空間組合節(jié)點雙向加載抗震性能試驗研究

空間組合節(jié)點雙向加載抗震性能試驗研究

0組合節(jié)點抗震性能由于其高度的承載性、柔軟性和建筑性，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)已被廣泛使用。梁-柱節(jié)點對組合結(jié)構(gòu)體系的抗震性能具有重要影響。近年來,國內(nèi)外對各種類型的鋼-混凝土組合節(jié)點開展了一系列試驗研究,結(jié)果表明設(shè)計合理的組合節(jié)點具有良好的承載能力和變形性能,并在地震作用下具有良好的延性和耗能能力。目前,有關(guān)組合節(jié)點抗震性能的研究多限于平面加載的情況,即施加的荷載、節(jié)點的梁柱構(gòu)件以及約束均位于同一豎向平面內(nèi)。而在實際地震作用下,梁柱節(jié)點將承受兩個方向的框架梁以及框架柱所傳來的雙向彎矩、剪力以及軸力作用,將可能在節(jié)點內(nèi)引起更為復(fù)雜的受力狀態(tài)和空間耦合作用?，F(xiàn)有的空間節(jié)點試驗,其研究對象包括鋼筋混凝土空間節(jié)點、預(yù)應(yīng)力混凝土空間節(jié)點、鋼管混凝土柱-鋼梁空間組合節(jié)點和鋼柱-壓型鋼板混凝土組合梁空間組合節(jié)點等。這些試驗研究表明,雙向荷載的共同作用對于節(jié)點的受力性能尤其是受剪性能具有明顯的不利影響,雙向耦合作用導(dǎo)致節(jié)點的承載力及延性有所降低、節(jié)點域的剪切變形增大。本文以隔板貫通式方鋼管混凝土柱-組合梁節(jié)點為研究對象,完成3個模型節(jié)點的低周反復(fù)加載擬靜力試驗,重點研究不同加載路徑和加載方式下空間組合節(jié)點的受力機理、滯回關(guān)系和破壞特征,比較雙向受力及不同的空間加載路徑對組合節(jié)點抗震性能的影響,為該類節(jié)點的設(shè)計提供更詳盡的依據(jù)。1試驗總結(jié)1.1節(jié)點的節(jié)點連接本試驗采用的梁柱連接節(jié)點試件取自于實際多層方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下梁柱反彎點之間的單元。共設(shè)計了3個梁翼緣貫通式方鋼管混凝土柱-組合梁中柱節(jié)點試件。其中,試件J201和J202為雙向加載的空間節(jié)點,J203為單向平面加載的空間節(jié)點。各試件的尺寸、形式、材料以及構(gòu)造等均相同,試驗改變的參數(shù)為加載路徑和加載模式。試件設(shè)計時,為使節(jié)點核心區(qū)產(chǎn)生較大的變形和更明顯的破壞現(xiàn)象以獲得更有價值的測試數(shù)據(jù),特意使節(jié)點域并未過強,即使梁、柱的承載能力較為接近。方鋼管混凝土柱全高2m,柱截面尺寸為250mm×250mm,鋼管壁厚為10mm;正交兩個方向的鋼梁均為焊接工字形截面,規(guī)格為I305×180×8×10;梁柱節(jié)點處采用梁貫通式全熔透焊縫連接;混凝土樓板厚50mm,板平面尺寸為2900mm×2900mm,板內(nèi)設(shè)雙向鋼筋網(wǎng),鋼筋直徑8mm,間距100mm,配筋率約為1%。栓釘型號為φ10×35,按完全抗剪連接設(shè)計,分3列布置,間距80mm,直接熔焊在鋼梁上翼緣上。節(jié)點試件的結(jié)構(gòu)形式和主要構(gòu)造參數(shù)如圖1所示。試件使用的鋼材均為Q345級鋼,焊條采用E50型,混凝土板內(nèi)鋼筋為HPB235級。鋼材的實測抗拉強度如表1所示。矩形鋼管內(nèi)澆筑混凝土的強度等級為C40,樓板混凝土強度等級為C30。實測的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強度平均值如表2所示。1.2試驗加載系統(tǒng)節(jié)點試驗可采用柱端加載或梁端加載兩種方式。考慮到柱端加載在荷載控制和軸力施加上的困難,本試驗采用了梁端加載方式,即柱端施加恒定軸力的同時,在空間節(jié)點的各個梁端施加往復(fù)荷載。試驗加載裝置包括自平衡剛架、柱頂端約束裝置、柱底支座以及液壓千斤頂?shù)?如圖2所示。其中,為有效模擬柱底端的約束條件,專門制作了可在各個方向自由轉(zhuǎn)動的球鉸。梁端加載采用液壓伺服作動器系統(tǒng),試驗中每根梁左、右兩端2個作動器輸出的力或位移相同,方向相反,如圖3所示。圖中,5為軸壓千斤頂,用于提供豎向軸力;南、北向液壓伺服作動器1、2和東西向液壓伺服作動器3、4分別構(gòu)成兩對異相拉壓組合。試驗及分析中均定義梁端向下加載或向下位移為正,向上加載或向上位移為負。試驗加載過程按照JGJ101—1996《建筑抗震試驗方法規(guī)程》的規(guī)定采用荷載-位移雙控制加載制度。為考察加載模式和受力狀態(tài)對空間節(jié)點受力性能的影響,節(jié)點J201和J202分別按照空間加載制度1和空間加載制度2進行加載,節(jié)點J203則按平面加載制度3進行加載。各加載制度定義如下:(1)初始內(nèi)力的加載首先在柱頂端施加恒定軸力,然后在正交的兩組梁的梁端分別施加雙向反復(fù)荷載,如圖4所示。施加軸壓荷載時,放松梁端作動器對鋼梁的約束,以防止在鋼梁和混凝土板內(nèi)產(chǎn)生初始內(nèi)力。第1、2循環(huán)的荷載值為南北梁和東西梁分別單向加載至30kN;第3循環(huán)為雙向同時加載;第4、5、6循環(huán)和第7、8、9循環(huán)與1、2、3循環(huán)相同,但荷載分別加至60kN和90kN;第10、11循環(huán)雙向同時加載至屈服位移,屈服位移根據(jù)荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折確定;此后按位移控制進行雙向加載,首次位移控制量為50mm,其后面每級位移增量為15mm,每級荷載雙向同時各循環(huán)2次,直至結(jié)構(gòu)承載力明顯降低。(2)荷載循環(huán)及加載模式加載制度2的軸力施加方式與加載制度1相同。在施加梁端循環(huán)荷載時,加載制度2首先在一個方向內(nèi)使節(jié)點屈服(每級荷載循環(huán)1次),然后在兩個方向進行位移加載直至結(jié)構(gòu)破壞,如圖5所示。即第1、2、3、4循環(huán)分別在南北梁單向加載至30kN、60kN、90kN和120kN;第5、6循環(huán)將南北梁加載至屈服;其后按位移控制進行雙向加載,首次位移控制量為50mm,其后位移增量為15mm,每級荷載雙向同時各循環(huán)2次。(3)節(jié)點支護加載平面加載同樣采用荷載-變形雙控制加載制度。首先在柱端施加恒定軸力,然后在一豎向平面內(nèi)的2個梁端施加往復(fù)荷載。荷載控制加載階段的荷載增量為30kN;待節(jié)點屈服后改用位移控制加載,首次加載位移為50mm,位移增量取為15mm,每級荷載循環(huán)2次至結(jié)構(gòu)承載力明顯降低。以上各加載方式中,鋼管混凝土柱軸壓力均保持為2458kN,相當(dāng)于軸壓比n=0.5。節(jié)點核心區(qū)、鋼梁、混凝土板和方鋼管管壁關(guān)鍵位置均布置應(yīng)變片以量測應(yīng)變分布及其發(fā)展過程,并設(shè)置位移計、導(dǎo)桿引伸儀和傾角儀等測量節(jié)點變形,宏觀測點布置如圖6所示;節(jié)點內(nèi)力通過梁端及柱頂?shù)牧鞲衅鳒y得。2試驗過程和現(xiàn)象2.1主要試驗現(xiàn)象2.1.1鋼板斷裂和混凝土板抗裂性能在荷載控制加載階段,最先在混凝土板表面出現(xiàn)45°斜向裂縫,加載至60kN荷載循環(huán)時最大裂縫寬度達到0.3mm;90kN荷載循環(huán)時,節(jié)點開始發(fā)出較明顯響聲;加載至90kN后改用位移控制,位移幅值增加至65mm時,北梁根部下翼緣鋼板受拉開裂(圖7a),東梁梁端產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形;位移幅值為80mm時,東梁根部下翼緣受拉開裂,西南區(qū)角部混凝土板與鋼梁剝離,裂縫明顯擴展,西北側(cè)節(jié)點核芯區(qū)管壁焊縫開裂;加載至95mm位移循環(huán)時,混凝土板4個角部下表面混凝土凸出剝落(圖7b),北梁根部下翼緣受壓屈曲(圖7c);最后加載至110mm位移循環(huán)時,混凝土板東北區(qū)角部發(fā)生大面積混凝土剝落,并伴有明顯鋼板斷裂聲,南梁根部鋼板斷裂,同時西北側(cè)節(jié)點區(qū)的豎向焊縫撕裂,核心混凝土壓潰并外露(圖7d)。試件J201的最終破壞形態(tài)同時包括節(jié)點區(qū)下部柱壁鋼管鼓曲(圖7e)。2.1.2節(jié)點區(qū)和梁端產(chǎn)生明顯斷裂根據(jù)加載制度2,在荷載控制階段先在南北向加載至屈服,位移控制階段為雙向同時加載,研究試件一方向受力屈服后對另一方向抗震性能的影響。在荷載控制階段,首先在板內(nèi)出現(xiàn)45°斜裂縫,加載至90kN荷載循環(huán)時最大裂縫寬度發(fā)展至0.3mm;加載至120kN后改用位移控制,雙向加載至60mm位移循環(huán)時,節(jié)點開始發(fā)出較明顯響聲;位移增加至90mm時,混凝土板4個區(qū)角部的混凝土均壓酥剝落(圖8a),西梁梁端產(chǎn)生明顯扭轉(zhuǎn);位移幅值為105mm時,南梁根部下翼緣受壓屈服,節(jié)點區(qū)柱壁屈服,柱與梁下翼緣相交處焊縫開裂,并出現(xiàn)水平裂紋;加載至120mm位移循環(huán)時,板角部混凝土剝落,梁下翼緣嚴(yán)重屈曲(圖8b),并伴有明顯斷裂聲響,與梁下翼緣相交處鋼管柱鼓曲并開裂(圖8c),節(jié)點區(qū)豎向焊縫撕裂(圖8d),柱明顯彎曲,梁端混凝土板產(chǎn)生縱向裂縫(圖8e)。試件J202的最終破壞形態(tài)如圖8所示。2.1.3節(jié)點區(qū)裂縫的變化試件J203為平面加載節(jié)點。荷載達到30kN時,最先在板表面出現(xiàn)45°斜裂縫,隨后裂縫以橫向擴展為主,加載至90kN荷載循環(huán)時最大裂縫寬度發(fā)展至0.3mm;加載至120kN后改用位移控制,加載至80mm位移循環(huán)時,混凝土板上表面與柱相交處發(fā)生剝離(圖9a);位移增加至95mm時,南梁根部下翼緣屈曲(圖9b),節(jié)點區(qū)焊縫開裂(圖9c);位移幅值為125mm時,柱壁發(fā)生鼓曲(圖9d),板角部混凝土大面積剝落(圖9e);加載至140mm位移循環(huán)時,節(jié)點區(qū)鋼管焊縫撕裂,核心混凝土壓潰外露。試件J203的最終破壞形態(tài)如圖9所示。2.2節(jié)點彎曲試驗試件均以節(jié)點剪切破壞模式為主,并伴有梁鉸破壞及節(jié)點彎曲破壞。其中,節(jié)點剪切破壞的主要特征是節(jié)點域鋼板或焊縫開裂或斷裂,同時節(jié)點核心區(qū)混凝土壓潰;梁鉸破壞的主要特征是鋼梁翼緣屈曲或混凝土翼板壓潰,變形特征主要表現(xiàn)為梁的變形;節(jié)點彎曲破壞的主要特征是梁柱連接部位的板件或焊縫發(fā)生破壞,變形特征主要表現(xiàn)為節(jié)點域的非剪切變形。各試件的混凝土板裂縫最終形態(tài)如圖10所示。對于空間組合節(jié)點,彈性階段分別在兩個方向施加荷載時,裂縫主要沿垂直于鋼梁的方向擴展;當(dāng)雙向同時施加荷載時,由于主應(yīng)力方向的改變,裂縫主要沿45°方向擴展;裂縫主要集中于鋼梁軸線上方附近,越向板邊則裂縫越稀疏;雙向加載試件節(jié)點區(qū)附近的裂縫數(shù)量多于單向試件;對于平面加載的節(jié)點試件J203,最終的裂縫方向更多地垂直于加載平面內(nèi)的鋼梁。3試驗結(jié)果及分析3.1節(jié)點梁端荷載-位移滯回曲線滯回曲線是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的綜合體現(xiàn),對于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件分析具有重要意義。本次試驗分別應(yīng)用位移計和力傳感器測量梁端豎向位移和荷載,得到的節(jié)點梁端荷載-位移滯回曲線如圖11所示。各試件的滯回曲線均比較飽滿,呈明顯的梭形,表現(xiàn)出良好的耗能能力和位移延性;相對而言,雙向加載節(jié)點試件的承載能力、變形能力和延性有所降低。3.2節(jié)點鋼結(jié)構(gòu)加載各試件的梁端荷載-位移骨架曲線如圖12所示。各骨架曲線均呈倒S形,表明節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下都經(jīng)歷了較為典型的彈性、塑性和極限破壞三個受力階段。比較試件J201與J203的骨架曲線可知,雙向荷載作用對彈性階段的影響較小,但對于承載力等屈服后的性能影響較大。當(dāng)負彎矩加載,即樓板混凝土受拉時,雙向受力節(jié)點的梁端極限荷載比單向受力節(jié)點降低約20%,正彎矩加載時降低約10%。試件J202的梁端極限荷載和極限位移均介于平面加載節(jié)點試件J203與雙向加載節(jié)點試件J201之間,表明加載制度2對結(jié)構(gòu)的損傷介于加載制度1和加載制度3之間。根據(jù)各梁端荷載-位移骨架曲線確定的其屈服荷載Py、屈服位移Δy、極限荷載Pu、極限荷載對應(yīng)位移Δu、破壞荷載Pd和破壞荷載對應(yīng)位移Δd如表3所示。表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)同時作用雙向荷載對組合節(jié)點的梁端極限荷載有著較大的影響,單向先屈服后雙向加載節(jié)點的梁端極限荷載介于平面節(jié)點與空間節(jié)點之間。使用空間加載制度1加載時,節(jié)點雙向損傷互相影響,使得梁端極限荷載相對降低,而使用空間加載制度2時,這種相互削弱作用則介于平面加載與空間加載制度1雙向同步加載之間。3.3荷載-骨架曲線延性系數(shù)可定義為破壞位移與屈服位移的比值,對判斷結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力有重要參考價值。延性系數(shù)一般用荷載下降到85%極限荷載時的位移與屈服位移的比值表示,其中85%極限荷載所對應(yīng)的位移按荷載-位移骨架曲線取得,屈服位移按文獻的方法確定。試件各梁的位移延性系數(shù)如表4所示,節(jié)點的位移延性系數(shù)用4個方向的梁的位移延性系數(shù)平均值來表征。與單向加載相比,雙向加載條件下節(jié)點的位移延性系數(shù)降低約10%,表明雙向加載對結(jié)構(gòu)延性有一定的不利影響。由于試件J202中東梁正向與西梁負向的位移延性系數(shù)超出平均值1倍以上,考慮到試驗測量的誤差及隨機性,計算平均值時忽略了這兩個數(shù)據(jù)的影響。根據(jù)表4的數(shù)據(jù),試件J202的位移延性系數(shù)介于平面加載節(jié)點試件J203和雙向同步空間加載節(jié)點試件J201之間。3.4節(jié)點加載剛度結(jié)構(gòu)剛度常以同一級變形下的環(huán)線剛度,即同一位移幅值下多次循環(huán)的平均荷載與平均位移的比值表示。從同一位移幅值多次循環(huán)的梁端平均荷載與平均位移比值得到的環(huán)線剛度與位移幅值的關(guān)系曲線(圖13)看,組合節(jié)點試件在整個加載過程中持續(xù)發(fā)生剛度退化,這與鋼筋混凝土構(gòu)件的剛度退化主要發(fā)生在開裂至屈服階段有所不同,加載初始階段,對應(yīng)于混凝土板受壓狀態(tài)的反向加載剛度明顯高于正向加載剛度。隨著節(jié)點核心區(qū)及梁柱損傷的發(fā)展,節(jié)點的正向和反向加載剛度隨著試驗進程而逐漸接近,但由于反向加載(混凝土板受壓)時組合梁的剛度高于正向加載(混凝土板受拉)剛度,節(jié)點的整體反向加載剛度仍略高于正向加載剛度。雙向加載節(jié)點的剛度退化規(guī)律與單向加載節(jié)點相似,但前者剛度較后者有所降低。3.5承載力降低系數(shù)試件的承載力退化可以用承載力降低系數(shù),即同一位移幅值下第2循環(huán)與第1循環(huán)最大荷載的比值表示。承載力降低系數(shù)與加載位移的關(guān)系曲線即承載力退化曲線如圖14所示。由曲線可以看出,組合節(jié)點承載力較為穩(wěn)定,在同一位移量的循環(huán)加載中,第2次的循環(huán)荷載值較第1次變化不明顯,承載力降低系數(shù)約為0.8~1.2。與單向加載節(jié)點相比,雙向加載節(jié)點的承載力退化曲線波動偏大。3.6節(jié)點域變形j荷載作用下節(jié)點試件的梁端位移Δ由梁自身變形引起的梁端位移Δb,由柱變形引起的梁端位移Δc,以及梁柱間節(jié)點域變形引起的梁端位移Δj組成,即Δ=Δb+Δc+Δj,如圖15所示。節(jié)點變形的測量方法和測點布置如圖6所示。梁端總位移Δ可由豎向位移計(1)直接測出;梁柱間相對轉(zhuǎn)角通過導(dǎo)桿引伸儀(2)的長度變化求得,該轉(zhuǎn)角乘以梁長度可得節(jié)點域變形引起的梁端位移Δj;柱變形和梁柱相對轉(zhuǎn)角引起的梁端位移Δc+Δj可由傾角儀(3)測得的轉(zhuǎn)角求得。節(jié)點域變形Δj又可分為節(jié)點剪切變形Δjs和非節(jié)點剪切變形Δjn兩部分。對于本試驗,非節(jié)點剪切變形Δjn主要包括節(jié)點區(qū)柱翼緣受拉壓引起的梁柱相對轉(zhuǎn)角變形和焊接破壞引起的梁柱相對轉(zhuǎn)角變形等。通過節(jié)點域交叉布置的位移計(4)可以得到節(jié)點核心區(qū)的剪切應(yīng)變γjs,乘以梁長即可得節(jié)點剪切變形引起的梁端位移Δjs;非節(jié)點剪切變形引起的梁端位移為Δjn=Δj-Δjs。加載