新型T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能研究*

趙 毅，牛中浩，李 豪

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院， 鄭州 451191)

0 引言

采用異形柱結(jié)構(gòu)能夠避免室內(nèi)柱棱凸出，增加房間使用面積，具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛，然而目前應(yīng)用較多的是異形鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)研究和工程實(shí)踐的不斷深入，異形鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的局限性，主要表現(xiàn)在建筑高度受到嚴(yán)格限制，且限用于抗震設(shè)防烈度8度(0.2g)及以下地區(qū)[1-3]。在保持柱截面尺寸不變的前提下，為使異形柱結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用到高層建筑或高地震烈度區(qū)，能夠提高異形鋼筋混凝土柱的承載力及抗震性能，有關(guān)學(xué)者提出了異形鋼管混凝土柱，即通過(guò)在異形鋼管中灌裝混凝土從而形成新的組合構(gòu)件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)研究人員為了避免或延緩鋼管局部屈曲，分別采取不同構(gòu)造措施保證鋼管與核心混凝土的協(xié)同工作[4-8]。異形鋼管混凝土柱同時(shí)具有鋼管混凝土柱與異形鋼筋混凝土柱兩種構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)。隨著國(guó)家建設(shè)的不斷發(fā)展，人口城市化比重提高，人們需要大量的住宅及公用設(shè)施，對(duì)居住建筑使用功能要求也逐步提高，同時(shí)我國(guó)屬于地震頻發(fā)地區(qū)，尤其近年發(fā)生的汶川地震和玉樹地震，越發(fā)引起了人們對(duì)住宅結(jié)構(gòu)體系抗震性能及穩(wěn)定性能的重視，異形鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)體系，符合我國(guó)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅的國(guó)情。

異形鋼管混凝土框架作為結(jié)構(gòu)的受力體系，其節(jié)點(diǎn)是連接梁柱的關(guān)鍵部位，尤其在結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了強(qiáng)震進(jìn)入彈塑性階段后，在豎向荷載和橫向荷載組合作用下節(jié)點(diǎn)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)工程抗震的薄弱部位，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)框架體系的抗震性能。滿足構(gòu)造要求且又便于現(xiàn)場(chǎng)施工的梁柱節(jié)點(diǎn)形式對(duì)于框架結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性、安全性具有十分重要的意義。因此，本文借鑒已有的異形鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)了一種新型T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 新型T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

目前，國(guó)外關(guān)于異形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道，國(guó)內(nèi)僅同濟(jì)大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、天津大學(xué)、長(zhǎng)江大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校對(duì)異形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究[9-13]，主要包括異形鋼管混凝土柱-鋼梁內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)、異形鋼管混凝土柱-鋼梁外加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)和異形鋼管混凝土柱-鋼梁外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)。研究者們發(fā)現(xiàn)異形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：1)異形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)[14-18]中的柱肢一般與填充墻等厚，對(duì)鋼管截面尺寸要求較高。當(dāng)異形鋼管混凝土柱-鋼梁內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)中鋼管尺寸較小時(shí)，在內(nèi)部加工加強(qiáng)環(huán)就較為困難，而且管內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量容易受到影響；同時(shí)異形鋼管混凝土柱-鋼梁內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)焊縫較多，施工質(zhì)量不宜保證，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的脆性破壞。2)研究發(fā)現(xiàn)雖然異形鋼管混凝土柱-鋼梁外加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)[19]可實(shí)現(xiàn)較好的抗震性能，但由于加強(qiáng)環(huán)板通常尺寸較大，且設(shè)置于鋼管混凝土外圍，容易影響室內(nèi)的空間布置，與異形鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)避免室內(nèi)柱棱凸出，便于室內(nèi)裝修的初衷不相符。3)異形鋼管混凝土柱-鋼梁外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)[20]是在型鋼管混凝土柱-鋼梁外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。異形鋼管混凝土柱-鋼梁外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力形式明確，施工便捷，不僅克服了異形鋼管混凝土柱-鋼梁外加強(qiáng)環(huán)板式節(jié)點(diǎn)室內(nèi)角部有凸角的現(xiàn)象，同時(shí)避免內(nèi)隔板施工困難以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在梁柱核心區(qū)的混凝土澆筑質(zhì)量無(wú)法得到保證的問(wèn)題，此外，異形鋼管混凝土柱連續(xù)貫通，可工廠預(yù)制，適應(yīng)了工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

為了深入研究異形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能及抗震性能，使其能夠應(yīng)用于高地震烈度區(qū)的高層結(jié)構(gòu)體系中，本文借鑒已有的異形鋼管混凝土柱-鋼梁外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)形式的特點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)了帶側(cè)板連接的新型T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)。此節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式是將異形鋼管混凝土柱-鋼梁外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)的上下外肋環(huán)板加長(zhǎng)形成一塊側(cè)板，滿布于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，將側(cè)板直接焊接于異形鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的外圈，同時(shí)將與異形鋼管混凝土柱焊接的短鋼梁上下端板與側(cè)板焊接在一起。側(cè)板既可以作為約束拉桿的墊板，又可以對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的鋼管進(jìn)行約束加強(qiáng)，能夠在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。此節(jié)點(diǎn)在吸取了外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，保證了核心混凝土在澆筑時(shí)的連續(xù)性、均勻性，同時(shí)也最大化的利用了空間布局，利于室內(nèi)美觀與裝修，滿足了人們對(duì)于建筑高度和空間布局合理化的要求，因此，具有廣泛的應(yīng)用空間。

2 試驗(yàn)概況

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以采用異形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的層高為3.6m的多高層框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，按照1∶2的縮尺比例，選取反彎點(diǎn)在柱中點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)對(duì)此類節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行研究。節(jié)點(diǎn)幾何尺寸、構(gòu)造及三維圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)幾何尺寸、構(gòu)造及三維圖

節(jié)點(diǎn)所用鋼材為Q235B級(jí)低碳鋼，T形鋼管混凝土柱由一個(gè)矩形鋼管混凝土柱和一個(gè)U形鋼管焊接組合而成，矩形鋼管混凝土柱截面為300mm×100mm×5mm，U形鋼管的截面為200mm×100mm×5mm。而設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)所需的工字形鋼梁的截面為250mm×100mm×4mm。在T形鋼管混凝土柱與鋼梁的連接過(guò)程中，T形鋼管與預(yù)設(shè)的短鋼梁進(jìn)行焊接，預(yù)設(shè)短鋼梁由上、下端板和垂直端板組合焊接而成，上、下端板與工字形鋼梁的上、下翼緣焊接連接，工字形鋼梁與短鋼梁腹板通過(guò)夾板和摩擦型高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施與承載力設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。為保證試驗(yàn)過(guò)程中能夠更好地施加軸向荷載，制作了兩個(gè)截面為400mm×400mm×20mm的方鋼板作為T形鋼管混凝土柱上、下兩端的蓋板，先將焊接好的T形空鋼管的一端用端板進(jìn)行焊接密封，焊接過(guò)程中應(yīng)始終保持鋼管截面的平整，并在焊接完成后檢查焊縫質(zhì)量，在滿足要求之后，再進(jìn)行核心混凝土澆筑，澆筑過(guò)程中要保持混凝土的連續(xù)性、均勻性。澆筑完成后養(yǎng)護(hù)28d，再用打磨機(jī)將鋼管混凝土柱的上表面打磨平整，然后焊接另外一塊蓋板，焊縫的要求應(yīng)該嚴(yán)格按照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661—2011)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。所有節(jié)點(diǎn)中鋼管、鋼梁的焊接、混凝土的澆筑以及節(jié)點(diǎn)的安裝固定均由工廠中的專業(yè)工人進(jìn)行操作。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)，對(duì)本試驗(yàn)中所用鋼材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y為341.3MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)u為430.1MPa，伸長(zhǎng)率δ為22%。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測(cè)定所用混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu為33.2MPa。

2.2 試驗(yàn)加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)主要研究節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能，根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)，本試驗(yàn)采用擬靜力試驗(yàn)方法進(jìn)行加載，加載制度如圖2所示。所用設(shè)備為50tMTS操作系統(tǒng)、300t液壓千斤頂系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板等儀器，試驗(yàn)加載示意圖如圖3所示。

圖2 加載制度示意圖

圖3 試驗(yàn)加載示意圖

本試驗(yàn)中的測(cè)量?jī)?nèi)容主要由3部分組成：荷載、水平位移和應(yīng)變。在柱端設(shè)置了一個(gè)壓力傳感器，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)電腦直接記錄荷載數(shù)據(jù)。位移測(cè)量主要包括柱端、柱腳、梁端以及梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)角區(qū)域，測(cè)量?jī)x器主要包括拉伸式位移傳感器7-2～7-4、頂針式位移傳感器7-1,7-5～7-7，位移計(jì)位置如圖4所示。試驗(yàn)中為獲取關(guān)鍵部位的應(yīng)變，將應(yīng)變片在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)、側(cè)板以及節(jié)點(diǎn)連接處分別對(duì)稱布置，共計(jì)70個(gè)，如圖5所示。

圖4 位移計(jì)位置示意圖

圖5 應(yīng)變片示意圖

3 試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象

規(guī)定加載時(shí)以推為正，以拉為負(fù)。首先在柱頂施加496 kN的恒定軸向壓力(設(shè)計(jì)軸壓比為0.2)，并在加載過(guò)程中始終保持穩(wěn)定，之后正式加載時(shí)在柱頂施加水平方向的往復(fù)荷載。當(dāng)柱頂水平荷載加載到14 kN時(shí)，通過(guò)觀察節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)曲線發(fā)生了偏離，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)進(jìn)入彈塑性發(fā)展階段，此時(shí)改為位移控制進(jìn)行加載。節(jié)點(diǎn)水平荷載隨加載位移的不斷增大而增大，當(dāng)繼續(xù)加載至正向15.64 mm時(shí)，工字形鋼梁的上翼緣與側(cè)板連接處發(fā)生了屈曲，如圖6(a)所示。隨著加載位移的不斷增大以及低周往復(fù)荷載的作用，鋼梁上翼緣與側(cè)板連接處屈曲程度不斷增大，在接下來(lái)的負(fù)向加載過(guò)程中，鋼梁上翼緣與側(cè)板連接處產(chǎn)生了細(xì)微的裂紋，應(yīng)變片數(shù)據(jù)明顯增大。隨著加載位移的增大，裂紋反復(fù)張開閉合，并不斷延伸。當(dāng)繼續(xù)加載到負(fù)向18.89mm時(shí)，工字形鋼梁上翼緣與端板連接處發(fā)生撕裂，如圖6(b)所示。與此同時(shí)節(jié)點(diǎn)水平荷載下降，破壞處鋼梁上翼緣的應(yīng)變已經(jīng)超過(guò)鋼板的極限應(yīng)變，當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)向水平荷載下降至極限荷載的85%時(shí)，停止試驗(yàn)。

圖6 節(jié)點(diǎn)破壞圖

從以上試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，柱頂水平荷載通過(guò)側(cè)板連接節(jié)點(diǎn)傳遞給鋼梁，鋼梁的翼緣承受彎矩，腹板承受剪力，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)由側(cè)板與連接短梁組成箱形截面，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)具有良好的傳遞荷載能力。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，鋼梁首先發(fā)生局部屈曲，隨著加載位移的增大，最終上部翼緣產(chǎn)生撕裂。而節(jié)點(diǎn)核心區(qū)和T形鋼管混凝土柱均未發(fā)生明顯變形，從應(yīng)變片的監(jiān)測(cè)可以看出：除了鋼梁，節(jié)點(diǎn)其他位置均處于彈性階段，表明此類節(jié)點(diǎn)形式受力合理，傳力路徑明確，節(jié)點(diǎn)破壞發(fā)生在側(cè)板與鋼梁翼緣相交處，屬于“梁鉸破壞機(jī)制”，符合“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 滯回曲線

節(jié)點(diǎn)的滯回曲線如圖7所示，可以觀察到：1)在加載初期，滯回環(huán)呈線性。2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)屈服后，滯回環(huán)的面積明顯增大。3)在整個(gè)位移加載過(guò)程中，同級(jí)位移加載時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回環(huán)面積基本不變，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)剛度退化不明顯。4)隨著位移級(jí)數(shù)的增加，滯回環(huán)面積不斷增大，逐漸向位移軸傾斜，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在不斷吸收能量的過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)剛度存在一定程度的退化。這是由于鋼梁的上下翼緣在水平荷載作用下產(chǎn)生了局部屈曲和裂紋，而隨著荷載的不斷增加，鋼梁上翼緣處裂紋逐漸貫穿，最終撕裂，整個(gè)節(jié)點(diǎn)的損傷逐漸增大。5)在加載結(jié)束時(shí)滯回曲線呈現(xiàn)飽滿的梭形。

圖7 滯回曲線

4.2 骨架曲線

節(jié)點(diǎn)的骨架曲線如圖8所示。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中，經(jīng)歷了彈性、彈塑性、塑性和破壞四個(gè)發(fā)展階段。在加載初期，曲線為線性，節(jié)點(diǎn)處于彈性階段。隨著荷載的不斷增大，曲線開始呈現(xiàn)出非線性變化，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的鋼梁翼緣產(chǎn)生局部屈曲變形，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入彈塑性階段。節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生屈曲變形的部位退出工作，內(nèi)力重新分布，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性發(fā)展階段，水平荷載增長(zhǎng)速率明顯降低。水平荷載達(dá)到峰值荷載后會(huì)在短時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，鋼梁上翼緣裂縫不斷增大，直到鋼梁上翼緣最終完全撕裂，節(jié)點(diǎn)的水平荷載出現(xiàn)下降。

圖8 骨架曲線

4.3 剛度退化曲線

本文根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)，采用割線剛度Ki來(lái)研究節(jié)點(diǎn)的剛度退化趨勢(shì)。

(1)

式中Fi與Xi分別為每級(jí)正向與反向加載時(shí)荷載-位移曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載和位移。

圖9為剛度退化曲線，從圖中可以看出，總體剛度退化曲線表現(xiàn)較為平緩，隨著加載位移的不斷增大，節(jié)點(diǎn)整體剛度呈現(xiàn)出逐漸退化的趨勢(shì)。在加載初期，剛度退化速率較快，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)屈服以后，隨著加載位移的不斷增大，剛度退化速率逐漸減慢，其原因是加載初期鋼材與混凝土獨(dú)立工作，相互作用不明顯，整體剛度退化明顯。而隨著加載位移的不斷增大，鋼材與混凝土之間協(xié)同工作，相互作用增強(qiáng)，特別是鋼梁屈曲以后，內(nèi)力重新分布，鋼材與混凝土共同承受外部荷載作用，節(jié)點(diǎn)剛度退化較慢。

圖9 剛度退化曲線

4.4 強(qiáng)度退化曲線

強(qiáng)度退化通常采用強(qiáng)度退化系數(shù)λi來(lái)表示：

(2)

圖10 強(qiáng)度退化曲線

4.5 耗能能力

能量耗散系數(shù)E是用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)能量耗散能力的重要指標(biāo)。

(3)

能量耗散簡(jiǎn)圖如圖11所示，表1為經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的各級(jí)能量耗散系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在屈服后有著穩(wěn)定的能量耗散能力。

圖11 能量耗散簡(jiǎn)圖

位移加載中各級(jí)能量耗散系數(shù)E表1

5 結(jié)論

(1)側(cè)板連接新型T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的荷載-位移滯回曲線飽滿，節(jié)點(diǎn)的剛度、強(qiáng)度退化均不明顯，說(shuō)明此種連接方式的節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能。

(2)節(jié)點(diǎn)在側(cè)板與鋼梁相交的上翼緣處破壞，鋼管混凝土柱及節(jié)點(diǎn)域并未發(fā)生破壞，塑性鉸出現(xiàn)在鋼梁上，屬于“梁鉸破壞”模式，符合“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求。

(3)初步分析側(cè)板長(zhǎng)度、厚度等因素可能會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力有影響。