劉殿忠，李紅現(xiàn)，陳 陽

吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就是鋼管和混凝土組成整體來共同受力的組合結(jié)構(gòu)形式[1],一般表現(xiàn)為軸心受壓、小偏心受壓構(gòu)件,本文中采用的內(nèi)隔板式矩形鋼管混凝土柱-H型鋼梁節(jié)點就是一種在實際工程中常用的鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)[2].在鋼管混凝土中,盡可能最大限度地發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)點,使其達到“1+1>2”的作用效果[3],其工作原理主要有兩部分:一是鋼管易發(fā)生屈曲失穩(wěn)而失去沿管軸向抗壓能力，但是內(nèi)部混凝土可以阻止鋼管發(fā)生壓屈失穩(wěn),增強鋼管自身穩(wěn)定性;二是鋼管同樣也對內(nèi)部灌注的混凝土產(chǎn)生環(huán)向約束作用,讓其處于三向受壓狀態(tài),進一步增強了混凝土的整體軸向抗壓強度[3].

1996年,Alostaz等[4]人通過試驗研究了對設(shè)置不同構(gòu)造措施的鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點抗震性能,其構(gòu)造措施有簡單焊接、預(yù)埋和穿心等.該試驗以軸壓比、鋼管徑厚比和梁的彎矩剪力比等作為控制變量因素,分別研究了節(jié)點的承載及抗震性能,試驗結(jié)果表明,鋼梁內(nèi)力傳遞給其內(nèi)部灌注的混凝土類型連接節(jié)點比采用焊接連接方式的節(jié)點,具有更好的承載力和耗震性能.

2004年,宗周紅等[5]人在柱端施加低周反復(fù)荷載，研究對矩形鋼管混凝土柱-鋼梁半剛性加勁端板和雙T板連接節(jié)點的力學(xué)性能影響;分析不同軸壓比下的滯回耗震性能、強度與剛度退化特征、延性變形與破壞機理;通過試驗對比得出,軸壓比對節(jié)點轉(zhuǎn)動效應(yīng)有直接的影響,對于加勁端板及雙T板連接節(jié)點,在軸壓比不同的情況下,節(jié)點轉(zhuǎn)動的作用效果也不同,但均具有良好的轉(zhuǎn)動變形能力.

1 試驗概況

1.1 試驗節(jié)點模型設(shè)計

試驗中設(shè)計制作了3個試件節(jié)點分別命名為JD-1，JD-2和JD-3.對其進行低周往復(fù)試驗,對試件節(jié)點的承載能力、強度及剛度退化特性、延性變形能力、抗震能力、破壞機理及特征進行試驗研究.

試驗以多層框架混合結(jié)構(gòu)建筑為例,設(shè)計時沒有考慮現(xiàn)澆樓板兩個主軸方向同時受到地震力的影響,目的是突出試驗研究的主要內(nèi)容,由于實際尺寸較大,考慮到結(jié)構(gòu)試驗室條件,本試驗試件是按照1∶2的縮尺進行設(shè)計的,節(jié)點選取位置及尺寸示意如圖1所示.

(a)

(b)

1.2 空鼓下的內(nèi)隔板設(shè)計

由于灌注不均勻或鋼管內(nèi)混凝土振搗不充分導(dǎo)致在鋼管內(nèi)部灌注的混凝土與鋼管壁之間出現(xiàn)空隙,這個空隙就是空鼓,空鼓詳見圖2.本試驗中試件節(jié)點選取的是“空鼓存在于柱截面對邊處”的邊跨節(jié)點詳見圖3,本試驗將空鼓占比不同的節(jié)點與“無空鼓”的節(jié)點進行試驗對比分析.

(a) (b) (c)圖2 空鼓示意Fig.2 Empty drums

空鼓采用方形柱狀塑料泡沫條,當(dāng)空鼓存在于柱截面對邊處時,在柱截面兩條短對邊的內(nèi)隔板下方,分別設(shè)置兩種不同占比的空鼓：一種是空鼓占比為10 %的空鼓,粘結(jié)著尺寸為17 mm×17 mm×180 mm的方形柱狀塑料泡沫條;另一種是空鼓占比為20 %的空鼓,粘結(jié)著尺寸為34 mm×34 mm×180 mm的方形柱狀塑料泡沫條;塑料泡沫條的設(shè)置位置均相同.同樣,在內(nèi)隔板式節(jié)點中,分為上內(nèi)隔板式和下內(nèi)隔板式節(jié)點,但是由于本試驗中上下兩塊內(nèi)隔板灌注位置基本相同,故采用相同的空鼓內(nèi)隔板式節(jié)點布置方式,見圖3.

(a)

(b)

1.3 試件模型制作

本試驗共制作了3個試件,分別是無空鼓的JD-1,空鼓占比10 %的JD-2,空鼓占比20 %的JD-3,其中試件中鋼管混凝土柱截面尺寸表達式為:長邊×短邊×長邊壁厚×短邊壁厚(B1×B2×t1×t2);H型鋼梁的截面尺寸表達式為:梁高×梁寬×腹板厚度×翼緣厚度(H×B×t1×t2);其試件具體參數(shù)詳見表1,空鼓具體參數(shù)詳見表2.

表1 節(jié)點試件參數(shù)Table 1 Node specimen parameters

表2 節(jié)點空鼓存在情況Table 2 Existence of node empty drums

1.4 材料力學(xué)性能

矩形鋼管混凝土柱-H型鋼梁節(jié)點是由鋼材和混凝土兩種不同的材料組成的,鋼材選用Q 235 B級鋼[6],混凝土采用C 40級普通混凝土[7];具體材料性能指標(biāo)見表3.

表3 鋼材和混凝土的材性試驗結(jié)果Table 3 Timber test results of steel and concrete

1.5 試驗加載裝置及加載制度

本試驗采用兩臺美國產(chǎn)的MTS擬靜力加載伺服作動器[8],其中一臺設(shè)在豎直方向,用于對試件進行模擬施加軸向荷載,另一臺設(shè)在水平方向,用于模擬施加水平方向上的地震荷載;試驗加載裝置如圖4所示.試驗加載采用分級加載的方式,對梁柱分別施加水平及軸向荷載,依據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101-2015)[9]的規(guī)定,整個加載分為兩部分:第一部分以加載值的5 %為一級,分四級進行加載至20 %,然后進行持荷10 min后卸載;第二部分以加載值20 %為一級,分五級加至預(yù)定荷載值,具體加載制度見圖4.

(a)

(b)

1.6 量測內(nèi)容及測點布置

本試驗量測內(nèi)容主要是[8],柱端和梁端荷載-位移滯回曲線,其中位移計主要布置在柱兩端、節(jié)點柱上下壁和梁自由端等部位測量矩形鋼管柱和型鋼梁的位移;應(yīng)變片主要布置在梁柱相接處節(jié)點核心區(qū)、來測量鋼梁的剪切和變形能力及應(yīng)力隨時間變化的規(guī)律;位移計及應(yīng)變片布置如圖5所示.

(a)

(b)

(c) (d) (e)圖5 位移計及應(yīng)變片布置Fig.5 Layout of displacement gauge and strain gauge

2 試驗結(jié)果

2.1 荷載-位移P-Δ曲線

試驗中試件JD-1,JD-2和JD-3的破壞特征有許多共同之處,其中JD-3因焊縫提前開裂滯回曲線出現(xiàn)明顯的捏縮現(xiàn)象,但JD-1,JD-2滯回曲線形狀相差不大,其滯回曲線如圖6所示.

圖6 試件P-Δ滯回曲線Fig.6 P-Δ hysteretic curves of specimen

在彈性階段內(nèi),當(dāng)試件節(jié)點受力未達到屈服狀態(tài)時,滯回曲線斜率基本不變;在試件節(jié)點屈服之后,P-Δ曲線卻出現(xiàn)了明顯的拐點,試件節(jié)點承載力基本無變化,但變形量增加明顯,繼續(xù)加載達到節(jié)點極限承載力之后,節(jié)點的荷載開始降低,并最終下降至極限承載力的85 %左右.除了試件JD-3因焊縫質(zhì)量問題而提前發(fā)生開裂,導(dǎo)致其試驗力發(fā)生急劇下降,試件自身承載力迅速降低之外,試件JD-1,JD-2的滯回曲線均比較飽滿,具有良好的耗震性能.

2.2 骨架曲線分析

本試驗試件JD-1,JD-2和JD-3的骨架曲線如圖7所示.

圖7 試件骨架荷載-位移P-Δ曲線及匯總Fig.7 Skeleton load-displacement P-Δ curves and summary of each specimen

將試件JD-1,JD-2和JD-3的骨架曲線匯集到圖7,可以看出,3個試件骨架曲線的斜率在初始彈性階段基本相同,骨架曲線也基本重合;

JD-3試件節(jié)點由于焊縫質(zhì)量問題而提前發(fā)生開裂,造成荷載提前下降的現(xiàn)象,可以得出,焊縫早期的開裂對試件節(jié)點整體的承載力有較大的影響.

以無空鼓的試件JD-1與空鼓占比10 %的試件JD-2相比分析,試件JD-1的最大承載力與破壞強度都比試件JD-2要高,這說明空鼓的存在會降低試件節(jié)點的承載力,并且會對結(jié)構(gòu)的抗震帶來不利影響.

2.3 承載力分析

試件各階段的荷載及位移見表4.

表4 試件各階段的荷載及位移Table 4 Load and displacement in the various stages of specimen

由表4可以看出,JD-1的正向各階段荷載數(shù)值異常,造成這種試驗異常的原因是由于試件與連接件以及作動器之間的扭轉(zhuǎn)作用,導(dǎo)致試驗力沒有垂直作用在鋼梁翼緣上,造成了正向極限承載力明顯降低.另外2個試件節(jié)點,試件JD-2與試件JD-3屈服極限比較靠近,這表明,空鼓的存在試件的彈性階段影響較小.同樣,試件JD-3比試件JD-2正、負方向極限破壞強度均明顯提前,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是試件JD-3焊縫過早開裂.

試件JD-1與試件JD-2的負方向狀態(tài)相對較好,試件JD-1的極限強度、破壞強度均比試件JD-2要高一些,而極限位移卻比試件JD-2低一些,因為試件JD-2在試驗過程中形成一個小鼓包,導(dǎo)致柱壁提前發(fā)生屈服現(xiàn)象,這說明無空鼓的試件JD-1比空鼓占比10 %的承載力要高一些,空鼓的存在會在一定程度上降低節(jié)點的承載力.

3 結(jié)論

試驗通過對3個內(nèi)隔板式矩形鋼管混凝土柱-H型鋼梁節(jié)點進行低周反復(fù)加載試驗,研究分析了“柱截面對邊存在空鼓、空鼓占比不同的邊跨節(jié)點”的各截面變化情況、破壞特征、承載能力.

(1) 對3個試件節(jié)點進行了滯回試驗,發(fā)現(xiàn)無空鼓的試件JD-1和有空鼓且空鼓占比為10 %的試件JD-2都有良好的滯回性能,滯回曲線比較圓滑、飽滿,沒有太大的捏縮現(xiàn)象;但是試件JD-3由于焊縫提早開裂,所以滯回曲線出現(xiàn)了嚴重的捏縮現(xiàn)象,說明焊縫質(zhì)量對試件節(jié)點的滯回性能有著較大的影響.

(2) 試件JD-1,JD-2和JD-3在發(fā)生屈服前即處于彈性階段時,應(yīng)變隨試驗力呈正比線性增加,其骨架曲線斜率沒有發(fā)生變化,證明了空鼓的存在對彈性階段下的節(jié)點影響不大.

(3) 試驗中,試件JD-3焊縫的破壞對承載力造成了不利影響,由滯回曲線、骨架曲線和承載力判斷,如試驗中試件JD-3焊縫在未提前開裂的情況下,有空鼓的試件JD-3耗能能力比無空鼓的試件JD-1要更好.