鋼管混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型研究

趙 毅， 段松甫， 牛中浩,2

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.英國布魯內(nèi)爾大學(xué) 土木環(huán)境工程學(xué)院，英國 倫敦 UB8 3PH)

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的力學(xué)性能，已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。鋼管混凝土異形柱具備承載力高、塑性性能好、施工方便、結(jié)構(gòu)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。同鋼筋混凝土異形柱相比，在結(jié)構(gòu)承載力和剛度相同的前提下，鋼管混凝土異形柱可以做到截面更小?？蚣芄?jié)點(diǎn)是梁和柱傳遞彎矩和剪力的紐帶，處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，其力學(xué)性能在建筑結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要，節(jié)點(diǎn)的損壞將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。目前鋼管混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式有：內(nèi)隔板全焊接節(jié)點(diǎn)、外加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)及外肋環(huán)板節(jié)點(diǎn)等[3]，節(jié)點(diǎn)形式少，難以滿足工程實(shí)際多樣性的需求；異形柱截面尺寸較小，內(nèi)部焊接鋼板后，不能保證核心混凝土的澆筑質(zhì)量；外加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)凸出墻體，可能出現(xiàn)露梁露柱的情況，不符合異形柱設(shè)計(jì)的理念。

恢復(fù)力模型是彈塑性時程分析的基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析結(jié)果有著重要影響，國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。其中,張?jiān)碌萚4]基于耗能螺栓連接鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的低周往復(fù)加載試驗(yàn)，建立了新型裝配式節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。王先鐵等[5]針對帶楔形裝置的自復(fù)位方鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，提出了帶楔形裝置自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的簡化恢復(fù)力模型。郟書朔等[6]依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出了單邊高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型，采用四參數(shù)冪函數(shù)模型擬合節(jié)點(diǎn)骨架曲線，給出了節(jié)點(diǎn)在彈性階段和彈塑性階段滯回曲線恢復(fù)力模型。趙毅等[7]基于勁性環(huán)梁式鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)的低周往復(fù)荷載試驗(yàn)及ABAQUS有限元數(shù)值模擬結(jié)果，考慮剛度退化的影響，提出了勁性環(huán)梁式鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的三折線恢復(fù)力模型。唐榕等[8]通過對2個矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下進(jìn)行的擬靜力試驗(yàn)，建立了該類型節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。曾磊等[9]進(jìn)行了5榀比例為1∶4的不同混凝土強(qiáng)度等級及不同軸壓比的框架中節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)加載試驗(yàn)，建立了該節(jié)點(diǎn)考慮剛度退化的三線型恢復(fù)力模型。王文達(dá)等[10]通過分析影響鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)荷載-位移骨架曲線的因素，得到了框架結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型。

因此，本文提出一種新型側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)，側(cè)板平貼于節(jié)點(diǎn)域，高于工字梁并沿其軸線方向外伸一定距離，能夠達(dá)到節(jié)點(diǎn)不突出墻面、柱子與墻體平齊的效果，如圖1所示。側(cè)板對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)起到約束加強(qiáng)的作用，可以在一定程度上提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。與傳統(tǒng)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)相比，這種節(jié)點(diǎn)形式與內(nèi)隔板全焊接節(jié)點(diǎn)相比，具有鋼管連續(xù)貫通可以保證核心混凝土澆筑時的連續(xù)性和均勻性的優(yōu)點(diǎn)；與外加強(qiáng)環(huán)板節(jié)點(diǎn)相比，具有避免梁柱節(jié)點(diǎn)凸出墻體增加建筑整體美觀性、便于室內(nèi)家具布置的優(yōu)點(diǎn)，故該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式不僅具有構(gòu)造簡單、便于施工、傳力明確還兼顧整體美觀的特點(diǎn)。

圖1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式Figure 1 Structural form of specimen

本文通過低周往復(fù)加載試驗(yàn)對有無側(cè)板、側(cè)板長度、有無約束拉桿和不同軸壓比4種影響因素下的7個側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行研究，基于試驗(yàn)結(jié)果建立此類節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型，為節(jié)點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)在彈塑性地震反應(yīng)分析時提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

通過擬靜力試驗(yàn)對7個側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行研究。其中T形鋼管混凝土柱由矩形鋼管和U形槽鋼焊接而成。T形鋼管混凝土柱與工字型鋼梁通過上端板與下端板組成的短鋼梁焊接在一起。試件尺寸參數(shù)如圖2和表1所示。鋼材為Q235鋼，混凝土強(qiáng)度等級為C40。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of specimen

圖2 試件幾何尺寸(mm)Figure 2 Geometric dimension of specimen(mm)

1.2 加載裝置及加載制度

為模擬試件在地震作用下的受力情況，在柱端千斤頂處設(shè)置滑動滾軸，柱底端設(shè)置鉸支座，梁端設(shè)置鏈桿與鉸支座連接，加載裝置如圖3所示。

圖3 加載裝置圖Figure 3 Loading device diagram

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

從圖4可以看出，節(jié)點(diǎn)破壞主要有兩種模式：梁鉸破壞模式和柱鉸破壞模式。

圖4 節(jié)點(diǎn)破壞模式Figure 4 Failure mode of node

產(chǎn)生梁鉸破壞的試件均為側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)試件，它們在整個加載過程中具有相似的破壞歷程。在荷載加載初期，試件均處于線彈性發(fā)展階段，鋼材和混凝土具有穩(wěn)定的承載能力，能夠承受外部荷載。隨著荷載的增加，在側(cè)板端部的工字型鋼梁上下翼緣開始產(chǎn)生局部屈曲，并在受拉過程中產(chǎn)生細(xì)微裂紋，隨著循環(huán)加載的不斷進(jìn)行，裂紋逐漸延伸并反復(fù)閉合，最終進(jìn)入塑性階段，此時工字型鋼梁的上翼緣產(chǎn)生撕裂破壞，如圖4(a)所示。產(chǎn)生柱鉸破壞的是試件JD5，此試件在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沒有設(shè)置側(cè)板。采用的加載方式和加載制度與其他試件相同，產(chǎn)生的試驗(yàn)現(xiàn)象卻不同。試件屈服后T形鋼管混凝土柱與上端板連接處的焊縫首先發(fā)生了開裂，隨著往復(fù)加載的持續(xù)進(jìn)行，鋼管混凝土柱與上、下端板連接處的豎向焊縫也依次開裂，最終破壞如圖4(b)所示?？梢钥闯?，由于側(cè)板對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的加強(qiáng)作用，節(jié)點(diǎn)破壞模式發(fā)生了改變，最終的破壞形式由柱鉸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱恒q破壞，符合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要求的“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)原則。

3 確定骨架曲線

3.1 滯回曲線分析

圖5為各試件的荷載-位移滯回曲線。從圖5中可以看出：①各試件的滯回曲線符合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，沒有出現(xiàn)明顯的捏縮現(xiàn)象。②相同條件下側(cè)板連接的T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)試件的極限承載力明顯大于不帶側(cè)板連接的節(jié)點(diǎn)試件，并且?guī)?cè)板連接節(jié)點(diǎn)試件的極限承載力受軸壓比影響較為明顯，隨著軸壓比的增大，極限荷載分別增加了23%和42%。③約束拉桿對試件極限承載力沒有影響。④與基準(zhǔn)試件相比，側(cè)板長度對試件的承載力無明顯影響。

圖5 各試件的荷載-位移滯回曲線Figure 5 Load displacement hysteretic curves of each specimen

3.2 骨架曲線對比

圖6為7個側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)試件滯回曲線中各級加載的峰值點(diǎn)所對應(yīng)的荷載和位移確定骨架曲線。在加載初期，試件整體具有一定的穩(wěn)定性，能夠承受外部荷載，處于彈性階段。隨著荷載及往復(fù)循環(huán)的增加，試件產(chǎn)生局部裂紋，從而產(chǎn)生損傷，試件從彈性階段進(jìn)入彈塑性階段，試驗(yàn)加載方式改為位移控制加載，隨著加載位移的不斷增大，試件局部產(chǎn)生屈曲，微小裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，試件所能承受的外部荷載增長率開始降低，因此，骨架曲線逐漸趨于平緩。后期隨著加載的進(jìn)行，加載位移繼續(xù)增大，試件內(nèi)部開始產(chǎn)生較大變形，負(fù)向方向上所能承受的荷載逐漸降低，當(dāng)降低到極限荷載的85%時便立即停止試驗(yàn)。

圖6 各個試件骨架曲線對比圖Figure 6 Comparison of skeleton curves of each specimen

4 恢復(fù)力模型

側(cè)板連接T形鋼管混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能良好，能夠滿足在高烈度地區(qū)使用的要求?；謴?fù)力模型是結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能在結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)中的具體體現(xiàn)，為了使得新型節(jié)點(diǎn)在高烈度地區(qū)推廣應(yīng)用，本節(jié)對該節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型進(jìn)行研究。

4.1 確定骨架曲線模型

由于各試件在不同階段的特征值存在較大差異，很難得到其中規(guī)律，本文利用極限荷載Pu和其所對應(yīng)的位移Δu無量綱化處理各個試件骨架曲線，得到無量綱骨架曲線，如圖7所示。

圖7 無量綱骨架曲線Figure 7 Dimensionless skeleton curve

由圖7分析可知，試件在加載過程中分為彈性階段、彈塑性階段及破壞階段，故采用三折線型骨架曲線模型，如圖8所示。圖中A點(diǎn)和A′點(diǎn)分別為正、負(fù)向加載的屈服點(diǎn)；B點(diǎn)和B′點(diǎn)分別為正、負(fù)向加載的峰值點(diǎn)；C與C′點(diǎn)分別為正、負(fù)向破壞點(diǎn)。

圖8 三折線型骨架曲線模型Figure 8 Three fold skeleton curve model

利用回歸方程計(jì)算側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)試件的骨架曲線，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖9所示。從圖9中可以看出兩者較為吻合，能夠較好地說明在外部荷載作用下側(cè)板連接節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線發(fā)展階段，同時也驗(yàn)證了此模型的正確性。

圖9 骨架曲線對比圖Figure 9 Skeleton curve comparison chart

4.2 剛度退化

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)過程中試件的剛度存在一定程度的退化。為了對試件的剛度退化進(jìn)行分析，本文采用試件在加載或卸載過程中滯回曲線的斜率K來進(jìn)行表示。K0表示節(jié)點(diǎn)的初始剛度，K1和K4分別表示正向荷載作用時節(jié)點(diǎn)的卸載剛度和加載剛度，K2和K3分別表示負(fù)向荷載作用時節(jié)點(diǎn)的卸載剛度和加載剛度，其中Δ1、Δ2分別為正向和反向卸載時所對應(yīng)的位移，Δu為峰值荷載所對應(yīng)的位移。圖10展示了試驗(yàn)過程中試件各個階段的剛度退化曲線。

圖10 剛度退化曲線Figure 10 Stiffness degradation curve

其中正向卸載剛度K1與初始剛度K0+之間的關(guān)系為

(1)

反向卸載剛度K2與初始剛度K0-的關(guān)系為

(2)

反向加載剛度K3與初始剛度K0-的關(guān)系為

(3)

正向加載剛度K4與初始剛度K0+的關(guān)系為

(4)

4.3 滯回規(guī)則

從試驗(yàn)得到的滯回曲線可以看出，在低周往復(fù)荷載作用下試件剛度不斷退化，采用三線退化型恢復(fù)力模型能夠較好地反映試件荷載和位移的關(guān)系，如圖11所示。

圖11 剛度退化三線型恢復(fù)力模型Figure 11 Stiffness degradation trilinear restoring force model

4.4 恢復(fù)力模型驗(yàn)證

根據(jù)骨架曲線結(jié)合上述剛度退化規(guī)律與滯回規(guī)則，構(gòu)建側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果如圖12所示。

圖12 滯回曲線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Figure 12 Hysteresis curves compared with experimental results

由圖12可知，新型側(cè)板連接T形鋼管混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型較好地反映了該節(jié)點(diǎn)的滯回特性，經(jīng)過計(jì)算得到的滯回曲線與試驗(yàn)所得吻合良好，此節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型可為以后該類節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(1)在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)采用側(cè)板連接的方式能夠明顯提高T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)試件的承載能力和耗能能力等各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)，約束拉桿與側(cè)板長度對試件的承載力影響并不明顯。

(2)軸壓比較大的試件在受到外部荷載作用時所能承受的荷載也較大，并且在加載后期，隨著加載位移的不斷增大，試件最終破壞時承載力沒有產(chǎn)生明顯下降。

(3)利用滯回規(guī)則與剛度退化規(guī)律建立了側(cè)板連接T形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型，計(jì)算得到的滯回曲線與試驗(yàn)得到的滯回曲線吻合較好。