裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接抗震加固設(shè)計研究

李力怡，馬江萍，劉清穎，楊 燕

(西安培華學(xué)院 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，陜西 西安 710125)

在裝配建筑中，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)質(zhì)量重、施工麻煩。而鋼材屬于一種新型材料具有質(zhì)量輕、施工方便、節(jié)省資源等特性，剛好可以彌補傳統(tǒng)鋼筋混凝土的缺點。與傳統(tǒng)混凝土相比鋼材：質(zhì)量輕，抗震性好；材質(zhì)均勻，延展性好；施工簡單，易于操作，成本相對較低。本文就裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接抗震加固設(shè)計，通過對鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓進行試驗(加載、測量、鋼化等)，對其抗震性進行研究。

1 試驗與方法

1.1 試件設(shè)計

試驗選取5個裝配式鋼管混凝土柱試件，編號分別為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5。主要試驗?zāi)康臑闇y試鋼管混凝土柱試件的螺栓直徑、軸壓比、加勁肋、端板厚度和混凝土強度。試件選取梁柱反彎點間距為2 010 mm的典型單元，梁端加載點與梁端柱面處的間距為1 400 mm的T形試件。如表1所示為試件的主要參數(shù)，其中鋼骨、梁和柱采用相同型號；螺栓采用8.8級長螺栓，分別為M16和M20兩種，屬于高強度摩擦型長螺栓。梁截面：為寬度；為高度；為壁厚；為立方體抗壓強度；為軸心抗壓強度；為彈性模量。柱截面：為公稱內(nèi)徑；為公稱高度；為公稱寬度；為壁厚；為鋼管數(shù)量。

表1 試件主要參數(shù)

1.2 試件制作及材性試驗

該試件采用的水泥為普通水泥，其中水泥的強度等級為42.5級，粗集料采用級配良好且最大粒徑為10 mm的卵石，混凝土外加劑選用JT-B1外加劑。實驗所含有的主要作用成分(質(zhì)量占比)為：水(180)：水泥(525)：細集料(786)：粗集料(100)：外加劑(JT-B1)。實驗利用攪拌機對混凝土進行拌和，澆筑時為了混凝土更加密實，可以在頂部進行從上往下的澆筑，同時再使用鋼筋在方鋼管柱內(nèi)進行插搗，最后結(jié)尾時需要將混凝土頂部與鋼管上截面抹平。然后靜置自然養(yǎng)護，15 d之后將浮漿層去除，并在柱頂或其他位置使用高強混凝土實現(xiàn)鋼管與鑿去浮漿層后的裸露的混凝土表面之間尺寸一致，最后在進行蓋板操作，保證鋼骨、鋼管和核心混凝土受力均勻。該實驗需要制作3個標準立方體試塊和3個標準棱柱體試塊，試塊大小分別為：160 mm×160 mm×160 mm、160 mm×160 mm×310 mm，然后靜置自然養(yǎng)護。如表2所示為鋼材的各項力學(xué)指標，根據(jù)該領(lǐng)域的相關(guān)要求，實驗的比例系數(shù)=5.65，在實驗當天進行混凝土力學(xué)實驗(抗壓強度和彈性模量)。

表2 鋼材各項力學(xué)指標

1.3 加載方案

該實驗梁端低周反復(fù)荷載采用HLAW-2000KN電液伺服加載系統(tǒng)，設(shè)置作動器位移行程為250 mm左右。如圖1所示為加載裝置簡易示意圖。

A-鋼架；B-荷載傳感器；C-液壓千斤頂；D-H形鋼梁；E-螺桿；F-球鉸；G-試件；H-鋼敦；I-作動器；J-側(cè)向支持

1.4 測量內(nèi)容

電液伺服加載系統(tǒng)通過自動采集數(shù)據(jù)來測量荷載-位移滯回關(guān)系曲線，該測量器在鋼梁的各個節(jié)點(鋼梁上、下翼緣、腹板以及端板等)都設(shè)置了電阻應(yīng)變片。如圖2所示為位移計布置示意圖，和表示測量組合柱水平位移；和表示核心區(qū)的剪切變形；表示測梁柱間的相對位移；和表示梁的豎向位移。

圖2 位移計布置示意圖

2 試驗現(xiàn)象及破壞模式

2.1 試件1

試件1隨水平位移程度變化各部分工作狀態(tài)及破壞現(xiàn)象如表3所示。

表3 試件1隨水平位移程度變化各部分工作狀態(tài)及破壞現(xiàn)象

由表3可知，當試件1水平位移小于等于16 mm時，未出現(xiàn)裂紋等問題，此時試件仍處于彈性工作狀態(tài)；隨著試件水平位移的不斷增大至16～18 mm時，試件出現(xiàn)裂紋Ⅰ，該裂紋位置如表3中所示；當試件水平位移為18～24 mm時，裂紋Ⅰ整體位置不變，但開始沿鋼梁垂直方向延伸；當試件水平位移為22～28 mm時，裂紋Ⅰ最大寬度已高達0.77 mm，同時裂紋Ⅰ所處位置的CFDST 柱的外鋼管鼓出出現(xiàn)第2處破壞“突出Ⅱ”；試件1水平位移達到28～32 mm后，試件右側(cè)CFDST 柱的柱底被壓屈，此時出現(xiàn)第3處破壞“屈曲Ⅲ”；當試件1水平位移達到40～48 mm時，試件左側(cè)CFDST 柱發(fā)生屈曲，此時出現(xiàn)第4處破壞“屈曲Ⅳ”；當試件1水平位移達到64 mm時，試件中各承重及傳遞彎矩部件已基本失靈，試件1承載能力急劇下降；當水平位移超過72 mm后，試件1承載結(jié)構(gòu)基本被完全破壞。

2.2 試件2

試件2與試件1相比，在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了一定變化，即采用了加強塊梁柱連接方式，因而其隨水平位移程度增強帶來的破壞位置、類型等均發(fā)生了變化，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表4 試件2隨水平位移程度變化各部分工作狀態(tài)及破壞現(xiàn)象

由表4可知，試件2水平位移在16 mm以內(nèi)時，與試件1同樣處于彈性工作狀態(tài)，此時未出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)破壞；試件2水平位移在16～20 mm時，試件1CFDST 柱內(nèi)部填充混凝土首次出現(xiàn)破壞，主要表現(xiàn)為聲響，此時記錄為“聲響Ⅰ”；當水平位移為20～24 mm時，試件2梁翼緣和端部蓋板的間隙增大，且二者之間進行連接的高強度摩擦型螺栓出現(xiàn)滑動，此時破壞類型記錄為“滑動Ⅱ”；當水平位移達到32～36 mm時，試件2多處出現(xiàn)破壞；當水平位移達到48～56 mm時，試件2 CFDST 柱的柱腳區(qū)域出現(xiàn)壓屈現(xiàn)象，此時記錄為“多處破壞Ⅲ”；當水平位移達到64 mm后，試件2梁柱連接處發(fā)生嚴重破壞，此處外鋼管明顯鼓起，記錄為“鼓起Ⅳ”。由于試件2加強塊的存在，該試件因破壞而承載力下降幅度較試件1更加緩慢。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 滯回性能

鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接抗震性的主要表征是滯回曲線和骨架曲線。通過實驗得出5個試件的-Δ滯回曲線都相對飽滿，因此可以得出該試件具有良好的耗能能力。當荷載較小時，5個試件的位移和彎矩均呈線性狀態(tài)，根據(jù)包辛格效應(yīng)可以得出，在正、負2個方向上滯回曲線均不對稱。由此可知，荷載和位移對滯回環(huán)的飽滿程度有影響，對試件的耗能能力有影響。此外，破壞模式對滯回曲線形狀也具有較大的影響(分弓形、梭形和倒S形)。當端板控制承載力時，試件Ⅰ-1、Ⅰ-4和Ⅰ-5的滯回曲線呈弓形；當螺栓控制承載力時，試件Ⅰ-2的滯回曲線呈倒S形；當鋼梁控制承載力時，試件Ⅰ-3滯回曲線呈梭形。因此，螺栓的脆性破壞對端板螺栓連接節(jié)點具有重要影響，在進行設(shè)計時，應(yīng)該注意避免脆性破壞發(fā)生。

3.2 剛度退化

剛度退化是結(jié)構(gòu)反應(yīng)的一個過程，可以表示試件在加載過程中的剛度變化。其計算公式是荷載絕對值(正、負2個加載方向荷載的最大值)之和與位移絕對值之和的比，即：

式中：表示第級時試件的割線剛度；+表示第級時試件正向最大荷載；-表示第級時試件負向最大荷載；+和-分別對應(yīng)第級時試件正、負2個方向最大荷載所對應(yīng)的位移。

將5個試件的剛度變化劃分為3個階段：

(1)當Δ<30 mm時，由于裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接在一定程度增強了試件的抗側(cè)剛度，因此，試件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割線剛度相近且大于試件Ⅰ-1；

(2)當30 mm≤Δ≤40 mm時，試件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割線剛度接近試件Ⅰ-1；

(3)當Δ>40 mm時，試件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割線剛度更大，裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接對試件Ⅰ-1抗側(cè)剛度影響很小。

4 結(jié)語

(1)試件半剛性節(jié)點，其抗震強度隨端板厚度和螺栓直徑增大呈上升趨勢；

(2)當控制試件的承載力不同時，滯回曲線的形狀受影響較大，會隨承載力的變化呈分弓形、梭形和倒S形變化；

(3)當端板和鋼梁控制承載力時，對框架的承載力、剛度和延性的影響很小，可以有效改善框架的延性，對提高框架承載力和抗震性具有重要意義。