空間框架梁柱節(jié)點(diǎn)偽靜力加載試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間框架梁柱節(jié)點(diǎn)偽靜力加載試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0節(jié)點(diǎn)組合設(shè)計(jì)在研究框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗疲勞壓能力時(shí)，通常使用偽靜力試驗(yàn)方法，即使用特定的負(fù)荷控制或變形控制方法對(duì)試件的低周重復(fù)負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，并從彈性階段直到破壞點(diǎn)。由于梁端約束裝置等試驗(yàn)條件的限制,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多選擇平面節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象,針對(duì)空間節(jié)點(diǎn)的研究較少。實(shí)際地震力作用方向可能與結(jié)構(gòu)主軸成任意角度,節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的受力狀態(tài)比較復(fù)雜,故進(jìn)行雙向水平地震作用下的節(jié)點(diǎn)性能研究十分重要。與相對(duì)簡(jiǎn)便的模擬單向水平地震作用下的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)不同,雙向水平地震作用試驗(yàn)必須借助正交的加載設(shè)備和相應(yīng)的反力裝置以及能夠形成空間鉸支座的端部約束裝置;必須確定兩個(gè)水平方向的荷載或位移的組合模式;必須合理整合多維數(shù)據(jù)以反映節(jié)點(diǎn)試件的整體受力性能。本文主要結(jié)合自主研發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng),從試驗(yàn)裝置(加載設(shè)備、反力裝置和端部約束裝置)、加載方案和數(shù)據(jù)處理三方面探討空間框架梁柱節(jié)點(diǎn)偽靜力試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方法。1柱端主動(dòng)加載模式為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置便于施加邊界條件,梁柱節(jié)點(diǎn)試件往往取至梁和柱的反彎點(diǎn)。為模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中的反彎點(diǎn),必須在試件的柱端和梁端設(shè)置鉸支座,同時(shí)連接水平或豎向作動(dòng)器以施加柱端或梁端位移,此時(shí)對(duì)應(yīng)的加載模式分別稱(chēng)為柱端主動(dòng)加載和梁端主動(dòng)加載模式(圖1)。梁端主動(dòng)加載模式未直接顯現(xiàn)二階效應(yīng),但節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)與實(shí)際結(jié)構(gòu)仍基本一致,可用于單純研究節(jié)點(diǎn)滯回性能。從已有的文獻(xiàn)[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]來(lái)看,三維試驗(yàn)中兩種模式均得到廣泛采用,無(wú)特別的傾向性。結(jié)合同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置(圖2)采用梁端主動(dòng)加載模式,以規(guī)避采用柱端主動(dòng)模式加載時(shí)豎向荷載易產(chǎn)生不易篩分的變動(dòng)水平摩擦力的問(wèn)題。柱頂軸壓設(shè)備采用單向液壓千斤頂,東(E)西(W)向和南(S)北(N)向梁端豎向加載設(shè)備采用雙向液壓作動(dòng)器。柱頂雙向水平支撐與L形反力墻相連,各千斤頂反力裝置采用鋼反力架或柱底雙向水平支撐。柱端部約束裝置采用空間球型支座,梁端約束裝置采用自主研發(fā)的套箍式球鉸支座(圖3)。梁端套箍式球鉸支座由頂/底支座、頂/底實(shí)心球冠和螺紋桿三部分組成,其中頂/底支座上預(yù)開(kāi)有與頂/底實(shí)心球冠相匹配的球形凹槽,頂/底實(shí)心球冠帶有底板。實(shí)際安裝時(shí),首先將頂/底實(shí)心球冠分別放置在梁端加載點(diǎn)截面的上部和下部,為約束球冠水平變位,預(yù)先在梁端緊貼球冠底板處焊接(對(duì)于鋼梁)或預(yù)埋(對(duì)于鋼筋混凝土梁)擋板,接著用頂/底支座將梁端套箍,即用支座板的球形凹槽罩住梁端球冠,然后用4根36mm的螺紋桿將頂、底支座板聯(lián)系并擰緊,最后通過(guò)螺栓將雙向油壓千斤頂與頂或底支座連接。為了減小摩擦對(duì)支座轉(zhuǎn)動(dòng)的影響,在柱端和梁端球鉸支座中均設(shè)置了摩擦系數(shù)很小(大約為0.03)的弧形聚四氟乙烯(PTFE)板。除內(nèi)柱節(jié)點(diǎn)外,邊柱或角柱節(jié)點(diǎn)也可利用該裝置進(jìn)行偽靜力加載。實(shí)際操作時(shí),只需安裝3個(gè)(當(dāng)為邊柱節(jié)點(diǎn)時(shí))或2個(gè)(當(dāng)為角柱節(jié)點(diǎn)時(shí))梁端套箍式球鉸支座和相應(yīng)的作動(dòng)器。2試驗(yàn)加載制度試驗(yàn)裝置東西向和南北向各布置了一個(gè)荷載傳感器以量測(cè)梁端豎向荷載(圖2a)。圖4給出了梁端豎向位移計(jì)平面布置圖,其中ω為試驗(yàn)?zāi)M的水平地震輸入方向與東西向梁軸線(xiàn)的夾角。從圖中可以看出,每個(gè)梁端加載點(diǎn)兩側(cè)各布置有1個(gè)豎向位移計(jì),取讀數(shù)平均值作為該梁端豎向位移,LD為兩側(cè)豎向位移計(jì)的間距。為便于控制加載,可將各梁端雙向液壓作動(dòng)器連通,采用各梁端同步加載規(guī)則,這樣試驗(yàn)過(guò)程中西、北、東和南4個(gè)梁端豎向荷載絕對(duì)值始終保持一定比例。加載程序采用荷載-變形雙控制,即先以力控制進(jìn)行加載,試件達(dá)到屈服狀態(tài)后改用位移控制。當(dāng)梁端采用的雙向液壓作動(dòng)器為伺服模式時(shí),可直接通過(guò)梁端位移值控制加載;當(dāng)梁端采用的雙向液壓作動(dòng)器為非伺服模式時(shí),可通過(guò)人工監(jiān)測(cè)梁端荷載傳感器和豎向位移計(jì)在計(jì)算機(jī)中的讀數(shù)并及時(shí)反饋給千斤頂操作人員以實(shí)現(xiàn)位移加載。3試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換利用本試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行偽靜力加載時(shí),獲得的梁端荷載-梁端位移曲線(xiàn)共有4條(內(nèi)柱節(jié)點(diǎn))、3條(邊柱節(jié)點(diǎn))和2條(角柱節(jié)點(diǎn))。為了反映試件的整體受力性能,根據(jù)能量守恒原理,將各梁端荷載-梁端位移曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成1條柱端水平力Pc-等效柱端水平位移Δ關(guān)系曲線(xiàn)。轉(zhuǎn)換原則為:柱端水平力為主動(dòng)施加梁端豎向荷載時(shí)柱端產(chǎn)生的水平反力,可根據(jù)力的平衡關(guān)系求得;等效柱端水平位移根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)輸入總能量確定。結(jié)合本系統(tǒng)的具體情況,給出3種形式節(jié)點(diǎn)的柱端水平力和等效柱端水平位移的求解公式,推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)。(1)clbwe+pp2p2s的cbbbbbbbbbbbbbsbbbbbbpbbbbbbbbpbbbbbbbbbbbbpbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbpbbbbbbbbbbbbbbbbbpbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbpPc=1+μ2P??????√LbHcP1(1)Δ=HcLb(δW?δE)+μP(δN?δS)1+μ2P√(2)Ρc=1+μΡ2LbΗcΡ1(1)Δ=ΗcLb(δW-δE)+μΡ(δΝ-δS)1+μΡ2(2)(2)cn,為“”,為“”,為“”,為“”,為“”,為“”P(pán)c=1+0.25μ2P?????????√LbHcP1(3)Δ=HcLb(δW?δE)?μPδS1+0.25μ2P√(4)Ρc=1+0.25μΡ2LbΗcΡ1(3)Δ=ΗcLb(δW-δE)-μΡδS1+0.25μΡ2(4)(3)橫向加載時(shí)荷載Pc=0.51+μ2P??????√LbHcP1(5)Δ=2HcLb?δE?μPδS1+μ2P√(6)Ρc=0.51+μΡ2LbΗcΡ1(5)Δ=2ΗcLb-δE-μΡδS1+μΡ2(6)式中:Lb、Hc分別為試件梁長(zhǎng)和柱高;P1、P2分別為東西向和南北向梁端雙向液壓作動(dòng)器施加的豎向荷載,取正向加載時(shí)的荷載值為正(圖2b);μP為P2和P1的比值;δW、δN分別為西側(cè)和北側(cè)梁端豎向位移,以豎直往上的方向?yàn)檎?δE、δS分別為東側(cè)和南側(cè)梁端豎向位移,以豎直往上的方向?yàn)檎?Pc、Δ分別為柱端水平力和等效柱端水平位移。4豎向加載裝置及控制合理利用該試驗(yàn)系統(tǒng)先后成功進(jìn)行了7個(gè)圓鋼管混凝土柱-RC環(huán)梁式節(jié)點(diǎn)(圖5)的抗震性能試驗(yàn)研究和9個(gè)圓鋼管柱-H型鋼梁外環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究。柱頂軸壓設(shè)備采用一個(gè)最大加載能力為320kN的單向液壓千斤頂,東西向和南北向梁端豎向加載設(shè)備分別采用加載能力為500kN(拉力)-1000kN(壓力)-±250mm(最大行程)和300kN(拉力)-500kN(壓力)-±300mm(最大行程)的雙向液壓千斤頂。因此試驗(yàn)過(guò)程中西、北、東和南4個(gè)梁端豎向荷載絕對(duì)值始終保持為1∶3/4∶1∶3/4(正向)和1∶2/3∶1∶2/3(反向)。考慮到兩個(gè)方向梁端豎向荷載的差異,加載控制點(diǎn)始終選為東西向梁端。有關(guān)該系統(tǒng)約束裝置、加載控制以及數(shù)據(jù)處理的效果驗(yàn)證如下。4.1環(huán)梁式空間節(jié)點(diǎn)偽靜力試驗(yàn)圖3b給出了空間節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)加載試驗(yàn)過(guò)程中梁端套箍式球鉸支座的作用效果,可以看出該支座基本不會(huì)產(chǎn)生附加的扭轉(zhuǎn)約束。表1給出了7個(gè)圓鋼管混凝土柱-RC環(huán)梁式空間節(jié)點(diǎn)偽靜力試驗(yàn)中同一梁端兩側(cè)豎向位移計(jì)讀數(shù)的比值及理論計(jì)算結(jié)果。試件編號(hào)中HL表示環(huán)梁,DG、GJ分別表示方鋼抗剪環(huán)和螺紋鋼抗剪環(huán),緊接其后的數(shù)字(2、3或4)表示環(huán)梁頂部或底部縱筋數(shù)量,S表示空間試件,除非特別說(shuō)明,環(huán)梁箍筋直徑一般為12mm,V6表示環(huán)梁箍筋直徑為6mm,M表示環(huán)梁采用圓弧過(guò)渡?？梢钥闯?實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值吻合較好。數(shù)據(jù)分析表明,本試驗(yàn)裝置性能良好,適用于空間梁柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)。4.2梁端荷載或位移試驗(yàn)設(shè)備決定加載時(shí)只能選擇一個(gè)梁端為實(shí)際控制點(diǎn),而且無(wú)法通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)加卸載的轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)時(shí),控制點(diǎn)監(jiān)控人員必須時(shí)刻關(guān)注梁端荷載傳感器或位移計(jì)讀數(shù),并且提前指揮千斤頂操作人員進(jìn)行卸載。由于人為因素,正、反向加載時(shí),控制點(diǎn)自身的荷載或位移幅值也難以做到完全一致,而且不同試件的誤差也可能不同。圖6給出了部分節(jié)點(diǎn)試件在各加載級(jí)別下第1循環(huán)正、反向峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的柱端水平力和等效柱端水平位移,可以看出,反映試件整體性能的正、反向位移幅值差異甚小,對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能判定基本無(wú)影響。4.3c與eb積分加載表2給出了各節(jié)點(diǎn)最大承載力對(duì)應(yīng)的加載循環(huán)下Ec和Eb的比值,其中Ec和Eb分別為根據(jù)柱端水平力-等效柱端位移曲線(xiàn)和根據(jù)實(shí)測(cè)的各梁端荷載-梁端位移曲線(xiàn)積分累加得到的能量耗散值。可以看出,該比值非常接近于1,這證明了本試驗(yàn)系統(tǒng)所采用的荷載-位移曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)方法的可靠性。5動(dòng)態(tài)載荷的消除本文設(shè)計(jì)了一種空間框架梁柱節(jié)點(diǎn)偽靜力加載試驗(yàn)系統(tǒng),并實(shí)施了多組節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證性試驗(yàn)。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):(1)采用梁端主動(dòng)模式加載,規(guī)避了當(dāng)采用柱端主動(dòng)模式加載時(shí)豎向荷載易產(chǎn)生不易篩分的變動(dòng)水平摩擦力的問(wèn)題。針對(duì)梁端約束裝置研發(fā)的套箍式球鉸支座,在雙向水平加載過(guò)程