武海鵬, 曹萬(wàn)林, 董宏英, 殷 飛, 李翔宇
(1. 北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124; 2. 北京工業(yè)大學(xué) 力學(xué)博士后流動(dòng)站,北京 100124)
異形截面多腔鋼管混凝土適應(yīng)了超高層巨型框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展,滿足了建筑藝術(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)安全性的要求,近年來(lái)在標(biāo)志性大型復(fù)雜超高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。在建的8度區(qū)最高建筑北京中國(guó)尊大廈為滿足建筑外輪廓及建筑功能需要,其異形截面多腔鋼管混凝土巨型柱在標(biāo)高43.15 m處一分為二,形成分叉節(jié)點(diǎn),加之外框筒環(huán)帶桁架弦桿和支撐桿在分叉節(jié)點(diǎn)交匯,受力十分復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)構(gòu)造設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[3]。
異形截面鋼管混凝土柱包括常規(guī)的T形、L形、十字形鋼管混凝土柱和不規(guī)則截面多腔鋼管混凝土柱。前者有效避免了室內(nèi)棱角凸出,提高了建筑使用面積,在住宅結(jié)構(gòu)中得到了較多的應(yīng)用,后者截面形狀不規(guī)則,內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜,一般針對(duì)特定的超高層巨型框架結(jié)構(gòu)。目前,學(xué)者對(duì)常規(guī)異形截面鋼管混凝土柱進(jìn)行了較多的研究,包括軸心受壓性能試驗(yàn)、偏心受壓性能試驗(yàn)、低周反復(fù)荷載試驗(yàn)等,建立了相應(yīng)的有限元分析模型和本構(gòu)關(guān)系,進(jìn)行了承載力計(jì)算,研究表明加勁肋、約束拉桿、內(nèi)置鋼骨、分腔構(gòu)造等均可改善其受力性能[4-8]。王偉等[9]依據(jù)實(shí)際工程,對(duì)矩形和圓形鋼管混凝土分叉柱節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李正良等[10]對(duì)方鋼管混凝土分叉柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究,并與纖維桿元模型模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。許成祥等[11-12]對(duì)T形、十字形鋼管混凝土柱-工字鋼梁框架節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。周鵬等[13]對(duì)矩形鋼管混凝土異形柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究,柱截面包括T形、L形和十字形三種。武海鵬等[14-16]對(duì)不同構(gòu)造的不規(guī)則五邊形、六邊形多腔鋼管混凝土巨型柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析,研究表明,分腔構(gòu)造、腔體內(nèi)配筋、角部加強(qiáng)均可有效改善其受力性能。綜上研究主要針對(duì)常規(guī)異形截面鋼管混凝土柱及分叉柱的抗震性能,對(duì)不規(guī)則截面多腔鋼管混凝土分叉柱抗震性能研究相對(duì)不足。
本文以北京中國(guó)尊大廈異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱節(jié)點(diǎn)為原型,對(duì)5個(gè)不規(guī)則八邊形多腔鋼管混凝土巨型分叉柱模型試件進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究,分析節(jié)點(diǎn)區(qū)構(gòu)造和水平力作用方向變化對(duì)破壞特征、滯回特性、骨架曲線、承載能力、變形能力、耗能能力的影響。
依據(jù)北京中國(guó)尊大廈巨型框架結(jié)構(gòu)中異形截面多腔鋼管混凝土巨型分叉柱,設(shè)計(jì)了5個(gè)1/30縮尺的模型試件,主要考慮了加載方向和分叉節(jié)點(diǎn)構(gòu)造兩個(gè)參數(shù),試件編號(hào)分別為CFTC1-X,CFTC1-Y,CFTC1-Z,CFTC3-X,CFTC3-Y。其中,數(shù)字“1”代表基本型,即與原型截面構(gòu)造相同,數(shù)字“3”代表分叉面下一層柱增加腔體的加強(qiáng)構(gòu)造,以提高下柱在變截面處即分叉面處對(duì)上柱的約束能力;字母“X,Y,Z”分別代表水平力沿柱截面長(zhǎng)軸方向、短軸方向和與長(zhǎng)軸呈45°方向。
5個(gè)試件的上柱完全相同,由2 mm厚鋼板焊接成六邊形四腔體的截面形式,其縱向鋼板向下延伸,成為下柱的外鋼管鋼板及分腔鋼板,再在二者之間設(shè)置2 mm構(gòu)造聯(lián)系鋼板,形成八邊形13腔體下柱。上柱及下柱各腔體內(nèi)鋼板壁焊接截面為10 mm×2 mm豎向通長(zhǎng)加勁肋,分叉面以上設(shè)置3層水平隔板,分叉面及以下也設(shè)置3層水平隔板,以提高縱向受力鋼板的穩(wěn)定性及對(duì)混凝土的約束能力,各腔體中水平隔板截面尺寸為2 mm×10 mm。試件CFTC3-X,CFTC3-Y與試件CFTC1-X,CFTC1-Y,CFTC1-Z的區(qū)別在于,其在分叉面下一層鋼管腔體中增設(shè)分腔鋼板,形成八邊形20腔體的截面構(gòu)造。各試件通過(guò)調(diào)整柱身與基礎(chǔ)、加載梁的角度,實(shí)現(xiàn)沿截面長(zhǎng)軸、短軸方向和45°方向加載。各試件主要參數(shù)見表1,幾何尺寸及構(gòu)造,如圖1所示。
圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造Fig.1 Geometric dimensioning and construction of specimens
試件混凝土分兩批澆筑,首先澆筑上柱與下柱貫通腔體內(nèi)混凝土,實(shí)測(cè)混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體(150 mm×150 mm×150 mm)抗壓強(qiáng)度平均值fcu,m為45.4 MPa,則混凝土軸心抗壓強(qiáng)度平均值fc,m=0.76fcu,m=34.5 MPa;然后澆筑下柱中間腔體內(nèi)混凝土,實(shí)測(cè)混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體(150 mm×150 mm×150 mm)抗壓強(qiáng)度平均值fcu,m為51.7 MPa,則混凝土軸心抗壓強(qiáng)度平均值fc,m=0.76fcu,m=39.3 MPa。實(shí)測(cè)2.0 mm厚鋼板屈服強(qiáng)度為341.7 MPa,極限強(qiáng)度為463.8 MPa,彈性模量為2.02×105 MPa,延伸率為26.3%。
表1 試件主要參數(shù)
試驗(yàn)加載裝置由作動(dòng)器、連接裝置、反力系統(tǒng)組成,見圖2?;A(chǔ)由鋼壓梁及絲杠固定于試驗(yàn)臺(tái)座上;水平作動(dòng)器通過(guò)加載端頭連接到柱頭施加低周反復(fù)水平荷載;豎向千斤頂通過(guò)滾軸支座固定于反力梁向試件施加軸向壓力。
試驗(yàn)時(shí),首先施加軸向壓力900 kN,并控制其在試驗(yàn)過(guò)程中保持不變;之后,在柱頭中部距基礎(chǔ)頂面1 070 mm高度處分級(jí)施加低周反復(fù)水平荷載。水平加載采用試件加載點(diǎn)位移計(jì)控制,初始每級(jí)荷載為0.25%位移角,循環(huán)2次;當(dāng)試件位移角達(dá)2%后,每級(jí)荷載為0.5%位移角,循環(huán)2次;加載至正負(fù)兩向荷載下降至峰值荷載的85%以下或無(wú)法繼續(xù)安全加載后,認(rèn)為試件破壞,停止加載。
試驗(yàn)量測(cè)內(nèi)容:水平荷載和豎向荷載、位移、以及關(guān)鍵位置的應(yīng)變。在水平和豎向作動(dòng)器端部設(shè)置有力傳感器;在距基礎(chǔ)頂面460 mm處(分叉面)、距基礎(chǔ)頂面920 mm處(上柱頂端)、距基礎(chǔ)頂面1 070 mm(加載點(diǎn))處分別布置了位移計(jì)以測(cè)定不同位置分叉柱的變形,在基礎(chǔ)側(cè)面和端面布置了位移計(jì)監(jiān)測(cè)其水平滑移和轉(zhuǎn)動(dòng),位移計(jì)布置如圖2(b)所示。
圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Test setup
5個(gè)試件的破壞過(guò)程不盡相同,其中焊縫布置位置、水平力方向是影響試件破壞的主要因素。為便于描述試件損傷破壞過(guò)程,對(duì)鋼板進(jìn)行編號(hào),并對(duì)試件制作過(guò)程中的焊縫布置進(jìn)行描述,如圖3所示,圖3中,由于模型試件尺寸較小,為便于水平隔板與各縱向鋼板焊接,部分外鋼管鋼板在水平隔板處斷開,為焊接連接而非整鋼板,但在受力較大的長(zhǎng)軸方向兩端鋼板均為整鋼板。各試件的最終破壞形態(tài),如圖4所示。
圖3 鋼板編號(hào)及焊縫位置Fig.3 Steel plate labels and welding seam arrangement
試件CFTC1-X,位移角不大于1%時(shí),無(wú)明顯可見現(xiàn)象;1.25%位移角,受壓側(cè)鋼板ZB1,YB1,ZB8,YB8基礎(chǔ)頂面處輕微起鼓;1.75%位移角,起鼓變形由下向上發(fā)展,下柱下水平隔板附近、下柱上水平隔板附近、分叉面水平隔板附近均出現(xiàn)起鼓變形;2%位移角,鋼板YB10在下柱下水平隔板處焊縫邊緣輕微開裂;2.5%位移角,下柱下水平隔板上方、下方均嚴(yán)重起鼓變形,受拉側(cè)焊縫邊緣基本全部輕微開裂;3%位移角,鋼板ZB2,YB2,ZB7,YB7受拉時(shí)在下柱下水平隔板處由焊縫向加載方向遠(yuǎn)端撕裂,試件承載力下降;4%位移角,受拉側(cè)鋼板幾乎在下柱下水平隔板處撕裂貫通,試件承載力急劇下降,停止加載。
試件CFTC3-X與試件CFTC1-X基本接近,由于分叉面下一層采用了增加腔體的方式進(jìn)行加強(qiáng),截面的抗彎剛度增大,變形減小,導(dǎo)致基礎(chǔ)頂面處鋼板起鼓相對(duì)較高,最終試件在下柱下水平隔板處鋼板撕裂貫通破壞。
試件CFTC1-Y與試件CFTC3-Y破壞過(guò)程基本接近,1.5%位移角,鋼板ZB9,YB9,ZB10,YB10下柱下水平隔板處焊縫邊緣輕微開裂;2.0%位移角,下柱下水平隔板處焊縫開裂貫通,基礎(chǔ)頂面明顯起鼓變形;2.5%位移角,下柱下水平隔板處,焊縫開裂導(dǎo)致相鄰鋼板ZB7,YB7,ZB2,YB2輕微撕裂,受壓時(shí)起鼓變形明顯;3.0%位移角,下柱下水平隔板處鋼板撕裂長(zhǎng)度增加,起鼓變形增大;3.5%位移角,試件承載力急劇下降,試件破壞。
試件CFTC1-Z,1.5%位移角,鋼板YB9受拉時(shí)下柱下水平隔板處焊縫邊緣輕微開裂,鋼板ZB7受壓時(shí)下柱下水平隔板下方輕微起鼓;1.75%位移角,鋼板ZB8,YB2受壓時(shí)下柱下水平隔板下方起鼓,鋼板ZB10下柱下水平隔板處焊縫輕微開裂;2%位移角,加載軸遠(yuǎn)端鋼板不斷起鼓,下柱下水平隔板處焊縫開裂延伸;2.5%位移角,鋼板YB2下柱下水平隔板處撕裂;3%位移角,鋼板ZB7下柱下水平隔板處撕裂;3%位移角,加載軸遠(yuǎn)端鋼板下柱下水平隔板處鋼板撕裂延伸,試件承載力急劇下降,試件破壞。
圖4 破壞形態(tài)Fig.4 Failure features
試驗(yàn)得到了各試件的水平荷載F-水平位移Δ(位移角θ)滯回曲線及相應(yīng)的骨架曲線,見圖5。圖中F為水平作動(dòng)器施加的荷載,Δ為加載點(diǎn)位移、上柱或下柱的層間水平位移,θ為相應(yīng)的位移角;加載點(diǎn)位移為水平作動(dòng)器高度處位移計(jì)所測(cè)得位移,相應(yīng)位移角描述了整個(gè)試件的變形;上柱位移由上柱頂面處測(cè)得位移減分叉面測(cè)得位移計(jì)算所得,相應(yīng)的位移角描述了上柱的獨(dú)立變形;下柱位移為分叉面位移計(jì)所測(cè)得位移,相應(yīng)位移角描述了下柱的獨(dú)立變形。
由圖5可知:①各試件滯回曲線較為飽滿,無(wú)明顯的捏縮現(xiàn)象,上柱滯回曲線最飽滿、整體滯回曲線次之,下柱滯回曲線飽滿程度最低;②分叉面下一層多腔體構(gòu)造加強(qiáng)試件CFTC3-X,CFTC3-Y較試件CFTC1-X,CFTC1-Y,滯回環(huán)包圍的面積較大,承載力略高,剛度較大,變形能力略有降低,但綜合耗能能力較強(qiáng);③沿截面45°方向加載試件CFTC1-Z滯回環(huán)飽滿程度、承載力、耗能能力介于試件CFTC1-X和CFTC1-Y之間。
實(shí)測(cè)所得各試件主要階段的試驗(yàn)結(jié)果見表2。表2中:Fy為名義屈服荷載,由Park法[17]確定,F(xiàn)p為峰值荷載,Δy為名義屈服位移,Δp為峰值荷載對(duì)應(yīng)位移,Δu為荷載下降至峰值荷載85%時(shí)對(duì)應(yīng)位移,θy=Δy/H,θp=Δp/H,θu=Δu/H為相應(yīng)階段的位移角,H為加載點(diǎn)至基礎(chǔ)頂面距離,H=1 070 mm,μ=Δu/Δy為試件的延性系數(shù)。
由表2可知:①試件不同截面方向承載力有一定差異,長(zhǎng)軸方向承載力最高,短軸方向最低,45°方向在二者之間,較短軸加載試件CFTC1-Y,長(zhǎng)軸加載試件CFTC1-X、45°加載試件CFTC1-Z,屈服荷載均值分別提高了95.7%,46.6%,峰值荷載均值分別提高了92.5%,44.0%;②分叉面下一層多腔加強(qiáng)試件CFTC3-X,CFTC3-Y較試件CFTC1-X,CFTC1-Y,屈服荷載均值分別提高了1.3%,5.7%,峰值荷載分別提高了4.0%,5.0%,加強(qiáng)構(gòu)造對(duì)試件承載力提升不明顯;③各試件的名義屈服荷載為峰值荷載的0.8倍左右。
圖5 F-Δ(θ)滯回曲線及骨架曲線Fig.5 F-Δ(θ)hysteretic loops and skeleton curves
試件編號(hào)加載方向名義屈服Fy/kN均值Δy/mmθy峰值Fp/kN均值Δp/mmθp極限(0.85Fp)Δu/mmθuFy/FpμCFTC1-X(+)252.2258.912.371/81306.6316.126.681/4034.161/300.8192.72(-)-265.6-14.06-325.6-26.79-37.78CFTC3-X(+)258.3262.39.561/93318.9328.826.251/4134.201/300.7983.12(-)-266.3-13.49-338.6-25.84-37.79CFTC1-Z(+)193.6193.911.371/93235.5236.425.941/4530.641/330.8202.82(-)-194.1-11.55-237.4-21.43-34.04CFTC1-Y(+)121.5132.310.141/82153.9164.221.521/4527.911/350.8062.34(-)-143.2-16.09-174.5-26.16-33.44CFTC3-Y(+)133.4139.910.121/91166.2172.421.501/5030.771/350.8122.59(-)-146.4-13.47-178.6-21.32-30.29
圖6 承載力退化系數(shù)位移角θ關(guān)系曲線Fig.6 Curves of strength degradation coefficient versus drift angle relationship
由圖6可知:①各試件均有一定的承載力退化現(xiàn)象,多腔加強(qiáng)試件承載力退化趨勢(shì)略為穩(wěn)定;②各試件達(dá)峰值荷載對(duì)應(yīng)位移角時(shí),承載能力下降5%以內(nèi),最大彈塑性位移角時(shí),承載能力下降約10%,往復(fù)荷載作用下的承載力退化不明顯。
實(shí)測(cè)所得各試件名義屈服、峰值、極限時(shí)對(duì)應(yīng)的加載點(diǎn)高度水平位移Δ和位移角θ及延性系數(shù)μ見表2。由實(shí)測(cè)不同高度處位移計(jì)算所得上柱、下柱在加載過(guò)程中的變形比例ηd,如圖7所示。圖7中,曲線以上部分為上柱變形部分、以下部分為下柱變形部分,橫坐標(biāo)為試件整體位移角即由加載點(diǎn)位移計(jì)算所得位移角。
由表2可知:①試件名義屈服時(shí),其位移角在1/93~1/81,達(dá)峰值荷載時(shí),其位移角在1/50~1/40,荷載下降至85%峰值荷載時(shí),其位移角在1/35~1/30,說(shuō)明試件具有良好的彈塑性變形能力;②試件長(zhǎng)軸方向變形能力最強(qiáng)、45°方向次之,短軸方向最弱,其中,試件CFTC1-X,CFTC3-X較試件CFTC1-Y,CFTC3-Y,屈服位移角均值接近,但最大彈塑性位移角分別高17.3%,17.9%;③下柱加強(qiáng)層多腔加強(qiáng)試件CFTC3-X,CFTC3-Y較試件CFTC1-X,CFTC1-Y,屈服位移角均值分別低12.8%,10.1%,峰值荷載對(duì)應(yīng)位移角低2.6%,10.2%,但最大彈塑性位移角接近,說(shuō)明下柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)多腔體構(gòu)造較好的協(xié)調(diào)了上下柱的應(yīng)力分布,不僅提高了試件的剛度,也保證了試件的彈塑性變形能力;④各試件的延性系數(shù)為2.34~3.12,截面長(zhǎng)軸方向延性最好,45°次之,短軸方向略差。
圖7 上柱、下柱變形比例ηd-位移角θ關(guān)系曲線Fig.7 Curves of deformation proportion between upper column and lower columns versus drift ratio (ηd-θ) relationship
由圖7可知:①各試件的上、下柱變形比例總體上較為穩(wěn)定,下柱變形約占總變形的30%~40%;②截面長(zhǎng)軸方向下柱變形比例略高,截面45°方向次之,截面短軸方向略低;③同一水平位移往復(fù)加載時(shí),第2循環(huán)加載與第1循環(huán)加載的上、下柱變形比例基本一致。
由于各試件的加載歷程存在微小差異,采用累積耗能易引入相應(yīng)誤差,故采用平均滯回耗能Ea-位移角θ關(guān)系曲線描述試件的耗能性能,如圖8所示。平均滯回耗能表示某級(jí)位移加載循環(huán)1次的滯回耗能值,由該級(jí)位移多次加載循環(huán)的滯回耗能總和除以加載循環(huán)次數(shù)所得,其中各加載循環(huán)的滯回耗能由相應(yīng)的荷載-位移滯回曲線包圍的面積計(jì)算得到。每級(jí)荷載下每一循環(huán)正負(fù)兩向的平均等效黏滯阻尼系數(shù)he-位移角θ關(guān)系曲線,如圖9所示。每級(jí)荷載下每一循環(huán)正負(fù)兩向上、下柱耗能比例ηe-位移角θ關(guān)系曲線,如圖10所示。圖10中,上、下柱耗能由水平荷載對(duì)其各自的凈位移積分所得。
圖8 平均滯回耗能Ea-位移角θ關(guān)系曲線Fig.8 Curves of average hysteretic energy dissipation versus drift ratio (Ea-θ) relationship
圖9 平均等效黏滯阻尼系數(shù)-位移角(he-θ)關(guān)系曲線Fig.9 Curves of equivalent viscous damping coefficient versus drift ratio (he-θ) relationship
圖10 上、下柱耗能比例ηe-位移角θ關(guān)系曲線Fig.10 Curves of energy dissipation proportion between upper column and lower columns versus drift ratio (ηe-θ) relationship
由圖8和圖9可知:①各試件的平均滯回耗能、等效黏滯阻尼系數(shù)均隨加載位移角的增大而增大,并且增大的速度也加快,約超過(guò)2.5%位移角后,增大的速度減慢,這與加載過(guò)程中試件塑性變形相關(guān);②各試件截面長(zhǎng)軸方向耗能較多、45°次之,短軸方向最少;③分叉節(jié)點(diǎn)核心區(qū)下柱下一層多腔加強(qiáng)構(gòu)造試件較非加強(qiáng)試件耗能較多,沿截面短軸加載試件更為明顯,這是由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加強(qiáng)后,上下柱內(nèi)力傳遞更加平穩(wěn),同位移角下的塑性變形發(fā)展更為充分;④各試件的等效黏滯阻尼系數(shù),在加載初期第1循環(huán)數(shù)值>第2循環(huán),在加載后期第1循環(huán)數(shù)值<第2循環(huán),說(shuō)明累積損傷在不同階段對(duì)試件耗能性能有一定影響。
由圖10可知:①各試件的下柱耗能比例總體表現(xiàn)為加載初期較高,隨著加載位移的增大而逐漸較低;②加載初期,試件CFTC1-X,CFTC3-X下柱耗能比例約為50%,試件CFTC1-Z,試件CFTC1-Y,CFTC3-Y下柱耗能比例約40%,加載中后期,各試件下柱耗能比例區(qū)域一致約30%~40%;③各試件每級(jí)荷載下第1循環(huán)與第2循環(huán)的上、下柱耗能比例基本一致。
通過(guò)對(duì)5個(gè)不同加載方向、不同節(jié)點(diǎn)核心區(qū)構(gòu)造試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究,得到了各試件的破壞特征、滯回特性、承載力、變形能力和耗能能力結(jié)果,主要結(jié)論如下:
(1) 不同加載方向的異形截面多腔鋼管混凝土分叉柱的主要破壞發(fā)生在下柱下水平隔板處,表現(xiàn)為焊縫邊緣開裂并延伸引起的鋼板撕裂,累積損傷下,焊縫布置位置引導(dǎo)了試件的破壞。
(2) 各試件的水平力-位移角滯回曲線較為飽滿,無(wú)明顯的捏攏現(xiàn)象;截面長(zhǎng)軸方向承載力高、剛度大、變形能力好、綜合耗能能力強(qiáng),截面短軸方向較弱,截面45°方向介于二者之間;節(jié)點(diǎn)核心區(qū)下柱多腔構(gòu)造加強(qiáng)試件較普通試件承載力略高,變形能力略有降低,剛度明顯提高,綜合耗能能力小幅度提高。
(3) 各試件承載力退化不明顯,峰值荷載對(duì)應(yīng)位移角承載力下降5%左右,最大彈塑性位移角,承載力下降10%左右。
(4) 試件的變形及耗能主要發(fā)生在上柱部分,并隨著加載的進(jìn)行趨于穩(wěn)定,分別均為60%~70%。
(5) 試件屈服位移角為1/93~1/81,峰值荷載時(shí)對(duì)應(yīng)位移角為1/50~1/40,最大彈塑性位移角為1/35~1/30,具有良好的彈塑性變形能力,可用于超高層巨型框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。