某建筑雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

朱 帥 （甘肅筑鼎建設(shè)有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

近年來，混凝土填充雙鋼管（CFST）結(jié)構(gòu)因其施工快速、性能優(yōu)越而被用作預(yù)制結(jié)構(gòu)[1]，且混凝土填充雙鋼管（CFDST）柱由內(nèi)圓管和外方管組成，內(nèi)圓管和外方管均填充有混凝土。因此，該柱子具有承載力大、塑性好、韌性強(qiáng)、耐火性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。螺栓連接是預(yù)制鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的連接類型。目前，已有學(xué)者對螺栓端板或T 形板將鋼管混凝土柱連接到鋼梁進(jìn)行研究[3]。薛建陽[3]對方形管柱進(jìn)行帶有焊接T形板的貫穿螺栓接頭測試，對十個螺栓端板接頭進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)和有限元建模，結(jié)果表明，T 型板的類型對節(jié)點(diǎn)的抗震性能有顯著影響；吳強(qiáng)[4]對帶T形板的梁柱螺栓連接進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究表明，螺栓連接具有良好的力學(xué)性能，如承載力大、延性好、初始轉(zhuǎn)動剛度強(qiáng)。但目前較少將盲螺栓連接應(yīng)用在雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，且由于盲孔螺栓可以嵌入實(shí)心雙鋼管混凝土柱中，因此可以更有效地傳遞力，提高抗震性能[5]。因此，使用盲螺栓連接的雙管柱在理論和實(shí)踐上都更有意義。對空心雙圓鋼管柱和空心雙方鋼管柱進(jìn)行了螺栓連接試驗(yàn)研究，設(shè)計六個接頭試件，并在低頻循環(huán)荷載下進(jìn)行了測試。

1 試驗(yàn)方法與材料

1.1 試樣設(shè)計

根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JGJ 138-2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，按照“強(qiáng)柱弱梁”原則設(shè)計了五個盲孔螺栓連接試件，分別編號為BBJ1、BBJ2、BBJ2D、BBJ3 和BBJ4，以及一個通孔螺栓連接試件，編號為PBJ。鋼梁的上下翼緣通過預(yù)先擰緊的高強(qiáng)度螺栓與T 型板腹板連接。外方鋼管與T 型板翼緣之間采用盲孔螺栓或通孔螺栓連接[6]，以實(shí)現(xiàn)CFDST柱與鋼梁之間的預(yù)制連接。螺栓孔事先在圓形和方形鋼管上鉆好。然后，對準(zhǔn)螺栓孔，將鋼管同心放置并焊接到底板上。將盲孔螺栓插入內(nèi)鋼管后，通過標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固件將擴(kuò)口套筒推到螺栓頭上。錨頭浸入混凝土填充物中，并卡在內(nèi)鋼管中。

錨頭可提供更高的盲孔螺栓抗拉強(qiáng)度和剛度[7]。柱的總高度為2070mm，梁的總長度為3700mm。內(nèi)圓鋼管的橫截面尺寸為194mm×6mm，外方鋼管的橫截面尺寸為280mm×6mm。使用了兩種H型鋼梁，截面尺寸分別為346mm×174mm×6mm×9mm 和350mm×175 mm×7mm×11mm。試驗(yàn)中的T 型板選擇了兩種不同的截面（250mm×200mm×9mm×14m 和250mm×200mm×12mm×20mm）。盲孔螺栓和通孔螺栓均為M20 型螺栓。試件的主要試驗(yàn)參數(shù)見表1，其中軸向壓縮比n根據(jù)CFST柱統(tǒng)一理論的計算方法設(shè)定為0.275。

表1 試樣參數(shù)

1.2 材料特性

混凝土立方體試件邊長為150mm，按照普通混凝土力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)[8]。兩組混凝土立方體的平均實(shí)測抗壓強(qiáng)度為60MPa，實(shí)測彈性模量為36.142MPa。標(biāo)準(zhǔn)拉伸方鋼管、圓鋼管、T 型板、鋼梁和加勁肋試件均從相應(yīng)批次的鋼材中切割而成。表2為每組試樣的平均值。

表2 材料特性

1.3 試驗(yàn)裝置和加載方法

為了模擬真實(shí)地震，在柱頂部施加荷載進(jìn)行低周循環(huán)荷載試驗(yàn)。水平致動器的載荷范圍為±100t，位移范圍為±200mm。使用300t 液壓千斤頂垂直施加恒定的軸向力。立柱底部通過球面鉸鏈支撐與底座連接，梁端設(shè)置水平橫向支撐。鉸接邊界條件是通過南北梁端的垂直支撐實(shí)現(xiàn)的，且試驗(yàn)中使用了荷載和位移混合控制模式[9]。

電液伺服加載系統(tǒng)自動記錄了荷載-位移曲線，位移和應(yīng)變由隔離的測量吊艙系統(tǒng)自動記錄，所有試樣均采用相同的方案。圓周和垂直單軸應(yīng)變片分別布置在鋼管內(nèi)壁和外壁的上部、中部和下部位置。單軸應(yīng)變片布置在T形板凸緣、靠近連接處的T形板腹板和螺栓處。在面板區(qū)的角點(diǎn)和中心位置布置了應(yīng)變片，在加勁肋的中心位置有一個應(yīng)變片[10]。單軸應(yīng)變片布置在上下鋼梁翼緣上，應(yīng)變點(diǎn)距離T型板腹板100mm，距離鋼梁邊緣10mm。在梁翼緣應(yīng)變片所在的同一截面上，距離梁翼緣20mm 處的梁腹板中心軸上也有應(yīng)變片。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 荷載和位移變化

表3為低頻循環(huán)荷載試驗(yàn)中獲得的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)和破壞點(diǎn)相應(yīng)的荷載和位移。延性是用來反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在屈服后充分利用塑性變形能力的指標(biāo)。延性系數(shù)是破壞點(diǎn)與屈服點(diǎn)的位移比。由于帶有T 型板的螺栓連接是一種典型的半剛性連接，因此從表中可以看出，試樣的位移延性系數(shù)在3.21～11.80 之間。因此，CFDST 柱的盲孔連接試件具有良好的延性，符合建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求。螺栓連接的承載能力是施加在支柱頂部的最大橫向荷載。正反方向的平均值用于進(jìn)行參數(shù)分析。與通孔螺栓連接的PBJ 相比，試樣BBJ2只用盲孔螺栓將T型板與CFDST柱連接起來?？梢园l(fā)現(xiàn)，盲孔螺栓連接BBJ2 的初始剛度稍小，最大側(cè)向荷載接近PBJ，而BBJ2 的延性系數(shù)遠(yuǎn)大于PBJ。因此，盲釘接頭在承受極限荷載時表現(xiàn)出極佳的變形能力和穩(wěn)定性。

表3 測試結(jié)果

試樣BBJ4 的鋼梁橫截面更大，即使鋼梁翼緣與T型板腹板之間的連接螺栓被切斷，其最大載荷（Py）也最大。盡管BBJ4的連接螺栓失效，但其承載能力比具有相同T型板的BBJ3高出34%。同時，載荷-位移的初始剛度也明顯增加。T型板的翼緣板厚度對荷載-位移曲線的影響顯而易見。翼緣厚度為20mm的BBJ3的極限位移（△y）為172mm，比翼緣厚度為14mm的BBJ1高出13%，且承載能力也提高了13%，這歸功于較厚的T型板凸緣提高了抗彎強(qiáng)度。由于T 型板是梁柱連接中的主要傳力構(gòu)件，因此翼緣較厚的T型板在鋼梁屈服后的承載能力和結(jié)構(gòu)變形均較高。

由于帶肋試樣BBJ2和BBJ2D中T形板的變形形式發(fā)生了變化，其初始剛度大于沒有加勁肋的試樣BBJ1。最大側(cè)向荷載也明顯增加，但變形能力相對降低。每個T型板上都有單肋的BBJ2的承載能力比沒有加筋的試樣BBJ1高36%，而每個T型板上都有雙肋的BBJ2D的承載能力比BBJ1高40%。有加勁肋的試樣BBJ2、BBJ2D和PBJ的平均延性系數(shù)分別為5.30、4.09和4.48。延性系數(shù)大大低于無加勁肋的試樣，但承載能力卻提高了30%～40%。這表明，在T型板上使用加勁肋可以改變力的傳遞路徑，顯著提高承載能力。試樣BBJ3和BBJ2與BBJ1的比較表明，BBJ3中加厚T形板翼緣的鋼量是BBJ2中一條加勁肋的兩倍多，但BBJ3和BBJ2的承載能力與BBJ1相比分別提高了13%和36%。由此可以得出結(jié)論，安裝加勁肋比加厚T形板翼緣板更有效。

2.2 盲板螺栓與內(nèi)管之間的力傳遞規(guī)律

在盲孔螺栓拉出模型中，內(nèi)管的測量應(yīng)變值較大。因此，盲孔螺栓在柱頂水平推力和拉力的作用下交替工作。圖1為在盲板螺栓拉出的瞬間，柱頂?shù)睦ξ灰婆c下點(diǎn)內(nèi)鋼管垂直應(yīng)變之間的關(guān)系。在加載初始階段，試樣處于彈性階段，內(nèi)鋼管的應(yīng)變隨著荷載的增加而略有變化。隨著荷載繼續(xù)增加，每個試樣的T型板的翼緣板和腹板相繼屈服，應(yīng)變逐漸增加。對于PBJ，內(nèi)鋼管通過通孔螺栓在整個CFDST 柱中工作。因此，內(nèi)鋼管始終處于彈性階段。由于內(nèi)鋼管直接受力，盲孔螺栓連接的應(yīng)變響應(yīng)與此截然不同。如圖1所示，雙鋼管的應(yīng)變迅速增加，在失效階段全部超過屈服應(yīng)變。這表明盲板連接中的雙鋼管產(chǎn)生了強(qiáng)大的錨固力，保證了梁柱連接中的力傳遞。對于試樣BBJ1、BBJ2、BBJ2D和BBJ3，內(nèi)鋼管的應(yīng)變幾乎相同，因?yàn)閱我活愋偷匿摿和ㄟ^盲孔螺栓產(chǎn)生的拉力相似。然而，由于T型板的加勁肋和翼緣板厚度不同，這四個試樣的承載能力明顯不同?？梢缘贸鼋Y(jié)論，當(dāng)盲板螺栓處于拉伸狀態(tài)時，不同的T 型板對承載能力沒有明顯影響，但當(dāng)T型板處于壓縮狀態(tài)時，影響變化較大。對于橫截面比BBJ1 更大的鋼梁試樣BBJ4，內(nèi)部鋼管的應(yīng)變迅速增加。與此同時，承載能力卻大大提高。此外，由于內(nèi)鋼管嵌入內(nèi)外混凝土之間，盲孔螺栓錨固頭周圍的應(yīng)力集中并不明顯，雙鋼管壁繼續(xù)提供更大的阻力，直至鋼梁彎曲破壞。

3 結(jié)語

對雙鋼管混凝土柱的六個接頭進(jìn)行恒定載荷抗震測試。設(shè)計盲螺栓連接是為了利用雙鋼管混凝土柱中雙鋼管的優(yōu)勢。接頭的破壞起始于T型板的屈服，最終的破壞模式是在梁端形成塑性鉸。試驗(yàn)結(jié)果表明，盲孔螺栓連接的初始剛度略小于通孔螺栓連接，但承載能力基本相同，延性明顯提高。與每個T型板上都沒有加勁肋的試樣相比，每個T型板上都有單筋的接頭的承載能力提高36%。T型板翼緣厚度為20mm的連接件的承載能力比翼緣厚度為14mm 的連接件提高13%。根據(jù)鋼材體積比較發(fā)現(xiàn)，安裝加勁肋比加厚T型板翼緣板的效果更好。