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套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點試驗研究

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點試驗研究
    張莉若1 湯中發(fā)2 王明貴1
    (1.中國建筑科學(xué)研究院 北京100013;2.北京科技大學(xué) 北京100083)
    摘 要：本文提出了一種新型套筒式鋼管混凝土柱－H型鋼梁的連接節(jié)點形式，并通過對兩個傳統(tǒng)加強環(huán)式梁柱節(jié)點和兩個新型套筒式梁柱節(jié)點在循環(huán)荷載作用下的抗震性能進行了理論計算和試驗比較，分析和研究了套筒式節(jié)點的承載能力及滯回性能。結(jié)果表明套筒式節(jié)點抗震延性好，能滿足設(shè)計要求，可用于多層或小高層住宅建筑中，并?出了這種節(jié)點設(shè)計構(gòu)造建議。
    關(guān)鍵詞：套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點；試驗研究；承載力；變形性能

    　　在鋼結(jié)構(gòu)中，當采用鋼管混凝土柱與H型鋼梁結(jié)構(gòu)時，其梁柱節(jié)點常用環(huán)板式，如圖1所示[1]。但這種節(jié)點在住宅建筑中有時滿足不了建筑的需要，它不僅在室內(nèi)露下環(huán)板，而且外墻（尤其是墻板）也不便安裝。文獻[2]將邊柱和角柱的環(huán)板直接切除，這種做法未見到科學(xué)依據(jù)。對此，我們提出套筒式的節(jié)點，如圖2所示。由于鋼管混凝土柱的管壁較薄，不宜直接焊接H型鋼梁，可選用一節(jié)鋼套筒來加強和保護柱在節(jié)點區(qū)不被先拉壞，并通過套筒來承載和傳力。鋼套筒與鋼管柱要有可靠連接，除在套筒上下邊采用角焊縫外，還要在中間加一些塞焊點，然后將H型鋼梁與套筒進行常規(guī)的栓焊混合連接。為了加強梁根部的受力能力，還應(yīng)在梁上下翼緣加蓋板,或部分削弱梁翼緣形成“狗骨”式以減少梁根部的應(yīng)力集中。我們經(jīng)計算分析和試驗對比，研究套筒式和環(huán)板式這兩種節(jié)點的承載力和變形性能，并給出套筒式節(jié)點的設(shè)計構(gòu)造建議。

    1、計算分析
    　　為了從理論上分析套筒式節(jié)點的可行性，我們用ANSYS程序計算了套筒式節(jié)點的受力情況，有限元計算網(wǎng)格劃分見圖3所示?；炷敛捎脝卧獛熘械膶嶓w8節(jié)點混凝土單元SOLID65，鋼管、套筒、鋼梁采用實體8節(jié)點單元SOLID45，這兩種單元在每個節(jié)點均有三個自由度：沿x，y，z，方向的平移，滿足了在有限元分析中節(jié)點自由度的協(xié)調(diào)要求。由于套筒在受梁翼緣的拉力作用后，套筒與鋼管壁會發(fā)生脫離，在套筒與鋼管壁之間的接觸面上設(shè)置一個接觸對，來模擬兩者之間的相互作用。套筒與鋼管壁之間的目標單元和接觸單元分別采用支持三維面-面接觸分析的TARGE170和CONTA174。采用手工單元網(wǎng)格劃分的方法使單元的劃分保持協(xié)調(diào)，即各組件在相鄰邊界處節(jié)點重合具有相同的坐標值，但具有不同的節(jié)點編號。

    　　鋼管柱采用Φ326mm×8mm，鋼梁采用H300×150×6.5×9mm。以梁柱節(jié)點為中心，鋼管柱上下各取層高的一半(Lc=1.5m)，鋼梁左右各取半跨梁長(Lb=1.5m)，組成一個平面十字形模型，鋼材采用Q345B。鋼管內(nèi)澆注C40混凝土。材料力學(xué)性能取與表1試驗值相同。
    　　在柱軸向壓力1000kN及梁端反對稱荷載為0.8Py（注：計算模型的Py=141kN）的作用下，梁自由端的撓度為13mm， 節(jié)點區(qū)域的最大變形出現(xiàn)在套筒與梁受拉翼緣的焊接處，鼓出變形值為0.8mm。從節(jié)點區(qū)域的Mises應(yīng)力分布來看：各組件均處于彈性工作狀態(tài)，套筒的高應(yīng)力區(qū)主要集中在梁受拉翼緣焊接處，套筒在梁受壓翼緣處的應(yīng)力相對受拉翼緣處小。
    　　保持柱軸向力不變，在梁自由端施加屈服荷載Py時，梁自由端的撓度為18.14mm，套筒的最大鼓出變形值為1.11mm。節(jié)點區(qū)域的Mises的應(yīng)力分布規(guī)律與上述情況一致，套筒在梁受拉翼緣作用下的高應(yīng)力區(qū)域向四周擴散，此時鋼梁的受拉翼緣和受壓翼緣的平均應(yīng)力均已達到屈服應(yīng)力。套筒在梁受拉翼緣處的拉應(yīng)力區(qū)大部分已達到或接近屈服應(yīng)力，套筒在受壓翼緣處壓應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力小于受拉區(qū)的應(yīng)力。在梁受拉翼緣的位置沿套筒一周定義路徑P1，該路徑上套筒的環(huán)向應(yīng)力σθ的分布圖如4所示，在套筒與鋼管柱之間的角焊縫處沿鋼管一周定義路徑P2，在塞焊縫的位置沿鋼管一周定義路徑P3，這兩路徑上鋼管的環(huán)向應(yīng)力σθ的分布圖分別見圖5和圖6所示?？梢姡摴苋蕴幱趶椥怨ぷ鳡顟B(tài)，具有較大的強度儲備。
    　　當梁端荷載繼續(xù)增加時，梁根部受拉翼緣兩側(cè)角點處的焊縫首先達到塑性狀態(tài)而被認為破壞，其次是塞焊縫處達到塑性狀態(tài)，其他位置均處于彈性狀態(tài)。通過有限元的計算分析可知節(jié)點處應(yīng)力的傳遞路徑：梁端彎矩和剪力通過焊縫和連接腹板傳遞給套筒，再通過套筒與鋼管之間的角焊縫和塞焊縫傳遞給鋼管混凝土柱。計算表明套筒式節(jié)點能滿足設(shè)計承載力要求。

    2、試驗對比分析
    　　為了比較套筒式節(jié)點和環(huán)板式節(jié)點的受力性能，我們做了兩個套筒式節(jié)點試件和兩個環(huán)板式節(jié)點試件，試件尺寸和材料都相同，并與計算模型一致，試驗加載裝置設(shè)計如圖7所示,試驗試件見圖8、圖9所示。

    2.1材料力學(xué)性能試驗
    　　制作試件的材料和實際工程中的材料一樣。鋼管內(nèi)澆注C40混凝土，混凝土自鋼管上口灌入，采用內(nèi)部振搗器搗實，試驗取同等養(yǎng)護條件的150mm×150mm×150mm的混凝土立方體試塊測定其抗壓強度fcu,k，并換算成混凝土軸心抗壓強度標準值fck。鋼管、鋼梁等所用鋼材一律采用Q345B，用E50型焊條進行手工焊接，試驗前分別在鋼管和型鋼梁的腹板上取300mm×30mm(長×寬)的板條進行拉伸試驗。試件的材料力學(xué)性能見表1。


    　　節(jié)點低周反復(fù)荷載試驗采用力-位移加載制度。試驗加載步驟為：(1)在柱頂施加1000kN的豎向軸心壓力，并在整個試驗過程中保持恒定；(2)采用分級加載制度，根據(jù)梁端屈服荷載確定在梁自由端施加反復(fù)荷載的大小，每級荷載循環(huán)往復(fù)一次。在鋼梁梁端達到屈服以前用荷載控制，各級荷載分別為梁端屈服荷載Py的20%，40%，60%，80%，90%。(3)達到屈服荷載以后用位移控制，位移級差為屈服荷載所對應(yīng)的梁端加載點的位移Δy，直至試件破壞，停止試驗。為了考察環(huán)板式節(jié)點和套筒式節(jié)點在加載過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化，在鋼管柱表面、加強環(huán)、套筒及鋼梁的翼緣上布置了若干應(yīng)變片。所有應(yīng)變片、百分表以及梁端的反對稱荷載的數(shù)據(jù)均通過YE2539靜態(tài)應(yīng)變儀自動采集系統(tǒng)自動采集，柱頂荷載數(shù)值直接由液壓機讀出。

    2．3 承載力比較
    　　保持柱頂荷載不變，在梁端施加循環(huán)往復(fù)荷載，當在梁自由端施加的荷載很小時，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)，卸載時構(gòu)件基本能恢復(fù)到初始狀態(tài)。當荷載逐漸增大直至梁端屈服時，卸載時梁自由端不能回復(fù)到初始位置。同一種的兩個試件試驗結(jié)果基本一致：
    　　1）環(huán)板式試件當荷載達到0.8Py時，梁自由端的撓度達到14mm，卸載時殘余撓度為1.9mm，環(huán)板和梁的翼緣均沒有明顯的變形。當荷載達到屈服荷載Py時，梁翼緣和環(huán)板間的焊縫應(yīng)變達到屈服，且有向外鼓出的現(xiàn)象，并逐漸增大。此時節(jié)點仍然具有很強的承載力，從應(yīng)變采集儀上讀出梁自由端的撓度Δy為19mm。此后加載以位移控制，當位移以2Δy循環(huán)時，梁翼緣處的應(yīng)變繼續(xù)增加，節(jié)點仍具有一定的承載能力。當位移為3Δy時，承載力降低很明顯，梁翼緣的平均應(yīng)變達到13000με，節(jié)點處的塑性轉(zhuǎn)動較大，梁自由端豎向殘余變形為44mm，梁翼緣和環(huán)板在其對接焊縫處的鼓出變形增大，鋼梁腹板和連接板產(chǎn)生凹凸不平的翹曲，對接焊縫處有開裂，呈現(xiàn)較為明顯的彎曲破壞形式。
    　　2) 套筒式試件當荷載達到0.8Py時，梁自由端的撓度達到15mm，卸載時殘余撓度為1.9mm，套筒和梁的翼緣均沒有明顯的變形。當荷載達到屈服荷載時，梁翼緣的平均應(yīng)變均達到屈服，套筒與梁翼緣連接處由于應(yīng)力集中導(dǎo)致環(huán)向拉應(yīng)變達到屈服，套筒在與梁受拉翼緣處略向外鼓出，鋼梁沒有明顯的變形，此時從應(yīng)變采集儀上讀出梁自由端的撓度Δy為18mm。此后加載以位移控制，當位移以2Δy循環(huán)時，套筒在梁受拉翼緣處的鼓出很明顯，節(jié)點的轉(zhuǎn)動增大。當位移為3Δy時，梁翼緣處的平均應(yīng)變達到12000με，節(jié)點處的塑性轉(zhuǎn)動較大，梁的自由端豎向殘余變形為36mm，套筒壁被受拉梁翼緣從尖角處拉裂。由于蓋板對梁翼緣的加強，梁的受壓翼緣并未出現(xiàn)局部失穩(wěn)的現(xiàn)象。

    2．4節(jié)點的延性
    　　兩種試件的荷載－位移(P~Δ)滯回曲線見圖10與圖11，從圖中可以看出，本次試驗的4個試件的滯回曲線相當穩(wěn)定，基本上沒有剛度退化的現(xiàn)象，曲線的形狀均飽滿呈現(xiàn)出標準的梭形，未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，反映出加強環(huán)式節(jié)點和套筒式節(jié)點均具有很好的抗震性能，節(jié)點的延性系數(shù)均在3~4之間。
    　　4個節(jié)點試件在達到屈服荷載時，節(jié)點的初始剛度均相似于典型的梁端單調(diào)加載的情況，卸載后構(gòu)件基本上能恢復(fù)到初始的位置。試件屈服后，在對梁端施加2次循環(huán)荷載后，4個試件在達到3Δy時開始破壞，在梁端施加的最大荷載及節(jié)點的極限轉(zhuǎn)角θmax見表2所示。可以看出加強環(huán)式節(jié)點的角變形比套筒式節(jié)點略大，可以將套筒式節(jié)點視為剛性節(jié)點。



    2．5 鋼梁的全塑性受彎承載力和極限受彎承載力的比較
    　　試件的極限受彎承載力與梁的全塑性受彎承載力見表3所示。可見套筒式節(jié)點能滿足文獻[5]中公式8.2.8-1中所要求的Mu≥1.2Mp的規(guī)定。

    3 設(shè)計建議與結(jié)論
    　　為了保證節(jié)點的強度，套筒的壁厚t建議取Max(1.2tc，1.2tf)，其中tc、tf分別為鋼管壁厚和梁翼緣厚；套筒的高度h建議取hb+10t，其中hb為梁截面高度。套筒兩端加工成內(nèi)倒角與柱壁形成V型坡口焊接，梁翼緣附近的塞焊孔也是必要的。
    　　通過節(jié)點試驗可以得出如下結(jié)論：
    (1) 環(huán)板式節(jié)點試件的實際抗彎承載能力是梁最大彎矩設(shè)計值的1.56~1.67倍，套筒式節(jié)點試件是1.48~1.52倍；而且節(jié)點的極限受彎承載力與梁全塑性受彎承載力均能滿足條件 Mu≥1.2Mp ，所以，在施工質(zhì)量有保證的前提下，套筒式節(jié)點是能夠滿足設(shè)計要求的；
    (2) 套筒式節(jié)點的轉(zhuǎn)角位移較小，節(jié)點的抗彎模量較大，節(jié)點為剛性；
    (3) 在相同的幾何尺寸和軸壓比下，套筒式節(jié)點有很好的延性，抗震性能與環(huán)板式節(jié)點相當；
    （4）套筒式節(jié)點易于滿住宅建筑的某些要求，且結(jié)構(gòu)布置靈活，可在多層或小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中應(yīng)用。對高層或超高層建筑的應(yīng)用還有待研究。
    參考文獻
    1．《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》（CECS28：90）。
    2． 高光虎，高層及多層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計。建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2001，（3）。
    3． 蘇恒強、蔡健、姚大鑫等，鋼管混凝土加強環(huán)式節(jié)點的試驗研究。華南理工大學(xué)學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，(1)。
    4． 張莉若、王明貴，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點承載力試驗研究。建筑科學(xué)，2003，(5) 。
    5．《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）。
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