空間框架梁柱節(jié)點偽靜力加載試驗系統(tǒng)設計

空間框架梁柱節(jié)點偽靜力加載試驗系統(tǒng)設計

0節(jié)點組合設計在研究框架梁柱節(jié)點的抗疲勞壓能力時，通常使用偽靜力試驗方法，即使用特定的負荷控制或變形控制方法對試件的低周重復負荷進行補償，并從彈性階段直到破壞點。由于梁端約束裝置等試驗條件的限制,目前國內外學者大多選擇平面節(jié)點作為研究對象,針對空間節(jié)點的研究較少。實際地震力作用方向可能與結構主軸成任意角度,節(jié)點相應的受力狀態(tài)比較復雜,故進行雙向水平地震作用下的節(jié)點性能研究十分重要。與相對簡便的模擬單向水平地震作用下的節(jié)點試驗不同,雙向水平地震作用試驗必須借助正交的加載設備和相應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)點試件的整體受力性能。本文主要結合自主研發(fā)的試驗系統(tǒng),從試驗裝置(加載設備、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)點偽靜力試驗的實現(xiàn)方法。1柱端主動加載模式為了簡化試驗裝置便于施加邊界條件,梁柱節(jié)點試件往往取至梁和柱的反彎點。為模擬實際結構中的反彎點,必須在試件的柱端和梁端設置鉸支座,同時連接水平或豎向作動器以施加柱端或梁端位移,此時對應的加載模式分別稱為柱端主動加載和梁端主動加載模式(圖1)。梁端主動加載模式未直接顯現(xiàn)二階效應,但節(jié)點受力狀態(tài)與實際結構仍基本一致,可用于單純研究節(jié)點滯回性能。從已有的文獻[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]來看,三維試驗中兩種模式均得到廣泛采用,無特別的傾向性。結合同濟大學土木工程防災國家重點實驗室現(xiàn)有條件,空間節(jié)點試驗裝置(圖2)采用梁端主動加載模式,以規(guī)避采用柱端主動模式加載時豎向荷載易產生不易篩分的變動水平摩擦力的問題。柱頂軸壓設備采用單向液壓千斤頂,東(E)西(W)向和南(S)北(N)向梁端豎向加載設備采用雙向液壓作動器。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/底實心球冠和螺紋桿三部分組成,其中頂/底支座上預開有與頂/底實心球冠相匹配的球形凹槽,頂/底實心球冠帶有底板。實際安裝時,首先將頂/底實心球冠分別放置在梁端加載點截面的上部和下部,為約束球冠水平變位,預先在梁端緊貼球冠底板處焊接(對于鋼梁)或預埋(對于鋼筋混凝土梁)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。為了減小摩擦對支座轉動的影響,在柱端和梁端球鉸支座中均設置了摩擦系數(shù)很小(大約為0.03)的弧形聚四氟乙烯(PTFE)板。除內柱節(jié)點外,邊柱或角柱節(jié)點也可利用該裝置進行偽靜力加載。實際操作時,只需安裝3個(當為邊柱節(jié)點時)或2個(當為角柱節(jié)點時)梁端套箍式球鉸支座和相應的作動器。2試驗加載制度試驗裝置東西向和南北向各布置了一個荷載傳感器以量測梁端豎向荷載(圖2a)。圖4給出了梁端豎向位移計平面布置圖,其中ω為試驗模擬的水平地震輸入方向與東西向梁軸線的夾角。從圖中可以看出,每個梁端加載點兩側各布置有1個豎向位移計,取讀數(shù)平均值作為該梁端豎向位移,LD為兩側豎向位移計的間距。為便于控制加載,可將各梁端雙向液壓作動器連通,采用各梁端同步加載規(guī)則,這樣試驗過程中西、北、東和南4個梁端豎向荷載絕對值始終保持一定比例。加載程序采用荷載-變形雙控制,即先以力控制進行加載,試件達到屈服狀態(tài)后改用位移控制。當梁端采用的雙向液壓作動器為伺服模式時,可直接通過梁端位移值控制加載;當梁端采用的雙向液壓作動器為非伺服模式時,可通過人工監(jiān)測梁端荷載傳感器和豎向位移計在計算機中的讀數(shù)并及時反饋給千斤頂操作人員以實現(xiàn)位移加載。3試驗結果轉換利用本試驗系統(tǒng)進行偽靜力加載時,獲得的梁端荷載-梁端位移曲線共有4條(內柱節(jié)點)、3條(邊柱節(jié)點)和2條(角柱節(jié)點)。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-梁端位移曲線轉換成1條柱端水平力Pc-等效柱端水平位移Δ關系曲線。轉換原則為:柱端水平力為主動施加梁端豎向荷載時柱端產生的水平反力,可根據(jù)力的平衡關系求得;等效柱端水平位移根據(jù)試驗系統(tǒng)輸入總能量確定。結合本系統(tǒng)的具體情況,給出3種形式節(jié)點的柱端水平力和等效柱端水平位移的求解公式,推導過程詳見文獻。(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“”Pc=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分別為試件梁長和柱高;P1、P2分別為東西向和南北向梁端雙向液壓作動器施加的豎向荷載,取正向加載時的荷載值為正(圖2b);μP為P2和P1的比值;δW、δN分別為西側和北側梁端豎向位移,以豎直往上的方向為正;δE、δS分別為東側和南側梁端豎向位移,以豎直往上的方向為正;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系統(tǒng)先后成功進行了7個圓鋼管混凝土柱-RC環(huán)梁式節(jié)點(圖5)的抗震性能試驗研究和9個圓鋼管柱-H型鋼梁外環(huán)板式節(jié)點的抗震性能試驗研究。柱頂軸壓設備采用一個最大加載能力為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。因此試驗過程中西、北、東和南4個梁端豎向荷載絕對值始終保持為1∶3/4∶1∶3/4(正向)和1∶2/3∶1∶2/3(反向)。考慮到兩個方向梁端豎向荷載的差異,加載控制點始終選為東西向梁端。有關該系統(tǒng)約束裝置、加載控制以及數(shù)據(jù)處理的效果驗證如下。4.1環(huán)梁式空間節(jié)點偽靜力試驗圖3b給出了空間節(jié)點低周反復加載試驗過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產生附加的扭轉約束。表1給出了7個圓鋼管混凝土柱-RC環(huán)梁式空間節(jié)點偽靜力試驗中同一梁端兩側豎向位移計讀數(shù)的比值及理論計算結果。試件編號中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)梁采用圓弧過渡。可以看出,實測值與理論計算值吻合較好。數(shù)據(jù)分析表明,本試驗裝置性能良好,適用于空間梁柱節(jié)點的低周反復加載試驗。4.2梁端荷載或位移試驗設備決定加載時只能選擇一個梁端為實際控制點,而且無法通過計算機自動實現(xiàn)加卸載的轉換。試驗時,控制點監(jiān)控人員必須時刻關注梁端荷載傳感器或位移計讀數(shù),并且提前指揮千斤頂操作人員進行卸載。由于人為因素,正、反向加載時,控制點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)點試件在各加載級別下第1循環(huán)正、反向峰值點所對應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,對節(jié)點受力性能判定基本無影響。4.3c與eb積分加載表2給出了各節(jié)點最大承載力對應的加載循環(huán)下Ec和Eb的比值,其中Ec和Eb分別為根據(jù)柱端水平力-等效柱端位移曲線和根據(jù)實測的各梁端荷載-梁端位移曲線積分累加得到的能量耗散值?？梢钥闯?該比值非常接近于1,這證明了本試驗系統(tǒng)所采用的荷載-位移曲線轉換評價方法的可靠性。5動態(tài)載荷的消除本文設計了一種空間框架梁柱節(jié)點偽靜力加載試驗系統(tǒng),并實施了多組節(jié)點的驗證性試驗。該系統(tǒng)具有如下特點:(1)采用梁端主動模式加載,規(guī)避了當采用柱端主動模式加載時豎向荷載易產生不易篩分的變動水平摩擦力的問題。針對梁端約束裝置研發(fā)的套箍式球鉸支座,在雙向水平加載過程