鋼管混凝土柱—環(huán)梁節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究

劉靜

摘 要：當(dāng)前鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)這種新型的節(jié)點(diǎn)正在被人們所大量應(yīng)用，文章將對(duì)他的抗震性能的試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。即通過(guò)有限元法研究該環(huán)梁節(jié)點(diǎn)處于低周反復(fù)載荷作用下發(fā)生的變化，分析其破壞形態(tài)、節(jié)點(diǎn)縫隙變化狀態(tài)和梁端彎矩轉(zhuǎn)角的滯回曲線。進(jìn)而得出試驗(yàn)結(jié)論：鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的混凝土柱與環(huán)梁節(jié)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，環(huán)梁節(jié)點(diǎn)處于破壞形態(tài)下一般并不影響其承載力。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；節(jié)點(diǎn)；鋼管混凝土環(huán)梁；破壞形態(tài)

本文介紹的鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)是一種新型環(huán)梁結(jié)構(gòu)，其具體可以定義為：基于梁柱相對(duì)獨(dú)立和抗震設(shè)計(jì)的一種鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱的連接方式。該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思想是實(shí)現(xiàn)在地震中等水平低周往復(fù)作用下實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)理念。

該環(huán)梁節(jié)點(diǎn)具體由三個(gè)部分組成，即鋼筋混凝土環(huán)梁、鋼管內(nèi)側(cè)柔性抗剪件和鋼管外側(cè)抗剪環(huán)，與傳統(tǒng)的鋼管混凝土和鋼筋混凝土的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)有著較大區(qū)別。由于其更為優(yōu)越的受力性能，該節(jié)點(diǎn)已在高層建筑、橋梁和地下等建筑結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。然而雖然針對(duì)此類節(jié)點(diǎn)已經(jīng)有過(guò)大量靜力或動(dòng)力的試驗(yàn)分析，但其抗震性能依舊有著一定的不確定性，因此對(duì)該節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理和破壞形態(tài)進(jìn)行分析很有意義而且很有必要。

1 試驗(yàn)

1.1 模型構(gòu)建

在本試驗(yàn)的模型構(gòu)建中，各項(xiàng)設(shè)定具體為：

1.1.1 本文中鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的框架梁與環(huán)梁砼等級(jí)、框架梁和環(huán)梁主筋和箍筋分別設(shè)定為C30、二級(jí)鋼筋和一級(jí)鋼筋。從圖2中我們能夠看到砼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，它是由美國(guó)著名的學(xué)者E.Hogneste建議而產(chǎn)生的一個(gè)模型，他主要是利用數(shù)學(xué)中的拋物線來(lái)表示出兩者之間的關(guān)系。

1.1.2 鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中的管內(nèi)核心砼等級(jí)設(shè)定為C50，其受壓狀態(tài)設(shè)定為三向受壓狀態(tài)，并對(duì)套箍系數(shù)f的影響做出充分分析，同時(shí)其本構(gòu)關(guān)系設(shè)定為韓林海模型。

1.1.3 鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中的鋼管我們一般選擇為Q235鋼，鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系設(shè)定是我們理想中的一種彈塑性模型，它是服從Vonmises的屈服準(zhǔn)則，即：在有限元分析軟件中表現(xiàn)為為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化。

1.2 模型粘結(jié)滑移的模擬

由于現(xiàn)實(shí)中上的環(huán)梁節(jié)點(diǎn)中鋼管與核心砼之間存在著一種相對(duì)粘結(jié)的滑移現(xiàn)象。然而該滑動(dòng)位移量較小，基于這種實(shí)際情況，將其簡(jiǎn)化，即假設(shè)鋼管與核心砼之間存在合理粘結(jié)，因此本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袑⑹逛摴芘c核心砼兩者的接觸界面之間使用相同的節(jié)點(diǎn)。

而在鋼筋混凝土粱中鋼筋與砼存在較好錨固，因此這兩者間的滑動(dòng)位移影響較小，可以忽略不計(jì)，故而Link8和Solid65在此模型中使用相同的節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于環(huán)梁混凝土與鋼管壁，在本次試驗(yàn)中，這兩者之間的摩擦模型將應(yīng)用庫(kù)倫摩擦模型模擬兩者間的切向力傳遞，通過(guò)有限元軟件ANSYS中所包含的面面接觸模塊來(lái)構(gòu)建。

1.3 低周往復(fù)加載

本文中所描述的低周往復(fù)的模擬鉸的運(yùn)動(dòng)，主要是通過(guò)數(shù)學(xué)中我們都了解的X、Y、Z三元的數(shù)學(xué)模型來(lái)表現(xiàn)的。其加載模式具體表現(xiàn)為在鋼管砼柱的頂部加上一個(gè)0.3倍軸壓比的軸壓力，之后在兩框架梁的自由端加上一個(gè)豎向往復(fù)載荷。通過(guò)使用力控制，從而使得每個(gè)等級(jí)的載荷都經(jīng)過(guò)反復(fù)兩次的加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

構(gòu)架模型之后，經(jīng)過(guò)有限元軟件分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在低周往復(fù)加載的情況下，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，該圖表現(xiàn)為在低周反復(fù)載荷的影響之下環(huán)梁節(jié)點(diǎn)處于破壞形態(tài)時(shí)，鋼管與環(huán)粱混凝土接觸區(qū)域的滑動(dòng)位移量最大的節(jié)點(diǎn)在各個(gè)載荷級(jí)別下表現(xiàn)出的滑移值。由圖1可以分析得出，在各個(gè)載荷級(jí)別，環(huán)梁和柱兩者之間的縱向相對(duì)位移滑動(dòng)量都很小，其最大值僅為0.38mm。

圖1

除此之外試驗(yàn)中的鋼筋混凝土梁經(jīng)過(guò)低周反復(fù)加載之后的縫隙擴(kuò)展圖如圖2所示，由圖分析可得，在頂部加上一個(gè)軸壓比為0.3倍的軸壓力，在此情況下環(huán)梁及框架梁均未出現(xiàn)裂痕；而若頂部加載的載荷維持恒定，在框架梁的兩端加上低周反復(fù)的載荷，當(dāng)框架梁的梁端加載到第4個(gè)載荷級(jí)別，此時(shí)梁端載荷具體為-6.5kN，在這一情況下環(huán)梁與框架梁的表面連接處出現(xiàn)了微量垂直于框梁的受彎縫隙；在之后的載荷級(jí)別中，這些受彎縫隙開(kāi)始不斷的發(fā)展變多。當(dāng)加載上第12個(gè)載荷級(jí)別的時(shí)候，這次梁端的載荷具體為-19.5kN，環(huán)梁表面上開(kāi)始出現(xiàn)多處縱向的縫隙，環(huán)梁側(cè)面出現(xiàn)的縱向縫隙和斜縫隙，環(huán)梁側(cè)面斜縫隙在鋼筋錨固區(qū)外呈“八”字形狀；當(dāng)加載到19.9個(gè)載荷級(jí)別時(shí)，即梁端載荷為-23.4kN時(shí)，框架梁與環(huán)梁兩者的連接處已經(jīng)重度開(kāi)裂，此時(shí)程序停止運(yùn)行。

圖2

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于破壞形態(tài)下，環(huán)梁鋼筋已彎曲變形，環(huán)梁與框架梁連接處的砼破壞嚴(yán)重，產(chǎn)生塑性鉸，然而砼柱本身并未被破壞，符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)理念。而以往此類的實(shí)際試驗(yàn)已經(jīng)證明，框架梁尺寸、環(huán)梁尺寸、環(huán)梁箍筋及環(huán)筋和框架梁縱筋的相對(duì)配筋量影響著各類節(jié)點(diǎn)的具體的破壞形態(tài)，因此通過(guò)此類設(shè)計(jì)，可以良好的實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)連接，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)理念。

試驗(yàn)結(jié)果圖3是有限元軟件模擬出的梁端彎矩-轉(zhuǎn)角的滯回曲線，從圖3可看出滯回環(huán)的形狀呈現(xiàn)為弓形，并且表現(xiàn)出較明顯的捏縮感。

圖3 彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線

根據(jù)熱力學(xué)定理可以分析確定，在考慮滑動(dòng)摩擦的狀態(tài)下，該滯回曲線的形態(tài)是合理的，環(huán)梁與鋼管混凝土柱兩者之間存在的摩擦力具有比較顯著的耗能能力。除此之外在往復(fù)載荷運(yùn)動(dòng)的作用之下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械沫h(huán)梁與鋼管局部縫隙開(kāi)合也具有耗能能力。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，可以對(duì)鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行一個(gè)評(píng)定，即可以得出：

3.1 處于低周反復(fù)載荷作用下，塑性鉸都出現(xiàn)于框架梁和環(huán)梁兩者的相交處，環(huán)梁和鋼管混凝土柱之間無(wú)顯著位移和滑動(dòng)情況出現(xiàn)，因此可以判斷該環(huán)梁節(jié)點(diǎn)連接有著較高的可靠性，有著較高的抗震性能，體現(xiàn)出了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)理念。

3.2 基于滑動(dòng)摩擦的存在，該新型節(jié)點(diǎn)中載荷-位移滯回曲線表現(xiàn)出一定程度收縮，而由于有限元法自身的局限性，滯回曲線的試驗(yàn)計(jì)算所得與實(shí)際存在將有一定的差異。此外該試驗(yàn)所得只能是實(shí)際存在的某一部。故針對(duì)實(shí)際節(jié)點(diǎn)約束條件和工作性能研究可以發(fā)現(xiàn)，該鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力，而這也是其抗震性能的體現(xiàn)。

3.3 該環(huán)梁節(jié)點(diǎn)的梁、柱相對(duì)獨(dú)立，因此節(jié)點(diǎn)即使處于破壞形態(tài)下，也不會(huì)影響其承載力，體現(xiàn)出“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)理念。

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