鋼管混凝土柱混凝土環(huán)梁節(jié)點抗震性能試驗研究

鋼管混凝土柱混凝土環(huán)梁節(jié)點抗震性能試驗研究

目前，我國房屋建筑中連接鋼管混凝土柱、混凝土梁的主要形式有：上下環(huán)板牛腿型、雙梁式、梁端局部延伸型、黑色牛腿式、黑色牛腿和環(huán)梁[2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15]。這些節(jié)點形式各有優(yōu)越性和不足,都已有一定的試驗研究。鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點的構(gòu)造如圖1所示。在環(huán)梁高度范圍內(nèi),沿鋼管周圈貼焊一道(或兩道)鋼筋作為抗剪環(huán),無需穿心牛腿等構(gòu)件;鋼管內(nèi)、外不用加勁環(huán),不影響鋼管內(nèi)混凝土澆注;環(huán)梁鋼筋籠無方向性,在地面綁扎,高空就位方便。一、梁節(jié)點壓力引擎1.鋼管抗剪和靜摩擦力框架梁梁端剪力傳遞到鋼管混凝土柱,主要通過三個途徑。途徑之一為通過環(huán)梁混凝土與抗剪環(huán)之間的局部承壓作用力,將剪力由環(huán)梁傳遞到抗剪環(huán)上,并通過抗剪環(huán)與鋼管間的焊縫將剪力傳遞到鋼管上,由于抗剪環(huán)鋼筋直徑一般不大,由剪力引起的對鋼管壁的局部彎矩很小;途徑之二為環(huán)梁混凝土與鋼管之間的粘結(jié)作用;途徑之三為梁端彎矩引起環(huán)梁上(或下)端擠壓鋼管混凝土柱而產(chǎn)生的靜摩擦力。一般情況下,靜摩擦力很大,可以滿足抗剪要求;粘結(jié)作用力雖然也很大,但在地震作用下難以保證,一般不予考慮,僅作為安全儲備;抗剪環(huán)的作用力可以保證,設(shè)計時以抗剪環(huán)的作用力為主進行抗剪驗算。2.剪力墻結(jié)構(gòu)的分配框架梁端彎矩作用于環(huán)梁上,使環(huán)梁產(chǎn)生扭矩。當框架梁端為負彎矩時,環(huán)梁下端擠壓鋼管混凝土柱,其反作用力將產(chǎn)生對環(huán)梁的抵抗扭矩,這將大大降低對環(huán)梁的抗扭要求。樓板在平面內(nèi)對環(huán)梁上部有很大的約束作用,減小了扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的環(huán)梁與柱之間的相對脫離,由變形與內(nèi)力關(guān)系可知,環(huán)梁的扭矩也會進一步減小?？蚣芰憾藶檎龔澗貢r,略為不利,因為沒有樓板的約束作用。對環(huán)梁傳遞彎矩的機理更為簡明的解釋是:框架梁的梁端負彎矩分解為環(huán)梁上部和下部的一對拉力和壓力,拉力由環(huán)梁上部環(huán)筋與樓板共同承擔(dān),壓力由環(huán)梁下部的混凝土承擔(dān)并傳遞擴散至鋼管混凝土柱上。試驗證明,這一設(shè)想與實際受力情況基本吻合。二、鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點現(xiàn)場試驗研究為了研究環(huán)梁節(jié)點的受力特性、抗震性能和設(shè)計方法,進行了一系列鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點的試驗研究。主要研究環(huán)梁配筋、框架梁配筋、環(huán)梁尺寸、框架梁尺寸以及樓板對節(jié)點受力性能的影響。1.鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點先后完成了兩批共37個節(jié)點試件單調(diào)加載試驗,第一批試件的鋼管直徑以?300為主,第二批鋼管直徑以?500為主;結(jié)合實際工程,完成了一個足尺節(jié)點試驗。足尺節(jié)點的鋼管直徑1600mm,壁厚20mm,框架梁截面為600mm×800mm(寬×高),配筋為14⊥○32;環(huán)梁截面尺寸為600mm×800mm(寬×高),上部配筋為10⊥○32。樓板寬4600mm,厚150mm,雙向配筋為⊥○12@150。試驗結(jié)果表明:鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點的抗彎能力和變形能力與環(huán)梁混凝土強度、截面尺寸、配筋量、節(jié)點形式、樓板、環(huán)梁寬度與外徑比等因素有關(guān);環(huán)梁的環(huán)向鋼筋和箍筋對傳遞框架梁端的彎矩及縱筋的錨固起重要作用,配箍不足可能導(dǎo)致框架梁鋼筋錨固失效;環(huán)梁環(huán)筋對傳遞框架梁彎矩起重要作用,配筋不足可能導(dǎo)致環(huán)梁截面開裂較大;框架梁的分布對節(jié)點控制截面內(nèi)力影響較小,這有利于環(huán)梁節(jié)點與多根任意角度的框架梁連接;現(xiàn)澆樓板能大大提高節(jié)點的承載力和剛度,大幅度減小環(huán)梁承受的扭矩、剪力以及軸力;節(jié)點的破壞形態(tài)和框架梁縱筋與環(huán)梁環(huán)筋的配筋量比值有關(guān),環(huán)梁配筋量相對較大時,節(jié)點破壞主要發(fā)生在框架梁端與環(huán)梁交接處,以框架梁破壞為主,環(huán)梁配筋量相對較小時,節(jié)點破壞主要發(fā)生在框架梁端的環(huán)梁內(nèi),可能形成兩條主要裂縫;合理的截面尺寸和配筋可以使破壞發(fā)生在環(huán)梁范圍以外的框架梁端,實現(xiàn)“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計概念。圖2,3是一個典型試件的框架梁端的裂縫圖及荷載-位移曲線。2.節(jié)點的變形能力為了研究環(huán)梁節(jié)點的抗震性能,完成了14個鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點在反復(fù)荷載作用下的試驗。圖5是兩個試件的水平力-轉(zhuǎn)角滯回曲線。試驗結(jié)果表明,塑性鉸無論是在框架梁端還是在環(huán)梁內(nèi),節(jié)點都有比較大的變形能力,承載力下降至最大承載力的85%的節(jié)點試件,其鋼管混凝土柱的轉(zhuǎn)角達1/60左右;試件達到最大承載力之前及達到最大承載力時,大部分試件鋼管混凝土柱的轉(zhuǎn)角達1/120或更大,滯回環(huán)比較飽滿,捏攏現(xiàn)象不明顯;達到最大承載力后,由于框架梁、樓板、環(huán)梁混凝土開裂,鋼管與環(huán)梁之間局部脫離,出現(xiàn)縫隙,在裂縫閉合前位移增大快而荷載增加慢,滯回曲線出現(xiàn)不同程度的捏攏現(xiàn)象。由于節(jié)點具有梁柱相對獨立的特點,節(jié)點的破壞不影響鋼管混凝土柱的完整性,基本不影響鋼管混凝土柱的承載力,容易實現(xiàn)強柱弱梁的抗震設(shè)計概念。3.反復(fù)加載試驗足尺節(jié)點試件完成靜力加載試驗后,進行鋼管與環(huán)梁界面的抗剪試驗。千斤頂貼近鋼管混凝土柱置于環(huán)梁上加載,在環(huán)梁上產(chǎn)生近似沖切的作用力。限于千斤頂加載能力,最大荷載加至5300kN,試件仍未破壞(彎曲試驗中,在環(huán)梁處產(chǎn)生的總剪力最大為2700kN,且此時環(huán)梁與鋼管混凝土柱之間存在很大的靜摩擦力)。還完成了3個反復(fù)加載破壞后試件的鋼管與環(huán)梁界面的抗剪試驗,圖4為其中一個試件的實測荷載(即界面剪力)-環(huán)梁與鋼管間相對滑移的關(guān)系曲線。試驗結(jié)果表明,即使環(huán)梁已經(jīng)破壞,鋼管與環(huán)梁之間已有縫隙,由于抗剪環(huán)的作用,鋼管與環(huán)梁的界面有足夠大的受剪承載力,通過抗剪環(huán)傳遞剪力是可靠的。即使環(huán)梁與鋼管之間已有相對滑移,環(huán)梁也不會從鋼管上滑脫。三、梁節(jié)點工程應(yīng)用1.環(huán)梁、再框架梁、縱筋布置工程中,采用下述方法設(shè)計環(huán)梁節(jié)點:環(huán)梁的上表面與框架梁的上表面平,環(huán)梁比框架梁高50mm,以便環(huán)筋和框架梁鋼筋在高度方向的布置;環(huán)梁寬度應(yīng)滿足框架梁縱向鋼筋的錨固要求;環(huán)梁的環(huán)筋和箍筋數(shù)量根據(jù)框架梁縱筋數(shù)量確定,且箍筋應(yīng)滿足豎向抗剪的要求,環(huán)梁箍筋沿徑向放射布置;在環(huán)梁底部和中下部各設(shè)置一道抗剪環(huán),抗剪環(huán)直徑以及抗剪環(huán)與鋼管柱的焊縫高度,可通過混凝土的局部承壓以及焊縫強度滿足豎向抗剪要求確定,建議抗剪環(huán)上下兩個角焊縫都施焊。2.環(huán)梁節(jié)點房屋建筑環(huán)梁節(jié)點最早于1997年用于昆明邦克大廈(8度抗震設(shè)防),以后陸續(xù)用于廣東省電信樞紐綜合樓、合銀廣場等20多幢房屋建筑,取得了良好的經(jīng)濟效益,表1為20幢采用環(huán)梁節(jié)點的房屋建筑簡介。圖6和圖7分別為廣州市中華廣場和太原市數(shù)碼中心的平面圖。四、環(huán)梁節(jié)點位置驗證(1)梁柱連接方式是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,環(huán)梁節(jié)點具有受力合理明確、構(gòu)造簡單、施工方便、造價低廉等優(yōu)點。(2)受力機理分析表明,環(huán)梁節(jié)點滿足傳遞梁端剪力和彎矩的要求,試驗結(jié)果驗證了其受力機理。(3)試驗結(jié)果表明,環(huán)梁節(jié)點可以實現(xiàn)“強節(jié)點、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計概念,塑性鉸在框架梁端或在環(huán)梁內(nèi),環(huán)梁節(jié)點都有比較大的變形能力和良好的滯回特性,通過抗剪環(huán)傳遞剪力是可靠的,即使環(huán)梁已局部破壞、