鋼管混凝土柱鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點靜力性能試驗研究

李德山　陶忠　王志濱

摘要：通過對8個鋼管混凝土柱鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點進行軸拉及彎剪加載試驗，考察了約束拉桿構(gòu)造措施對節(jié)點核心區(qū)整體性的影響規(guī)律，同時對單邊螺栓的工作性能進行了分析研究.試驗結(jié)果表明：單邊螺栓具有良好的力學性能，工作性能安全可靠；方鋼管混凝土柱設(shè)置約束拉桿能有效限制管壁變形，顯著提高節(jié)點核心區(qū)整體性，減少破壞區(qū)域；圓鋼管因為管壁穩(wěn)定性較好，設(shè)置約束拉桿對改善節(jié)點力學性能效果不明顯；穿芯螺栓節(jié)點核心區(qū)整體性最好；在彎剪加載條件下，單邊螺栓節(jié)點表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)動能力.試驗結(jié)果可供同類研究參考與比較.

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；鋼梁；端板連接；單邊螺栓；靜力加載

中圖分類號：TU398 文獻標識碼：A

以往，梁柱半剛性節(jié)點多采用高強度螺栓連接，該類節(jié)點具有抗震性能優(yōu)良、施工速度快、連接質(zhì)量容易控制等優(yōu)點，因而得到了廣泛的工程應用[1-2].目前國內(nèi)外學者針對H型鋼梁H型鋼柱半剛性連接已進行了較系統(tǒng)的研究，但由于鋼管柱為封閉截面，普通螺栓難以應用，因此相應半剛性連接研究較少.單邊螺栓（Blind bolt）作為一種新型緊固件，具有單邊擰緊、受力性能可靠、施工方便等優(yōu)點[3-4]，可解決普通高強螺栓難以應用于閉合截面構(gòu)件的問題.目前工程應用較多的單邊螺栓主要有：英國Lindapter公司生產(chǎn)的HolloBolt和澳大利亞Ajax公司生產(chǎn)的OnesideBolt等.國內(nèi)外一些學者對鋼管混凝土柱鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點進行了試驗和理論研究.Uy等[5]進行了單邊螺栓連接組合節(jié)點靜力加載試驗.王靜峰等＼[3＼]對鋼管混凝土柱鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點進行了單調(diào)加載及往復加載試驗.

因為該類螺栓是單邊鎖緊，在鋼管寬厚比或徑厚比正常使用范圍內(nèi)，管壁的過早屈服及過大變形常常成為節(jié)點破壞的控制因素，為了提高節(jié)點強度及剛度，常常使用寬厚比或徑厚比較小的鋼管，導致經(jīng)濟性不佳.一些學者提出增加單邊螺栓端部錨固長度以及螺栓端部設(shè)置彎鉤等措施[6-8]，上述構(gòu)造措施有利于改善節(jié)點力學性能.本文擬研究在鋼管內(nèi)焊接約束拉桿，從而對管壁提供附加約束，延緩或避免鋼管過早發(fā)生局部屈曲，以達到改善節(jié)點力學性能的目的.試驗共設(shè)計了8個節(jié)點，其中6個節(jié)點進行軸拉加載，變化參數(shù)為拉桿數(shù)量以及螺栓種類，以考察約束拉桿構(gòu)造措施以及螺栓類型對節(jié)點核心區(qū)整體性的影響規(guī)律；另2個節(jié)點進行彎剪加載，分析節(jié)點彎剪力學性能.

1試驗概況

1.1試件的設(shè)計和制作

節(jié)點形式為鋼管混凝土柱鋼梁齊平端板連接，試件數(shù)量為8個，試件具體情況見表1.

方鋼管采用冷彎型鋼鋼管，截面尺寸為200 mm×200 mm×5 mm，圓鋼管采用直縫焊接管，截面尺寸為200 mm×3.6 mm，方鋼管及圓鋼管長度均為1 400 mm.鋼梁選用熱軋H型鋼，截面尺寸為250 mm×125 mm×6 mm×9 mm，鋼梁與端板采用雙面角焊縫連接，端板厚度為14 mm.單邊螺栓選用Lindapter公司生產(chǎn)的8.8級M20 HolloBolt，穿芯長螺栓采用8.8級M20規(guī)格高強螺栓，約束拉桿選用直徑16 mm光圓鋼筋.節(jié)點核心區(qū)詳圖如圖1所示.

4個單邊螺栓+4根約束拉桿

根據(jù)HolloBolt產(chǎn)品說明書[9]，采用扭矩扳手對單邊螺栓施加300 N·m扭矩；對于穿芯螺栓節(jié)點，安裝時將長螺栓穿過鋼管混凝土柱預留孔洞，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]，對8.8級M20穿芯螺栓施加了125 kN預拉力，預拉力數(shù)值通過在螺桿開槽粘貼應變片進行量測.在端板連接一側(cè)，約束拉桿與鋼管采用穿孔塞焊，無端板連接一側(cè)，管壁處設(shè)置了墊板與鋼管焊接.典型試件管內(nèi)情況如圖2所示.

1.2材料性能

管內(nèi)核心混凝土采用普通混凝土，每立方米混凝土各材料的用量為：水泥447 kg，碎石1 183 kg，中砂610 kg，水210 kg.試驗加載時混凝土立方體抗壓強度為66.7 MPa，彈性模量為32 485 MPa.根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB/T228-2002）[11]對鋼材力學性能指標進行測試，具體數(shù)值見表2.

1.3加載裝置與加載制度

鋼管混凝土柱兩端采用壓梁固定在剛性基礎(chǔ)上，MTS作動器通過螺桿與鋼梁端部加載板相連接，施加軸拉或橫向荷載.為防止彎剪加載節(jié)點的鋼梁發(fā)生失穩(wěn)，設(shè)置了側(cè)向支撐，試驗裝置如圖3所示.試驗時采用MTS作動器對梁端施加單調(diào)荷載，加載模式采用位移控制.

2試驗現(xiàn)象及破壞模態(tài)

試驗過程中詳細觀察了節(jié)點的破壞情況，發(fā)現(xiàn)主要破壞模態(tài)包括：1）鋼管管壁角部撕裂；2）拉桿塞焊縫破壞；3）單邊螺栓受拉拔出；4）端板顯著變形.

JDS1， JDS2及JDS3變化參數(shù)為約束拉桿數(shù)量.JDS1與JDS2均發(fā)生了冷彎鋼管角部撕裂破壞，如圖4所示.相比較于未設(shè)置約束拉桿的JDS1，JDS2由于設(shè)置了4根拉桿，鋼管角部裂紋未貫通，管壁變形明顯減小，而設(shè)置了8根約束拉桿的JDS3鋼管管壁未發(fā)現(xiàn)破壞現(xiàn)象，管壁平面外變形很小，可知拉桿構(gòu)造措施增加了管壁的穩(wěn)定性，明顯提高了節(jié)點核心區(qū)整體性，有利于各組件協(xié)同受力，防止管壁成為節(jié)點薄弱區(qū)域、發(fā)生過早破壞.JDS2及JDS3加載后期拉桿與管壁塞焊縫均發(fā)生撕裂破壞，主要原因是拉桿與管壁垂直點狀焊接，在荷載作用下焊縫處應力集中顯著.

（a） 軸拉加載

（b） 彎剪加載

采用圓鋼管混凝土的JDC6核心區(qū)設(shè)置了4根約束拉桿，其破壞模態(tài)與未設(shè)置約束拉桿的JDC5相似，單邊螺栓受拉拔出是其主要的破壞模態(tài)，加載后期端板和管壁之間出現(xiàn)較大縫隙，如圖5所示.

如圖7所示，在彎剪荷載作用下，節(jié)點JDS7冷彎鋼管受拉區(qū)角部撕裂，受拉區(qū)拉桿塞焊縫下陷斷裂；JDC8加載后期螺栓孔附近管壁撕裂，單邊螺栓受拉拔出，弧形端板與鋼管之間出現(xiàn)明顯間隙.總體而言，方形及圓形節(jié)點在彎剪荷載作用下表現(xiàn)出良好的變形能力.所有節(jié)點在加載過程中，單邊螺栓均未發(fā)生斷裂破壞，工作安全可靠，力學性能良好.

通過比較軸拉節(jié)點荷載位移曲線可知，對于方鋼管混凝土，核心區(qū)焊接4根約束拉桿的JDS2抗拉承載力比無加強措施的JDS1提高32.2%；核心區(qū)焊接8根約束拉桿的JDS3抗拉承載力比JDS1提高42.9%；JDS4采用穿芯螺栓連接，抗拉承載力在6個軸拉節(jié)點里面最大，為JDS1的2.55倍.對于圓鋼管混凝土，核心區(qū)焊接4根約束拉桿的JDC6抗拉承載力比無加強措施的JDC5提高1.5%.由此可知，方鋼管內(nèi)焊接約束拉桿能有效限制管壁變形，顯著提高節(jié)點核心區(qū)整體性；圓鋼管因為管壁穩(wěn)定性較好，設(shè)置約束拉桿對改善節(jié)點力學性能效果不明顯；穿芯螺栓節(jié)點因為長螺栓貫通整個鋼管混凝土柱，核心區(qū)整體性最好.

JDS1， JDS2及JDS3初始抗拉剛度差別微小，主要原因是加載初期，荷載主要由單邊螺栓在混凝土中的錨固黏結(jié)力所承擔，約束拉桿還未在約束管壁變形中發(fā)揮明顯作用.

通過比較彎剪節(jié)點荷載位移曲線可知，該類半剛性節(jié)點具有良好的轉(zhuǎn)動能力，方鋼管節(jié)點與圓鋼管節(jié)點彎矩超過抗彎承載力后，均有較明顯的平臺段，曲線下降不明顯，說明此類節(jié)點延性較好，有利于滿足抗震設(shè)計要求.圓形截面節(jié)點管壁厚度小于方形截面節(jié)點，但彎剪承載力高于方鋼管混凝土節(jié)點.

3.2應變數(shù)據(jù)分析

圖9為方鋼管跨中側(cè)面縱向應變片布置示意圖，圖10為方鋼管應變發(fā)展曲線.從鋼管跨中側(cè)面縱向應變片發(fā)展曲線可知，鋼管混凝土柱作為承受橫向荷載構(gòu)件，上部受拉，下部受壓，中和軸偏向于受壓區(qū).由圖10還可發(fā)現(xiàn)，隨著管壁約束的增強，其峰值應變明顯提高，原因是約束拉桿可增強鋼管混凝土柱的整體性，使其能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)強度，并承擔更大的荷載.JDS4核心區(qū)整體性最好，鋼管縱向峰值應變最大.

圖11為圓鋼管典型部位應變片布置，圓形節(jié)點應變片沿鋼管環(huán)形布置，其中1， 2， 3為縱向應變片，4， 5， 6為橫向應變片，圖12為軸拉節(jié)點圓鋼管應變發(fā)展曲線.鋼管縱向應變上部受拉，下部受壓；鋼管橫向應變底部受拉 ，其他部位為壓應變，6個應變數(shù)據(jù)均未超過圓鋼管屈服應變.2個節(jié)點應變發(fā)展規(guī)律相似，表明約束拉桿構(gòu)造措施未明顯改善鋼管混凝土柱的受力性能.JDS7及JDC8鋼管應變片測點數(shù)據(jù)基本處于彈性狀態(tài)，不贅述.

典型試件的約束拉桿應變發(fā)展如圖13所示，應變片粘貼位置為約束拉桿中部.從拉桿應變發(fā)展曲線可知，方形節(jié)點及圓形節(jié)點中約束拉桿基本處于彈性階段.相對于圓鋼管混凝土節(jié)點，方鋼管混凝土節(jié)點中約束拉桿應變發(fā)展更充分，較好地發(fā)揮了約束效果，主要原因是圓形節(jié)點管壁穩(wěn)定性較好，拉桿受力較小，因此加強作用不明顯.

4結(jié)論

通過對鋼管混凝土柱鋼梁單邊螺栓連接節(jié)點進行軸拉及彎剪加載試驗，可得出以下結(jié)論：

1）單邊螺栓作為一種連接閉合管截面的新型緊固件，具有良好的力學性能，工作性能安全可靠.該類單邊螺栓連接節(jié)點安裝方便、施工快速、連接質(zhì)量容易得到保證，具有良好的工程應用前景.

2）在常用寬厚比范圍內(nèi)，單邊螺栓連接方鋼管節(jié)點核心區(qū)整體性較差，通過在方鋼管內(nèi)焊接約束拉桿，能顯著提高節(jié)點核心區(qū)的整體性，有利于各組件協(xié)同工作，改善節(jié)點力學性能，并且隨著約束拉桿數(shù)量的增加，核心區(qū)整體性也相應提高.圓鋼管節(jié)點因為管壁穩(wěn)定性較好，設(shè)置約束拉桿對提高節(jié)點力學性能效果不明顯.穿芯螺栓節(jié)點核心區(qū)整體性最好，節(jié)點抗拉承載力為無加強措施的單邊螺栓連接方鋼管節(jié)點的2.55倍.

3）彎剪加載條件下，帶約束拉桿單邊螺栓連接節(jié)點表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)動能力，有利于滿足抗震設(shè)計要求.

4）帶約束拉桿方形節(jié)點在軸拉及彎剪加載條件下，約束拉桿塞焊縫發(fā)生斷裂破壞，主要原因是拉桿與管壁垂直點狀焊接，在荷載作用下焊縫處應力集中顯著所造成的.

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