方鋼管混凝土框架內(nèi)隔板節(jié)點抗震性能的試驗研究_圖文

1、第25卷第1期2005年2月地震工程與工程振動E ARTHQUAKE E NGI N EER I N G AND E NGI N EER I N G V I B RATI O N Vol .25,No .1Feb .2005收稿日期:2004-03-15基金項目:天津市建委重大科技項目(01-2-073作者簡介:王來(1963-,男,教授,博士研究生,主要從事鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)的教學與研究.文章編號:100021301(20050120076205方鋼管混凝土框架內(nèi)隔板節(jié)點抗震性能的試驗研究王來1,2,王鐵成1,鄧芃2(1.天津大學建工學院,天津300072; 2.山東科技大學土建學院,山東青島

2、266510摘要:本文設(shè)計了一榀三層兩跨的方鋼管混凝土框架模型,梁柱節(jié)點采用內(nèi)隔板節(jié)點型式。采用擬靜力試驗方法,對方鋼管混凝土框架施加低周反復水平荷載,研究了方鋼管混凝土框架內(nèi)隔板節(jié)點的荷載-位移曲線、節(jié)點延性、節(jié)點破壞機制和破壞特點等抗震性能。研究結(jié)果表明,方鋼管混凝土框架內(nèi)隔板節(jié)點的抗震性能較好。關(guān)鍵詞:方鋼管混凝土框架;內(nèi)隔板節(jié)點;延性;抗震性能中圖分類號:P315.97文獻標識碼:AExper i m en t a l research on se is m i c performances of jo i n t re i n forcedw ith i n ner r i n g

3、sti ffener of concrete 2f illed square tubul ar fram eW ang Lai 1,2,W ang Tiecheng 1,Deng Peng 2(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Shandong University of Science and Technol ogy,Q ingdao 266510,China Abstract:A 32fl oor 22s pan concrete 2filled steel square tub

4、ular fra me model was designed .I nner diaphrag m j oints were used in the fra me model .The quasi 2static experi m ents were carried out .By exerting l ow reversed cyclic l oads on the concrete 2filled steel square tubular fra me,the seis m ic perf or mance was analyzed,including the l oad 2def or

5、m 2ati on curve of the inner diaphrag m j oints in the concrete 2filled steel square tubular fra me,the j ointsductility,the j ointsfailure mechanis m ,the failure characteristics,and s o on .The results indicate that the inner diaphrag m j oints in the concrete 2filled steel square tubular fra me h

6、ave good seis m ic perf or mance .Key words:concrete 2filled square tube fra me;inner diaphrag m j oint;ductility;seis m ic perf or mance引言對于鋼管混凝土節(jié)點的抗震性能,國內(nèi)外的專家和學者從不同的節(jié)點形式進行了大量的研究,取得了許多研究成果。在國外,1991年Yoshi m ura 1等進行了方鋼管套箍鋼筋混凝土短柱與鋼梁組成的梁柱節(jié)點的擬靜力試驗研究。1993年Morino 2等通過擬靜力試驗研究方鋼管混凝土柱與H 型工字梁組成的三維空間梁柱節(jié)點的抗震性能

7、。1994年Teraoka 3等通過擬靜力試驗研究未設(shè)加強環(huán)的方鋼管混凝土柱和H 型鋼梁組成的梁柱節(jié)點的延性和耗能能力。1988年Endoh 4等進行了方鋼管混凝土無梁樓蓋體系中板柱節(jié)點的擬靜力試驗研究。1991年Yokoya ma 5等進行了內(nèi)加強環(huán)式方鋼管混凝土柱和鋼梁節(jié)點的擬靜力試驗研 究。1998年Oh Y .S .6等對帶有穿過鋼管的T 型加勁構(gòu)件的方鋼管混凝土梁柱節(jié)點進行了擬靜力試驗研究。在國內(nèi),1991年沈希明7等通過擬靜力試驗研究鋼管混凝土柱與鋼梁加強環(huán)式節(jié)點的承載力、剛度和延性。1994年李至鈞8等對5個鋼管混凝土框架梁柱剛性抗震節(jié)點進行試驗研究。1999年歐謹9等對雙梁夾柱

8、加承重銷節(jié)點進行低周反復荷載試驗,探討其抗震性能。1999年楊潤強10等研究鋼管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點在低周反復荷載作用下的受力性能以及低周反復荷載作用對節(jié)點抗剪能力的影響。此外,2001年張大旭11、吳發(fā)紅12對4個鋼加強環(huán)鋼管混凝土節(jié)點的模型進行了試驗,研究其在低周反復荷載作用下的承載力、破壞形態(tài)和抗震性能。向黎明13,張素梅14等也進行了類似的研究。以上研究大都建立在單個節(jié)點模型試驗的基礎(chǔ)上。本文設(shè)計了一榀三層兩跨的方鋼管混凝土組合框架,通過低周反復荷載試驗,研究了具有加強內(nèi)隔板的方鋼管混凝土框架節(jié)點的抗震性能。1試驗模型設(shè)計以“天津市鋼結(jié)構(gòu)住宅體系”方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)住宅試點工程為原型,按比例

9、縮小設(shè)計出一榀三層兩跨的方鋼管混凝土框架試驗模型,如圖1所示15?？蚣苤鶠榉戒摴芑炷林?方鋼管截面尺寸為150mm ×150mm ×6mm ,鋼材為Q2352B 。方鋼管由4塊鋼板采用坡口的對接焊縫焊接而成,內(nèi)部澆注C40混凝土?？蚣芰翰捎闷胀üぷ咒揑 18,材料采用Q2352B 。方鋼管混凝土梁柱節(jié)點采用了目前常用的節(jié)點型式內(nèi)隔板節(jié)點。即工字形梁上下翼緣與柱子的連接采用坡口對接焊縫連接,腹板與焊接于柱子上的豎向鋼板采用6M16高強螺栓進行連接(8.8級。在方鋼管混凝土框架柱內(nèi)部,與梁上下翼緣對應位置設(shè)置2塊內(nèi)隔板,沿框架平面方向與柱子坡口對焊?？蚣芄?jié)點連接型式如圖2所

10、示。內(nèi)隔板節(jié)點的傳力機理為:內(nèi)隔板用于傳遞梁端彎矩,連接板傳遞梁端剪力 。2試驗方法試驗采用擬靜力試驗方法,對方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在邊柱頂部與上層梁交匯節(jié)點處,利用固定在反力墻上的500k N 拉壓千斤頂施加低周反復水平荷載。在框架柱的頂部施加豎向集中荷載,通過千斤頂上部與反力梁之間的滾軸裝置保證柱頂端可產(chǎn)生自由水平位移。本試驗框架模型邊柱和中柱的軸壓比分別為0.25和0.4,即邊柱和中柱所施加的豎向軸力分別為300k N 和500k N 。加載裝置如圖3所示。本試驗水平荷載的加載采用荷載-變形混合控制的加載方法。在加載的第1階段,即荷載控制階段,按每50kN 一級增加,取50kN,100kN

11、 ,直至結(jié)構(gòu)屈服。屈服位移y 根據(jù)繪制的P -曲線上出現(xiàn)較為明顯的拐點來確定。在第2階段,即結(jié)構(gòu)屈服后進入位移控制加載階段,按頂層屈服位移的倍數(shù)作為加卸載控制點,每一位移量級循環(huán)3次,直至結(jié)構(gòu)破壞(荷載下降到最高荷載的80%85%,且不低于屈服荷載時。加載程序見圖4。771期王來等:方鋼管混凝土框架內(nèi)隔板節(jié)點抗震性能的試驗研究 試驗實測材料的應力-應變關(guān)系曲線見圖5和圖6 。 圖7框架頂層P -骨架曲線3試驗主要結(jié)果及其分析3.1基本情況在試驗中,框架在豎直恒定荷載和水平低周反復荷載的作用下,經(jīng)歷了彈性、屈服、最高荷載和極限荷載而破壞。整個試驗過程經(jīng)歷了13次反復循環(huán)達到破壞(見圖7。第1循環(huán)

12、,正向加荷至P =50kN,反向加荷至P =-50k N;第2循環(huán),加至設(shè)計荷載±100k N,各個梁柱均處于彈性階段。第3循環(huán),當加荷至P =150kN (0.68P max ,反向加至P =-158k N (0.78P max 時,在P -曲線上出現(xiàn)明顯的拐點(A 及A 點,說明框架已經(jīng)屈服。此時,對于正向加載和反向加載,1、2層個別梁端形成了塑性鉸?？蚣芮髣偠容^初始剛度有明顯下降,在滯回曲線上,荷載增加速度減慢而變形增長迅速。貼在柱端鋼管上的橫向應變片讀數(shù)增長幅度較大,說明混凝土的膨脹引起的鋼管橫向應力加大,即鋼管對內(nèi)部混凝土的約束力不斷增長。卸載段基本呈直線,卸載剛度與初

13、始剛度基本相同。第6循環(huán),正向加荷至P =226k N ,反向加荷至P =-212kN,此時達到最高荷載點B 和B 。此后,隨荷載反復循環(huán),變形迅速增加而荷載開始緩慢下降。第12循環(huán),正向加荷至P =203kN,反向加荷至P =-162k N ,此時荷載下降到極限荷載點C 和C 。相應的位移延性系數(shù)=4.61和=4.29,此值為衡量框架延性的重要指標。最后框架位移過大,試驗停止。87地震工程與工程振動25卷 3.2柱端轉(zhuǎn)角柱子轉(zhuǎn)角測量裝置如圖8所示。實測框架一層中柱節(jié)點柱端的荷載-轉(zhuǎn)角骨架曲線如圖9所示。從圖中可以看出,在框架屈服以前,P -曲線基本呈直線變化,而且柱端轉(zhuǎn)角很小,發(fā)展緩慢。屈服

14、荷載點之后,隨著荷載的逐步增大,轉(zhuǎn)角增長較快。柱端轉(zhuǎn)角延性系數(shù)根據(jù)試驗的實測值,得到如下結(jié)果:=6.66(正向加載,=7.30(反向加載。在達到極限荷載時,柱端沒有局部凸出的現(xiàn)象發(fā)生,說明框架柱還有一定的塑性轉(zhuǎn)動儲備 。3.3 梁柱相對轉(zhuǎn)角圖10底層中節(jié)點柱端P -骨架曲線通過梁端架設(shè)的水平傾角儀和柱端兩側(cè)安置的百分表的讀數(shù)可以測得梁柱的相對轉(zhuǎn)角,實測框架一層中柱節(jié)點柱端的P -(其中為梁柱相對轉(zhuǎn)角骨架曲線如圖10所示。從圖中可以看出,在框架屈服之前,P -圖基本呈直線,梁柱相對轉(zhuǎn)角很小,在達到屈服荷載之后,相對轉(zhuǎn)角的增長明顯并快于荷載的增加。從破壞過程中可以發(fā)現(xiàn),在達到2倍屈服位移的第2循環(huán)

15、時,中柱柱腳的塑性鉸形成,在3倍屈服位移第1循環(huán)時,邊柱柱腳形成塑性鉸。這樣由于柱腳塑性鉸的出現(xiàn),使框架位移增長變快,同時也是梁柱相對轉(zhuǎn)角突然快速增加的原因。3.4梁柱節(jié)點強柱弱梁關(guān)系為了提高框架的抗震能力,關(guān)鍵是控制好柱子出現(xiàn)塑性鉸的位置和順序,并使塑性鉸具有足夠的變形能力?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的延性與塑性鉸的分布有關(guān),若梁中先出現(xiàn)塑性鉸形成梁鉸機構(gòu),則塑性鉸分布比較均勻,每個塑性鉸所要求的非彈性變形量也比較小,而且梁鉸機構(gòu)的延性較好。為此,模型設(shè)計必須滿足“強柱弱梁”條件,即使梁中的塑性鉸先出現(xiàn)、多出現(xiàn),盡量減少或推遲柱中塑性鉸的出現(xiàn),特別是要避免在同一層各柱的兩端都出現(xiàn)塑性鉸。本次試驗的模型設(shè)計中校

16、核了“強柱弱梁”,保證了塑性鉸先出現(xiàn)在梁端而不是柱端。試驗證明,梁柱節(jié)點的塑性鉸大都出現(xiàn)在梁端。3.5節(jié)點破壞機制及特點(1破壞機制。從試驗時記錄的框架梁端和柱端所布置的應變片的結(jié)果可以看出梁、柱端塑性發(fā)展的過程。首先在第3循環(huán),即P =150k N 時,1、2層邊節(jié)點部分梁端塑性鉸已形成;其后,當?shù)?6循環(huán)(由位移控制,達到1倍屈服位移的第2循環(huán)時,絕大多數(shù)邊節(jié)點梁端形成塑性鉸,部分頂層柱端也開始出現(xiàn)了塑性鉸;第6循環(huán)(2倍屈服位移第1循環(huán)以后,部分中柱柱端和柱腳及頂層梁端陸續(xù)形成塑性鉸;第9循環(huán)以后,大部分節(jié)點柱端陸續(xù)形成塑性鉸,最后由于框架變形過大而中止試驗。在試驗過程中,框架第3層中柱

17、及第3層邊柱柱端過早出現(xiàn)塑性鉸,主要因為框架頂層柱端所受彎矩較大,而梁端彎矩相對較小,同時,水平加載裝置會使邊柱頂部形成局部應力集中。試驗表明,框架模型的破壞機制基本上是梁鉸機制,基本實現(xiàn)了梁端先形成塑性鉸,待梁端塑性鉸發(fā)展一段時間,消耗部分能量后,柱端971期王來等:方鋼管混凝土框架內(nèi)隔板節(jié)點抗震性能的試驗研究 圖11節(jié)點梁端焊縫開裂情況再屈服的預想,在設(shè)計上滿足了強柱弱梁的要求。但是與其它框架一樣,方鋼管混凝土框架在柱腳形成塑性鉸是不可避免的。由于柱子所承受的軸向力很大,柱腳一旦形成塑性鉸,其發(fā)展比梁端塑性鉸要快。試驗中,當柱腳塑性鉸出現(xiàn)后,梁端塑性鉸的轉(zhuǎn)動開始減弱,框架的耗能工作以梁鉸的

18、轉(zhuǎn)動為主逐漸轉(zhuǎn)化為由柱鉸來承擔,塑性轉(zhuǎn)動逐漸集中到3個底層柱腳。隨著塑性鉸增加,加之N -效應增加,導致框架變形過大而破壞。(2破壞特點。在破壞的過程中,大部分梁上下翼緣與柱子的連接焊縫發(fā)生斷裂。柱子出現(xiàn)了不可恢復的明顯的彎曲變形。在本試驗中,雖然反映了強柱弱梁的結(jié)構(gòu)特點,塑性鉸先在梁端產(chǎn)生,然后發(fā)生在柱端,但此后有些梁端的焊縫開始開裂,而且斷裂的響聲很大。通過分析梁端塑性鉸的開裂發(fā)展情況,可知焊縫開裂主要是由于梁端的塑性鉸開展后,對有些有缺陷的焊縫產(chǎn)生了應力集中,致使焊縫發(fā)生脆性開裂,從而影響了節(jié)點和結(jié)構(gòu)塑性變形的發(fā)展。節(jié)點破壞情況如圖11所示。4結(jié)論通過對方鋼管混凝土框架內(nèi)隔板節(jié)點的試驗研

19、究,可得出以下結(jié)論:(1方鋼管混凝土組合框架采用內(nèi)隔板節(jié)點,構(gòu)造簡單,傳力明確,節(jié)點剛度較大,承載力高。(2延性系數(shù)大于4,說明方鋼管混凝土內(nèi)隔板節(jié)點延性較好。(3框架模型的破壞機制基本上是梁鉸機制,從而使得強柱弱梁的要求得到滿足。(4內(nèi)隔板節(jié)點需要進行內(nèi)部施焊,焊接困難,焊縫質(zhì)量不易保證,而且隔板的存在也影響混凝土的澆筑,在實際工程中必須保證節(jié)點的施工質(zhì)量。(5由于節(jié)點的焊縫較多,導致節(jié)點焊縫附近鋼材塑性下降,脆性增加,從而影響了結(jié)構(gòu)塑性的進一步發(fā)展。參考文獻:1Yoshi m ura K,Kikichi K,I ur okiM.Seis m ic shear strengthening m

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