鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻端板式剛接節(jié)點(diǎn)

胡立黎，尹衛(wèi)澤

(杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，杭州 310003)

鋼-混凝土組合剪力墻主要有三種構(gòu)造形式，包括內(nèi)嵌鋼板-混凝土組合剪力墻、單側(cè)鋼板混凝土組合剪力墻以及雙鋼板-混凝土組合剪力墻[1]。對(duì)于外側(cè)雙鋼板，內(nèi)填混凝土的多腔組合構(gòu)件，最先集中于多腔鋼管混凝土柱的研究[2]。隨著裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的迅速發(fā)展，適宜于住宅建筑的外側(cè)雙鋼板，內(nèi)填混凝土的多腔組合剪力墻成為了研究熱點(diǎn)。外側(cè)雙鋼板的拉結(jié)方式有多種形式，可以采用栓釘連接、加勁鋼板連接、格構(gòu)式連接等[3―6]。

鋼管混凝土束剪力墻構(gòu)件是一種特殊的雙鋼板-混凝土組合剪力墻，其由鋼管束和內(nèi)填的混凝土組成。鋼管束是由若干U 型鋼或U 型鋼與矩形鋼管、鋼板拼裝組成的具有多個(gè)豎向空腔的結(jié)構(gòu)單元，形式有一字型、L 型、T 型、工字型、十字型等。如圖1 所示。相關(guān)學(xué)者對(duì)此種構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[7―8]。

圖1 鋼管束 Fig.1 CF-MCST

在結(jié)構(gòu)體系中，鋼梁需要與鋼管混凝土束剪力墻進(jìn)行剛接，以保證結(jié)構(gòu)的整體剛度。以前的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)研究主要關(guān)注于鋼梁與混凝土剪力墻的連接[9]，或者鋼梁與矩形鋼管混凝土柱的柱貫通內(nèi)隔板型節(jié)點(diǎn)或柱斷隔板貫通型節(jié)點(diǎn)研究[10]。但這些節(jié)點(diǎn)形式均不能直接用于鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻的連接。

本文提供一種適宜于鋼管混凝土束剪力墻的墻梁節(jié)點(diǎn)—端板式剛接節(jié)點(diǎn)。端板式剛接節(jié)點(diǎn)主要由工字形鋼梁、鋼管混凝土束剪力墻、端板、翼緣連接板、腹板連接板組成。在工廠，先將端板、翼緣連接板、腹板連接板焊接在鋼管混凝土束剪力墻。工地安裝時(shí)，鋼梁腹板與腹板連接板通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接，鋼梁翼緣與端板通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)焊接連接。圖2 為墻梁端板式剛接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。

圖2 墻梁端板式剛接節(jié)點(diǎn) Fig.2 Steel beam-to-CF-MCST rigid end-plate joint

1 端板厚度確定

1.1 端板在鋼梁拉力作用下的計(jì)算簡(jiǎn)圖

設(shè)在外荷載作用下，鋼梁達(dá)到了全截面塑性。鋼梁翼緣和腹板分別受拉和受壓，相應(yīng)的端板也可分為受拉區(qū)和受壓區(qū)。上翼緣傳來(lái)的線拉力為qf=tfbfyb(tfb為翼緣厚度，fyb為鋼梁的鋼材屈服強(qiáng)度)；腹板部分傳來(lái)的線拉力為qw=twbfyb(twb為鋼梁腹板厚度)；拉力影響區(qū)域的高度為h=h1+h2(h1為鋼梁高度范圍外的受拉區(qū)高度，h2為鋼梁高度范圍內(nèi)的受拉區(qū)高度)。拉力影響區(qū)域的寬度為b(b為鋼梁翼緣 寬度)。

采用四面圍焊方式，將端板與鋼管混凝土束剪力墻和翼緣連接板焊接在一起。因此，可將此受拉部分端板鋼板簡(jiǎn)化為四邊固定的板件。固定邊將因?yàn)槭軓澏纬伤苄糟q線，即為線1、線2、線5 和線6。假設(shè)板內(nèi)的塑性絞線沿著線3 和線4。塑性機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖 Fig.3 Calculation sketch

1.2 端板厚度的確定

假設(shè)頂點(diǎn)處虛位移為Δ，則外力功Ww為：

塑性鉸線上的內(nèi)力功Wn為：

式中：mp1、mp為塑性絞線上的單位長(zhǎng)度彎矩；θi分別為第i個(gè)塑性絞線上的相對(duì)轉(zhuǎn)角。

令Wn=Ww，則可得：

將式(4)中 4mp1(h1+h2)/b省略，整理可得：

將mp=/4，代入式(5)可得：

式中，pt、ypf為端板的厚度和屈服強(qiáng)度。

令τ=tfb/twb，ξ=h2/b= 0.5hw/b，并代入式(6)可得：

式中，Afb為鋼梁翼緣截面面積。

1.3 滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”要求

按照中國(guó)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]的要求，為滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”要求，需要引入抗震設(shè)計(jì)的連接系數(shù)jη，并采用端板鋼材極限強(qiáng)度，將其代入式(8)可得：

式中：ut為抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需要的端部厚度；p,uf為端板的極限強(qiáng)度。

考慮到端板如果達(dá)到p,uf，端板板件形成塑性鉸線的彎曲變形可能很大，四面圍焊的焊縫可能發(fā)生破壞，以及翼緣連接板與端板之間正面焊縫的變形協(xié)調(diào)。保守考慮，按照僅允許端板厚度1/3 范圍達(dá)到極限強(qiáng)度，厚度2/3 范圍達(dá)到屈服強(qiáng)度，即，采用 (2fp,y+fp,u)/3代替fp,u，將其代入式(9)可得：

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)試件和試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了6 個(gè)足尺模型，鋼管混凝土束剪力墻，采用4 mm 厚U 型鋼組成，內(nèi)填充C40 自密實(shí)混凝土，鋼梁均為焊接H-380×130×6×14。按照?qǐng)D2方式，采用端板焊接、腹板螺栓連接的形式將鋼梁與墻體連接起來(lái)。按照抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)要求，分別鋼梁翼緣端部上設(shè)置蓋板進(jìn)行加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，或者不設(shè)置蓋板。

6 組墻梁節(jié)點(diǎn)分別編號(hào)為GL1、GL2、GL3、GL4、GL5、GL6。螺栓采用10.9 級(jí)M22 摩擦型高強(qiáng)螺栓。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別改變端板厚度和翼緣連接板的厚度，進(jìn)行設(shè)計(jì)試件。試件參數(shù)見(jiàn)表1 所示。

表1 試件參數(shù) /mm Table 1 Parameters of specimens

試驗(yàn)時(shí)先在墻體頂部先施加軸壓荷載，之后在鋼梁端部施加豎向低周反復(fù)荷載，以模擬地震作用，試驗(yàn)裝置如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖 Fig.4 Sketch of test setup

2.2 典型滯回曲線和破壞形態(tài)

試驗(yàn)的詳細(xì)結(jié)果將在其他文章中進(jìn)行分析。試件的典型滯回曲線較為飽滿穩(wěn)定，并呈現(xiàn)梭型?？傮w來(lái)看，試件在前四級(jí)加載，即在0.01 rad 轉(zhuǎn)角以內(nèi)，剛度變化較小，近乎無(wú)殘余變形，基本處于彈性狀態(tài)。隨著滯回荷載的加大，滯回環(huán)逐漸傾向于更加飽滿的狀態(tài)。

試件典型破壞形態(tài)如圖5 所示，從圖中可以看出，試件的鋼梁上翼緣和下翼緣均發(fā)生了屈曲，屈曲位置距離端板約450 mm(接近一個(gè)鋼梁高度)；鋼梁腹板也發(fā)生了屈曲，顯示鋼梁已經(jīng)形成“塑性鉸”。此時(shí)，端板沒(méi)有明顯變形，翼緣連接板也沒(méi)有明顯變化，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)意圖。但是，也說(shuō)明了該端板厚度有過(guò)厚的可能，需要在將來(lái)的研究中進(jìn)一步分析。

圖5 試件典型破壞形態(tài) Fig.5 Failure of test specimens

3 工程示范

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取萬(wàn)郡大都城項(xiàng)目三期和四期進(jìn)行該節(jié)點(diǎn)的工程示范，并按照推導(dǎo)的公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古包頭市青山區(qū)，項(xiàng)目占地面積約33 萬(wàn)m2，總建筑面積約100 萬(wàn)m2，共分為四期進(jìn)行建設(shè)，均為商業(yè)住宅。項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為8 度，50 年基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2。

三期工程總建筑面積約18.5 萬(wàn)m2，地上建筑面積約15.8 萬(wàn)m2，由6 幢高層住宅組成，地上30 層 ～34 層，標(biāo)準(zhǔn)層層高均為2.9 m。到2019 年5月，三期已經(jīng)全部竣工。

四期工程總建筑面積約21.5 萬(wàn)m2，地上建筑面積約18.8 萬(wàn)m2。由6 幢高層組成，地上28 層～ 34 層，標(biāo)準(zhǔn)層層高均為2.9 m。到2019 年5 月，四期主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)封頂2 幢，其它幢正在施工過(guò)程中。

考慮到減少鋼板厚度種類，進(jìn)行了歸并，工程中主要采用的鋼梁截面和端板厚度如表2 所示?？傮w來(lái)看，端板厚度較厚，一定程度上影響了其經(jīng)濟(jì)性能。

表2 端板厚度 /mm Table 2 Thicknesses of end-plates

工廠制作完成時(shí)，端板式節(jié)點(diǎn)的情況如圖6 所示。工地使用時(shí)，端板式節(jié)點(diǎn)的情況如圖7 所示。

圖6 在工廠時(shí)節(jié)點(diǎn) Fig.6 Joints in factory

圖7 示范工程 Fig.7 Demonstration project

通過(guò)以上工程應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，該節(jié)點(diǎn)安全可靠；無(wú)牛腿，運(yùn)輸更方便；有利于建筑門窗洞口的設(shè)置；減少鋼梁分段，有利于鋼梁和鋼管束標(biāo)準(zhǔn)化工作；提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝和制作的便利性。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析并結(jié)合試驗(yàn)、工程應(yīng)用情況，分析了鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻端板式剛接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和施工便利性，得到以下結(jié)論：

(1) 提出了一種鋼梁與鋼管混凝土束剪力墻端板式剛接節(jié)點(diǎn)的形式，并推導(dǎo)出端板厚度設(shè)計(jì)方法。通過(guò)試驗(yàn)和工程應(yīng)用證明，該設(shè)計(jì)方法能夠滿足當(dāng)前工程應(yīng)用要求，安全可靠。

(2) 試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際使用過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)計(jì)算的端板厚度有過(guò)厚的可能，需要在將來(lái)的研究中進(jìn)一步分析，以提高該節(jié)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性能。