十字型鋼管實(shí)驗(yàn)方案

1、異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)方案（十字形節(jié)點(diǎn)部分）國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50978033）長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院2010年2月異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)方案（十字形節(jié)點(diǎn)部分）一、 試驗(yàn)?zāi)康募霸嚰攀霰驹囼?yàn)的目的即為了解異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)、截面應(yīng)力和應(yīng)變分布、破壞形態(tài)、變形特征、延性性能，提出合理的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度、變形的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了六個(gè)節(jié)點(diǎn)試體，擬進(jìn)行不同軸壓比，不同節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)環(huán)下的異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)軸壓比為0.2、0.4、0.6（混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，截面布局及幾何形狀與尺寸相同并采用外加強(qiáng)

2、環(huán)式構(gòu)造，梁柱均取其反彎點(diǎn)范圍且按強(qiáng)構(gòu)件弱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，豎向荷載和反復(fù)水平荷載分別加于柱頂和柱反彎點(diǎn)處），和混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、軸壓比為0.4，截面布局及幾何形狀與尺寸相同并采用內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式及柱內(nèi)隔板外伸式構(gòu)造試體，及軸壓比取0.4，按強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)的構(gòu)件等六種情況進(jìn)行試驗(yàn)，研究異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的特殊受力性能及其機(jī)理。二.試件設(shè)計(jì)試驗(yàn)所取梁柱連接試件為圖1.1所示的框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向水平荷載作用下梁柱反彎點(diǎn)之間的典型單元，該模型為框架梁柱中間層邊節(jié)點(diǎn)，在反對(duì)稱荷載作用下，認(rèn)為框架的反彎點(diǎn)在梁柱中點(diǎn)，邊節(jié)點(diǎn)受力示意圖如圖1.2所示，模型的立體圖如圖1.3所示。VN圖1.2 中節(jié)點(diǎn)受力圖NV

3、試件 圖1.1 模型試件選取圖PP試驗(yàn)的目的是為了研究異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力性能，因此節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，按照“強(qiáng)構(gòu)件、弱節(jié)點(diǎn)”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓節(jié)點(diǎn)先于梁柱破壞。由于異形柱的柱肢常做成與墻等厚，故柱的截面尺寸可先確定，主要是梁的截面尺寸需要計(jì)算確定，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑?：2的縮尺比例進(jìn)行。1強(qiáng)構(gòu)件弱節(jié)點(diǎn)型試件圖2.1 十字形截面柱尺寸300×100×4100×100×412柱的截面尺寸如圖2.1所示，忽略鋼管混凝土中混凝土的作用，單純考慮鋼管受彎，則柱在靠近節(jié)點(diǎn)處屈服時(shí)的彎矩為75.62kN·m，根據(jù)節(jié)點(diǎn)彎矩平衡可得梁在靠近柱

4、表面所受到的彎矩為75.62 kN·m。計(jì)算過(guò)程如下：空鋼管的形心軸如圖2.1所示，由此可求得Ix=37810895mm4，W1=252072mm3。則柱在靠近節(jié)點(diǎn)處屈服時(shí)的彎矩為：M=Wf=252072×300=75.62kNm梁靠近柱表面處的彎矩為 M=75.62 kN·m。要達(dá)到強(qiáng)梁的目的，必須使梁的抗彎承載力大于M，偏于安全的取此彎矩為1.5 M，則可求得梁的抗彎截面系數(shù)W為：W=M/f=1.5×75.62×106/300=378100mm3據(jù)此選擇梁的截面為300×100×8×10mm，其抗彎截面系數(shù)為3

5、78008mm3。2強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)根據(jù)強(qiáng)構(gòu)件弱節(jié)點(diǎn)型試件中的計(jì)算可知，當(dāng)梁的抗彎承載力小于M=75.62 kN·m時(shí)，試件為強(qiáng)柱弱梁型試件，由此可求得梁的抗彎截面系數(shù)為：W=M/f=75.62×106/300=252067mm3據(jù)此選擇梁的截面為250×100×6×8mm，其抗彎截面系數(shù)為238724mm3。3施加軸壓力計(jì)算試驗(yàn)考慮軸壓比的影響，考慮到試驗(yàn)條件，取試驗(yàn)軸壓比為0.2、0.4和0.6。十字形柱的軸壓承載力按式計(jì)算：經(jīng)計(jì)算得Nu=2937kN，則相應(yīng)于軸壓比0.2、0.4和0.6，對(duì)應(yīng)的軸壓力分別為587.4kN、1174.8kN和

6、1762.3kN。4試件制作試件采用十字形截面柱外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)、十字形截面柱內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)及柱內(nèi)隔板外伸式節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖所示。圖2.2 十字形截面柱構(gòu)造圖十字形截面鋼管采用300×100×4mm的矩形鋼管和兩塊100×100×4的槽形截面焊接而成，如圖2.1所示，在圖示“1”、“2”位置采用坡口焊，焊縫均按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）進(jìn)行設(shè)計(jì)。進(jìn)行節(jié)點(diǎn)鋼管加工時(shí)，首先按要求的截面形式和長(zhǎng)度加工空鋼管，并保證鋼管兩端截面平整。對(duì)每個(gè)試件加工兩個(gè)厚度為10mm的鋼板作為試件的蓋板，先在空鋼管一端將蓋板焊上，另一端待混凝土澆灌之后再焊接。其次

7、，按要求的截面和長(zhǎng)度加工鋼梁，并保證鋼梁尺寸的平直度。再次，把節(jié)點(diǎn)外加強(qiáng)環(huán)按照設(shè)計(jì)的位置焊接到空鋼管上。最后，將加工好的鋼梁焊接于節(jié)點(diǎn)環(huán)板上，焊接時(shí)要注意保證左右鋼梁的軸線位置。各試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，各構(gòu)件的尺寸如圖2.2所示。澆筑混凝土?xí)r，把鋼管豎立，從頂部分層灌混凝土，并用插入式振搗棒分層振搗，同時(shí)在鋼管外部進(jìn)行側(cè)振以保證混凝土的密實(shí)度。各試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)表節(jié)點(diǎn)編號(hào)ZJD1（外加強(qiáng)環(huán)）ZJD2（外加強(qiáng)環(huán)）ZJD3（外加強(qiáng)環(huán)）ZJD4（外加強(qiáng)環(huán)）ZJD5（內(nèi)加強(qiáng)環(huán)）ZJD6（內(nèi)隔板外伸）梁截面尺寸mm×mm300×100×8×

8、10300×100×8×10300×100×8×10250×100×6×8300×100×8×10300×100×8×10型鋼H型H型H型H型H型H型柱截面尺寸mm×mm300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×

9、;4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40C40C40C40C40C40軸壓比0.20.40.60.40.40.4三、 試驗(yàn)裝置及受力分析 1. 試驗(yàn)裝置參照建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程JGJ

10、101-96，節(jié)點(diǎn)擬靜力加載方式可以有兩種：柱端加載方式和梁端加載方式。當(dāng)以梁端塑性鉸區(qū)或節(jié)點(diǎn)核心區(qū)為主要試驗(yàn)對(duì)象的試體，宜采用梁端加載；當(dāng)以柱端塑性鉸區(qū)或柱連接處為主要試驗(yàn)對(duì)象時(shí)，宜采用柱端加載，但應(yīng)計(jì)入效應(yīng)?？紤]到實(shí)驗(yàn)室的具體條件和加載得以實(shí)現(xiàn)的難易程度，鋼管混凝土的應(yīng)用范圍（一般為承受較大的軸向壓力）以致于效應(yīng)不可忽略，故本實(shí)驗(yàn)采用柱端往復(fù)加載方案，以確保試驗(yàn)順利進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。節(jié)點(diǎn)試體基本單元和加載簡(jiǎn)圖與試驗(yàn)加載裝置示意圖分別見(jiàn)圖3.1，圖3.2所示。本試驗(yàn)研究的邊節(jié)點(diǎn)的邊界條件是：節(jié)點(diǎn)柱子下端和梁的支座邊界條件均為鉸接，柱子底部采用平板鉸來(lái)模擬柱底的鉸接邊界條件，梁端

11、的支座采用剛性桿來(lái)模擬，用鉸接的邊界條件模擬鉸支座；柱子頂端為隨著水平荷載的變化在平面內(nèi)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的邊界條件；柱頂施加保持恒定不變的軸力。N1610mm圖3.1節(jié)點(diǎn)試體基本單元和加載圖1250mm1250mmP圖3.2試驗(yàn)裝置示意圖2受力分析柱端加載時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.3所示。圖3.3柱端加載時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)圖由圖3知，節(jié)點(diǎn)的受力平衡方程為:可由梁端剪力求出柱頂水平荷載值若忽略，則：，實(shí)驗(yàn)中，柱頂軸向壓力的作用導(dǎo)致柱頂產(chǎn)生摩擦力，故柱頂水平荷載大小可根據(jù)上述公式求得。實(shí)際上，柱頂水平荷載等于由柱頂荷載傳感器測(cè)得的荷載值減去柱頂摩擦力，但柱頂摩擦系數(shù)很難精確得到。四、 測(cè)試內(nèi)容1位移測(cè)量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變

12、形的測(cè)量通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形，研究節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪性能并分析它對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能、破壞形態(tài)等的影響。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切角上。方法：節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切角可通過(guò)量測(cè)核心區(qū)對(duì)角線的位移量來(lái)計(jì)算確定。使用儀表：電子百分表；量程為30cm；精度為0.01mm梁柱塑性鉸區(qū)段曲率或轉(zhuǎn)角的測(cè)量測(cè)量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處梁、柱塑性鉸區(qū)段的曲率或者轉(zhuǎn)角。方法：對(duì)于梁一般可在距柱面（梁高）或處布點(diǎn)，對(duì)于柱子則可在距梁面（柱寬）處布置測(cè)點(diǎn)。使用儀表：電子百分表；量程為50mm；精度為0.01mm柱端位移的測(cè)量柱端位移的測(cè)量主要是測(cè)量柱頂水平荷載加載截面處的位移，并在控制位移加載階段依此作為控制加載程序。另外

13、，通過(guò)測(cè)定柱端位移還可確定層間位移延性系數(shù)、層間變形角及相應(yīng)的延性系數(shù)。方法：在柱頂水平荷載加載截面、柱腳截面、梁端支撐處布置位移計(jì)使用儀表：位移計(jì)；量程為30cm荷載-變形曲線觀測(cè)荷載-變形曲線采用電測(cè)位移計(jì)，通過(guò)X-Y函數(shù)記錄儀記錄整個(gè)試驗(yàn)荷載-變形曲線全過(guò)程。要求位移傳感器保證精度要求外，尚要保證足夠的量程，以滿足構(gòu)件進(jìn)入非線性階段量測(cè)大變形的要求。說(shuō)明：上述所有提到的測(cè)量?jī)x表的布置見(jiàn)圖4.1。圖4.1 位移計(jì)及百分表布置圖4.2節(jié)點(diǎn)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置（正面）圖4.3節(jié)點(diǎn)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置（反面）2應(yīng)變測(cè)量 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管混凝土柱應(yīng)變測(cè)量通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處型鋼柱腹板和翼緣應(yīng)變，了解節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的

14、受力特點(diǎn)，破壞形態(tài)，截面應(yīng)力應(yīng)變分布情況等。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管：在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管外表面沿對(duì)角線方向上布置應(yīng)變花，測(cè)量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)處鋼管上應(yīng)力分布情況，研究節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切滯回性能。 節(jié)點(diǎn)梁端型鋼、柱端鋼管應(yīng)變測(cè)量測(cè)量靠近節(jié)點(diǎn)區(qū)梁端、柱端型鋼上應(yīng)力分布情況；了解塑性鉸形成情況。在梁端型鋼翼緣、柱端鋼管處布置應(yīng)變片。說(shuō)明：上述所有提到的應(yīng)變片的布置見(jiàn)圖4.2、圖4.3。五、加載方案本試驗(yàn)采用柱端加載方式。第一步：施加柱端軸向荷載N。軸壓比取0.2時(shí)（試體編號(hào)ZJD1），需在柱頂對(duì)應(yīng)加載587.4kN的軸壓力；軸壓比取0.4時(shí)（試體編號(hào)ZJD2、ZJD4、ZJD5），需在柱頂對(duì)應(yīng)加載1174.8kN的軸壓

15、力；軸壓比取0.6時(shí)（試體編號(hào)ZJD3），需在柱頂對(duì)應(yīng)加載1762.3kN的軸壓力；第二步：施加柱頂水平荷載。水平荷載的施加按照位移控制。加載初期，使每個(gè)循環(huán)峰值側(cè)移率/L增加0.25%，直至0.75%，每級(jí)加荷循環(huán)一次。其中為柱頂端加載處的側(cè)向位移，L為位移測(cè)點(diǎn)到梁上翼緣表面的垂直距離。對(duì)應(yīng)于/L=1%、2%、3%、4%，每級(jí)加荷循環(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(wú)法穩(wěn)定時(shí)停止加載，水平位移的加載制度見(jiàn)圖5.1。圖5.1 加載制度表2 試件加載情況試件軸力（kN）水平位移（mm）0.25%0.5%0.75%1%1.5%2%3%4%T1587.41.753.55.2

16、5710.5142128T21174.81.753.55.25710.5142128T31762.31.753.55.25710.5142128T41174.81.83.65.47.2510.8814.521.7529T51174.81.753.55.25710.5142128T61174.81.753.55.25710.5142128循環(huán)次數(shù)1次3次說(shuō)明：1. 在節(jié)點(diǎn)正式進(jìn)行加載以前，為了使加載裝置的各部分與節(jié)點(diǎn)充分接觸，先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)加載。其目的是檢查加載裝置的某一部分與節(jié)點(diǎn)的接觸是不是很密實(shí)，同時(shí)檢查測(cè)量?jī)x表工作狀態(tài)是不是很不穩(wěn)定，如果出現(xiàn)加載裝置的某一部分與節(jié)點(diǎn)接觸不是很密實(shí)或測(cè)量?jī)x表工作狀態(tài)不是很穩(wěn)定的情況，則應(yīng)進(jìn)行及時(shí)處理，否則會(huì)影響整個(gè)試驗(yàn)的精