鋼異形柱結構。異形鋼管混凝土框架結構是根據建筑使用功能和建筑設計布置,在滿足結構剛度和承載力等要求前提下,由異形截面柱(一般為T、L、十字形柱)和鋼梁或鋼筋混凝土梁組成的一種新型框架結構體系。梁柱節(jié)點處于壓、彎、剪的復合應力狀態(tài),是框架結構抗震的薄弱部位,節(jié)點破壞往往是導致整個框架失效的主要原因之一。研究鋼管混凝土異形柱框架節(jié)點的受力機理和抗震性能成為該類新型結構體系推廣應用的重點。國內外對圓鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱組合框架節(jié)點開展了較多的試驗研究和理論探索。文獻通過節(jié)點模型低周反復荷載試驗,研究了圓鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點抗震性能;文獻[6-10]進行了矩形鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點的擬靜力試驗研究;聶建國等對方鋼管混凝土柱與鋼-混凝土組合梁連接節(jié)點破壞特征和抗震性能進行了試驗研究;呂西林等對一種新型外置式方鋼管混凝土環(huán)梁節(jié)點進行了試驗研究。上述研究結果均表明采用圓鋼管混凝土柱或矩形鋼管混凝土柱的框架節(jié)點延性較好,塑性變形能力和耗能能力較強,具有良好的抗震性能。但上述研究均是針對于圓形截面和矩形截面鋼管混凝土柱節(jié)點,對于采用異形截面鋼管混凝土柱的框架節(jié)點尚未涉及。本文設計并制作了4個T形截面鋼管混凝土異形柱-工字鋼梁框架頂層邊節(jié)點試件模型,其中3個相同尺寸弱節(jié)點模型試件和1個強節(jié)點模型試件。通過低周反復荷載作用下的加載破壞試驗,對該類異形柱節(jié)點在地震作用下的受力機理、承載能力、破壞形態(tài)、耗能能力等進行研究,通過試驗所得的滯回曲線、承載能力、節(jié)點域剪切變形、延性系數等指標對該類節(jié)點的抗震性能進行描述,以期為異形截面鋼管混凝土柱-工字鋼梁框架結構的抗震設計及工程應用提供理論依據。1試驗總結1.1節(jié)點鋼梁的設計選取平面框架頂層邊節(jié)點為研究對象,按照1∶2的縮尺比例,設計并制作4個T形截面鋼管混凝土異形柱-工字鋼梁節(jié)點試件。試件TE-1、TE-2和TE-3按照“強構件,弱節(jié)點”原則進行設計,使節(jié)點先于梁柱破壞;試件TE-4按照“強柱弱梁”原則進行設計,使塑性鉸出現在梁端部。T形截面鋼管混凝土異形柱由矩形鋼管和U形鋼板相互焊接在一起組成T形截面空鋼管,然后在空鋼管內澆筑C40商品混凝土形成,實測混凝土立方體抗壓強度fcu為38.1MPa。矩形鋼管和U形鋼板分別由同一批次Q235B鋼板彎折焊接和彎折而成。工字形鋼梁由三塊鋼板全熔透焊接而成,鋼梁上下翼緣通過連接板與上下外加強環(huán)對接。節(jié)點垂直肋板與鋼梁腹板通過夾板采用M20摩擦型高強螺栓連接。模型試件如圖1所示,其參數見表1,鋼材力學性能見表2。1.2水平位移加載制度采用柱端加載方案,柱頂軸壓力由反力梁通過液壓千斤頂施加,水平低周反復荷載由電液伺服作動器施加。試驗數據通過數據采集儀采集,試驗全過程由伺服控制器及電腦控制。試驗加載裝置見圖2。加載過程中,首先根據不同的軸壓比在柱頂施加恒定軸壓力,水平荷載采用位移控制加載,加載初期,每級位移循環(huán)峰值按側移率Δ/L=0.25%逐級遞增(其中Δ為柱頂端加載處的側向位移,L為柱有效高度),直至Δ/L=1%,加載初期每級位移加載循環(huán)一次。側移率超過1%后每級位移循環(huán)峰值按1%逐級遞增,每級加載循環(huán)三次直至柱頂水平荷載下降到極限水平荷載的85%以下或軸力無法穩(wěn)定時停止加載。水平位移加載制度見圖3。試驗測試主要內容:每級水平循環(huán)加載中柱端水平荷載和水平位移、節(jié)點核心區(qū)剪切變形、梁柱塑性鉸區(qū)段轉角、荷載-位移滯回曲線。位移計和應變片布置如圖4和圖5。2節(jié)點核心區(qū)破壞形態(tài)弱節(jié)點試件TE-1、TE-2、TE-3的破壞形態(tài)主要表現為節(jié)點核心區(qū)在剪壓復合應力作用下的剪切破壞。強節(jié)點試件TE-4的破壞形態(tài)主要表現為鋼梁的局部屈曲破壞。試件TE-1的軸壓比為0.2。水平位移達到20mm時,節(jié)點核心區(qū)處鋼管混凝土柱3、5號板件(板件編號見圖1)首先出現微小鼓曲。水平位移達到28mm時,節(jié)點核心區(qū)5號板件與7號板件交接部位開始出現微小鼓曲,在隨后的循環(huán)加載中可觀察到鋼梁明顯彎曲,并與鋼管混凝土柱形成一定相對轉角,但卸載后相對轉角逐漸減小。水平位移達到50mm時,節(jié)點核心區(qū)北側5號板件與4號板件連接處由于應力集中焊縫被拉裂,出現開口裂縫,裂縫長達20mm左右,隨即節(jié)點核心區(qū)2號板件也開始鼓曲,節(jié)點核心區(qū)東側的7號板件鼓曲更加明顯,之前的裂縫進一步延伸,直至貫穿整個截面,節(jié)點試件喪失承載能力而破壞。試件TE-1破壞形態(tài)如圖6a、6b所示。試件TE-2的軸壓比為0.3。水平位移達到25mm時,節(jié)點核心區(qū)處鋼管混凝土柱3號板件出現微小鼓曲。水平位移達到38mm時,節(jié)點核心區(qū)1、5、7號板件也開始鼓曲。隨著水平位移的繼續(xù)增大,鋼梁和鋼管混凝土柱相對轉角明顯增大,但鋼梁的彎曲變形在彈性范圍內。水平位移達到64mm時,節(jié)點核心區(qū)1號板件與3號板件的連接焊縫被撕裂,出現細長裂縫,且裂縫不斷延伸擴展,使得節(jié)點核心區(qū)1、3號板件鼓曲加劇,內部混凝土外露。節(jié)點破壞時核心區(qū)1號板件與4號板件的連接焊縫也出現細長裂縫。試件TE-2破壞形態(tài)如圖6c、6d所示。試件TE-3的軸壓比為0.4。水平位移達到25mm時,節(jié)點核心區(qū)鋼管混凝土柱3、7號板件出現微小鼓曲,但卸載后鼓曲均能恢復。水平位移達到38mm時,節(jié)點核心區(qū)3、7號板件的鼓曲更加明顯,且7號板件的鼓曲卸載后不可恢復,并在該處形成塑性鉸,梁柱彎曲嚴重,出現較大相對轉角,最終導致柱節(jié)點核心區(qū)處柱壁焊縫因應力集中而撕裂,內部混凝土外露。試件破壞后發(fā)現節(jié)點核心區(qū)7號板件也出現鼓曲,但未開裂。試件TE-3破壞形態(tài)如圖6e所示。在其他參數相同的情況下,軸壓比較大的試件具有更高的極限荷載,但是達到極限荷載后剛度和承載力衰減更快,破壞過程更突然,且破壞時所能達到的極限位移更小。試件TE-4的軸壓比為0.3,梁柱剛度比小于試件TE-1、TE-2、TE-3。水平位移達到25mm時,螺栓拼接處的鋼梁上翼緣出現微小鼓曲,卸載后恢復成平面。水平位移達到40mm時,梁翼緣鼓曲更加明顯,開始進入塑性,并且在鼓曲部位的中間出現裂縫,裂縫隨著水平位移的增大進一步延伸向兩邊擴展。水平位移達到76mm時,之前的裂縫繼續(xù)擴大直至梁翼緣完全斷裂,承載能力下降,試件破壞。試件TE-4破壞形態(tài)如圖6f所示。3試驗結果的分析3.1滯回曲線特征實測各試件的柱頂水平荷載-位移滯回曲線如圖7所示,可以看出:(1)各試件具有一些共同的滯回特征:試件加載初期,試件處于彈性階段,試件總體變形很小,加載時滯回曲線斜率變化小,卸載后的殘余應變也極小,正向和反向加卸載循環(huán)一周形成的滯回環(huán)不明顯。彈塑性階段,加載時滯回曲線斜率隨著水平加載位移的增加而減小,卸載后的殘余應變不斷增大。在同一級位移控制加載階段的3次循環(huán)中,后次循環(huán)曲線的斜率和最大荷載均小于前一次循環(huán)曲線,且隨著循環(huán)次數的增加,剛度及承載力衰減顯著。水平加載位移進一步增大后,試件進入塑性發(fā)展階段,柱頂的位移增加率加大,卸載曲線陡峭,變形恢復較小,位移滯后明顯。(2)梁柱剛度比對試件滯回曲線形狀的影響較大。弱節(jié)點試件TE-1、TE-2、TE-3的滯回曲線形狀呈較為飽滿的梭形,反映其塑性變形能力較強,具有較好的耗能能力。而強節(jié)點試件TE-4的滯回曲線更加飽滿,滯回環(huán)與位移軸所包圍的面積更大,且沒有明顯的捏縮現象,說明該類節(jié)點耗能能力更強,抗震性能良好。3.2節(jié)點核心區(qū)柱鋼管全截面進入塑性采用“能量等值法”確定試件的屈服點,相應的坐標即為屈服荷載Py和屈服位移Δy。試件的破壞荷載Pu定義為0.85Pmax,相應的柱頂水平位移定義為破壞位移Δu。Pmax為柱頂極限荷載,相應的柱頂位移為Δmax。各試件的骨架曲線見圖8,各特征點處相應的水平荷載和位移值列于表3中,可以看出:(1)試件在恒定軸力和水平反復荷載作用下經歷了屈服、極限和破壞三個階段,但在骨架曲線上并未出現明顯的屈服拐點,說明其屈服是一個從局部向整體逐漸擴散的過程。根據試驗測試結果分析,可將節(jié)點核心區(qū)柱鋼管全截面進入塑性作為弱節(jié)點試件屈服的標志,鋼梁截面全截面進入塑性可作為強節(jié)點試件屈服的標志。(2)通過與已有的試驗結果相比較,可以看出:與普通鋼筋混凝土框架節(jié)點相比,T形鋼管混凝土柱框架節(jié)點具有更好的延性和耗能能力,其骨架曲線有較長、較平緩的下降段。但是與圓鋼管、方鋼管混凝土柱框架節(jié)點相比,其變形能力相對較差,特別是破壞階段時骨架曲線下降段相對較陡。(3)試件TE-1、TE-2、TE-3是截面尺寸、混凝土強度、柱含鋼率、梁柱線剛度比均相同,而軸壓比分別為0.2、0.3、0.4的3個試件。由圖8可以看出,軸壓比大的試件TE-3具有更高的極限荷載,但其骨架曲線的下降段則相對較陡,且其曲線與坐標軸所圍的面積相對較小,表明增大軸壓比能一定程度地提高節(jié)點的受剪承載力,但將降低其變形能力。其主要原因在于:一方面,較大的軸壓力使得T形鋼管混凝土柱的主壓應力增大,降低了管內混凝土的后期變形能力,較大的軸壓力還導致P-Δ效應增大,二次彎矩和附加變形亦引起試件延性變差;另一方面,軸壓力能延遲混凝土內部微細黏結裂縫的受拉開裂,增大混凝土的抗剪強度。(4)試件TE-2和試件TE-4是截面尺寸、混凝土強度、柱含鋼率、軸壓比均相同,而梁柱線剛度比不同的兩個試件,從圖8可以看出,在相同荷載水平下,梁柱線剛度比較小的試件TE-4發(fā)生的彈性變形相對較小,且其所能達到的極限荷載高于試件TE-2,骨架曲線下降段較為平緩。主要原因在于:弱節(jié)點試件的破壞形態(tài)為節(jié)點核心區(qū)在剪壓復合應力作用下的剪切破壞,而強節(jié)點試件的破壞形態(tài)主要為鋼梁的局部屈曲破壞,節(jié)點核心區(qū)的承載能力能夠得到較為充分的發(fā)揮,且具有較好的延性。3.3節(jié)點內部應變分析以軸壓比為0.3的試件TE-2為例,分析節(jié)點梁端翼緣、外加強環(huán)以及節(jié)點核心區(qū)應變,研究T形截面鋼管混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點不同部位的應變特點和受力機理。3.3.1應變應變分析節(jié)點梁端翼緣荷載-應變曲線如圖9所示。達到極限荷載時,靠近外隔板測點27、28、29(測點編號見圖5)平均應變均在1500×10-6以內,接近屈服應變,卸載后殘余應變較小。梁拼接處測點30、31、32平均應變較大,最大達到6000×10-6,卸載后殘余應變較大,說明鋼梁拼接處截面削弱,受力過程中該部位梁翼緣鋼材進入了塑性工作狀態(tài)。3.3.2外加強環(huán)板應變點位置節(jié)點外加強環(huán)荷載-應變曲線如圖10所示。在整個加載過程中,外加強環(huán)主要承受梁端彎矩。測點33、34(測點位置見圖5)數據表明,達到極限荷載時,外加強環(huán)板應變均在1000×10-6以內,且殘余應變較小。外加強環(huán)板變截面部位的應變分布不均勻,靠近柱截面處的應變較小,并且拉應變明顯大于壓應變,這一方面與截面變化形式有關,另一方面是由于梁端傳來的拉應力主要由環(huán)板承擔,而梁端傳來的壓應力是由環(huán)板和核心混凝土共同承擔。3.3.3鋼管壁對核心混凝土的約束作用節(jié)點核心區(qū)鋼管壁荷載-應變曲線如圖11,選取節(jié)點核心區(qū)應變花測點1、2、3計算其主拉應變εt和主壓應變εc。由圖11可知:加載初期,主應變較小,鋼管壁對核心混凝土的約束效應明顯,混凝土亦對鋼管壁起了支撐作用,有效限制了鋼管板件的屈曲變形。當水平位移達到120kN時,測點主拉應變首先達到屈服應變,管壁表面可見鼓曲,但主應變并不急劇增大。其后,試件滯回曲線進入下降段,當水平位移下降至108kN時,主拉、壓應變出現急劇增大,主拉應變達到2000×10-6以上,管壁鼓曲明顯,鋼管壁對核心混凝土的約束明顯減弱,鋼管內可見混凝土壓碎的聲響。3.4等效黏滯阻尼能力各試件的位移延性系數和耗能能力指標如表4所示。其中延性系數μ為試件達到破壞荷載時的柱頂水平位移Δu與試件達到屈服荷載時的柱頂水平位移Δy之比。結構的耗能能力采用等效黏滯阻尼系數he來衡量。由表4可以看出,試件TE-1、TE-2和試件TE-3隨著軸壓比的增大,位移延性系數μ呈降低趨勢。試件TE-4(梁端破壞形態(tài)試件)位移延性系數要高于試件TE-1、TE-2和TE-3(節(jié)點核心區(qū)破壞)的位移延性系數。各試件的等效黏滯阻尼系數he在0.48~0.52范圍內,而鋼筋混凝土節(jié)點的等效黏滯阻尼系數為0.1左右,型鋼混凝土節(jié)點的等效黏滯阻尼系數為0.3左右,說明該類節(jié)點的耗散能力強,耗能指標滿足結構抗震設計的要求。3.5試件剛度ki與加載位移的關系剛度退化采用試件不同加載位移下滯回曲線的割線剛度Ki來描述,割線剛度又稱為等效剛度。Ki按照同一級加載第一次循環(huán)的峰值荷載點進行計算,由于試件在彈性階段沒有明顯的剛度退化現象,故只取試件從彈塑性階段到破壞階段的剛度作為研究對象。試件剛度Ki隨加載位移的變化情況見圖12。隨著加載位移的增加,各節(jié)點剛度都出現了一定程度的退化,其中軸壓比為0.4的試件TE-3剛度下降較快,軸壓比為0.2的試件TE-1剛度退化較慢,說明隨著軸壓比的增大剛度退化嚴重。4節(jié)點區(qū)剪切破壞形態(tài)通過T形截面鋼管混凝土異形柱-工字鋼梁框架頂層邊節(jié)點的低周反復荷載作用下抗震性能試驗研究和理論分析,得出下列結論:(1)在低周