带有芯钢管的圆钢管混凝土中节点抗震性能试验研究.pdf

1 6 0 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 6 期 2 0 1 2年 1 2月 带有芯钢管的圆钢管混凝土中节点抗震 性能试验研究 王毅红 ， 高 磊 ， 关宏洁。 ， 高 翔 ( 1 长安大学建筑工程学 院， 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ； 2 中国建筑西北设计研究院， 陕西 西安7 1 0 0 1 8 ； 3 西安欧亚学院， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 对一种有芯钢管的钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接节点进行研究， 该种节点中断节点区钢管混凝土 柱的外钢管 ， 使钢筋混凝土梁中的纵筋在节点区直通。通过 2个缩尺节点模型在低周反复荷载作用下的拟静力试 验 ， 验证该种节点承受反复荷载的合理性和可行性。试验表明， 试件破坏始于梁受弯塑性铰的出现， 直到试件达到 极限承载力， 节点区芯钢管、 竖筋、 箍筋、 混凝土均完好， 节点符合“ 强柱弱梁， 强节点弱构件” 的抗震要求。试验所 得滞回曲线反映节点试件具有较好的耗能能力和位移延性。观察试件的破坏形态， 节点核心区芯钢管、 竖筋没有 出现锚固破坏现象， 说明节点芯钢管锚固长度足够， 节点构造合理。 关键词： 钢管混凝土； 芯钢管； 节点； 抗震性能； 轴压比； 试验研究 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 61 6 0 0 4 Ex p e r i me n t a l s t u d y o n s e i s mi c pe r f o r ma n c e o f mi d- p o i n t i n t h e c o n c r e t e fil l e d c i r c u l a r s t e e l t u b u l a r wi t h c o r e s t e e l t u b e WA N G Y i h o n g ， G A O L e i ， G U A N H o n g j i e ， G A O X i a n g ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， C h a n g a n U n i v e r s i t y ， X i a l l 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a ； 2 C h i n a No rt h we s t B u i l d i n g De s i g n Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Xi an 71 0 01 8， C h i n a ； 3 X i a n E u r a s i a U n i v e rsi t y ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： A n e w k i n d o f j o i n t i s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r ， w h i c h j o i n s t h e R C b e a m a n d C F S T c o l u m n t o g e t h e r T h i s j o i n t i n t e r r u p t s t h e o u t e r s t e e l p i p e o f C F S T c o l u m n ， S O t h e l o n git u d i n a l b a r i n t h e R C b e a m c o u l d p a s s t h r o u g h t h e j o i n t B y t w o j o i n t o f s c a l e m o d e l u n d e r l o w r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g s ， v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y a n d r a t i o n al i t y o f t h i s j o i n t S p e c i m e n s a r e d a m a g e d b e gi n w i t h p l a s t i c h i n g e o c c u r r i n g U n t i l t h e s pe c i me n s r e a c h t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y ， t h e c o r e o f s t e e l t u be ， v e r t i c al s t e e l ， s t i r r u p a n d c o n c r e t e a r e i n g o o d c o n d i t i o n Th e j o i n t s a t i s f y t h e s e i s mi c b e h a v i o r o f “ s t r o n g c o l u m n - w e a k beam s t r o n g j o i n t w e a k s t r u c t u r e uni t ” T h e h y s t e r e t i e c u r v e s r e fl e c t t h a t t h e j o i n t h a v e g o o d b e a r i n g c a p a c i t y a n d d u c t i l i t y ，O b s e r v i n g t h e f a i l e d s p e c i m e n s ， t h e anc h o ri n g f ai l u r e o f t h e c o r e s t e e l t u b e i n j o i n t c o r e p o s i t i o n d o e s n o t a p p e ar w h i c h i n d i c a t e t h a t t h e a n c h o r a g e l e n g t h o f t h e c o r e o f s t e e l t u b e i s a d e q u a t e ， t h e s t ruc t u r e o f t h e j o i n t i s r e a s o n a b l e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r ； c o r e s t e e l t u b e ； j o i n t s ； s e i s m i c b e h a v i o r ； a x i a l c o m p r e s s i o n r a ti o ； e x p e ri m e n t al s t u d y 0 引 言 钢管混凝土结构在高层建筑中取得了广泛的应 用和发展 ， 其 中钢管混凝土节点是结构设计 中的关 键技术问题 ， 特别是钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁 的连接节点仍存在诸多问题lL 1 引， 本文研究一种带有 芯钢管的新型节点 ， 在节点区中断钢管混凝土柱的 外钢管， 让钢筋混凝土梁在节点区保持贯通， 节点内 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 7 1 2 作者简介 ： 王 毅红 ( 1 9 5 5一) ， 女 L U东烟 台人 ， 教授 ， 博 士研究 生导 师 ， 主要从事混 凝土 、 砌体及工程抗震研究与教学工作 基金项 目： 陕西 省 自然科学基金项 目( 2 0 0 6 E 2 0 8 ) E m a i l ： wa n g y h c h d e d u c n 设芯钢管保持柱的连续性。该种节点在竖向荷载作 用下的性能已有一些研究 ， 研究结果表明节点构造 合理 ， 受力性能优越 引， 但节点在水平往复荷载作 用下盼l生能尚未研究 。本文设计了两个缩尺模型试 件 ， 采用拟静力方法 ， 对其施加低周反复荷载 ， 探讨 该种节点构造的合理性 ， 承受地震作用 的性能以及 试件破坏的模式、 位移、 延性等 。为该种节点的理论 研究和工程应用提供参考。 1 试验设计 1 1 试件设计 本文试验取框架上下柱反弯点 、 左右梁反弯点 之间的“ 十” 字形部分作为试验单元 ， 设计了两个相 王毅红， 等： 带有芯钢管的圆钢管混凝土中节点抗震性能试验研究 1 6 1 同的 1 ： 3 缩尺的中节点试件 。试件尺寸及配筋如图 1 所示。 砭 I I I( ( ) )H 1 I l 1 1 2 5 【 1 6 5 L 1 1 2 5 图 1 试 件 尺 寸 配 筋 Fi g 1 S e c t i o n d i me n s i o n a n d r e i n f o r c e me n t d e t a i l s o f s p e c i m e n s 1 2试件材料性能 1 3试验方案 试件所用钢材的力学性能见表 1 。混凝土的立 梁内纵筋 、 箍筋应变测点布置， 外钢管 、 芯钢管 方抗压强度为 3 4 4 8 N ra m ， 弹性模量为 3 0 71 0 和混凝 土表 面应变测点布置， 仪表 A、 B、 C 、 D的布 N mm 置如图 2所示 。 表 1 试件材料 力学性能试验结果 Ta bl e 1 Te s t r e s u l t of me c h an i c a l pr o pe r t i es of mat e r i al s o f t he s pe c i m e ns 匿 l I(订 西 H h 差 筐 一 l = - 图 2 应变测点及位移 测量仪表布置 Fi g 2 La yo ut o f s t r a i n g a ug e s a nd di s p l a c e me nt me a s ur e m e n t 试件利用反力架固定 ， 通过 5 0 0 k N液压千斤顶 M T S作动器施加低周反复荷载。 施加柱顶荷载， J D C l轴压 比按 0 2计算 ， J D c 2轴 试验加载采用位移控制方法 ， 以荷载一 位移 曲线 压 比为 0 4 ， 柱底设置球铰。两侧梁 端各布置两个 中荷载下降至最大荷载的 8 5 时为破坏。每 步位 1 6 2 四川建筑科学研究 第 3 8卷 移为 2 mm， 前 4步循环一次 ， 从第 5步开始 ， 每步循 环 3次 。 节点的荷载一 位移滞 回关 系曲线由 M T S加载系 统 自动进行采集 ， 试件的应变、 位移和转角等数据由 计算机采集， 并在试验的全过程中对外钢管、 芯钢 管、 节点核心区和钢筋混凝 土梁 的变形和应变变化 进行实时监测 。 2 试 验现 象及破坏过程 J D c 1位移加载在 +6 m m时 ， 两侧梁根部 出现 水平方向微小裂缝 ， 宽度大约 0 0 2 mm； 在 +8 m m 时， 左侧梁上表面靠近梁根部出现长约 5 m m裂缝 ； 在 一8 mm时， 左侧梁距根部 1 8 c m处及右侧梁距根 部 1 5 e m处 出现竖直方 向裂缝 ； 在 一1 0 m m时， 钢管 混凝土柱与钢筋混凝土梁连接部位出现竖 向裂缝 ， 梁侧面中间部位有微小斜裂缝出现 ； 在 +1 2 mm时 ， 连接处裂缝变宽 ， 梁底 出现从根部 向外发散的沿梁 长方 向裂缝 ； 在 +1 4 ra m时 ， 梁根部裂缝继续 变宽 ， 已出现裂缝 长度 和宽度 均有发 展 ， 在距 梁根部 4 c m、 1 3 c m、 2 5 c m处有薪裂缝出现 ； 在 +1 8 mm时， 裂缝继续加大且向中部延伸 ， 梁底靠 根部 出现水平 裂缝 ， 长度最大已超过 2 c m； 在 +2 6 mm时， 斜裂缝 数量增加 ， 连接处裂缝加大且贯穿 ， 有少量混凝土碎 渣掉落 ， 部分裂缝相互连接； 在 +3 4 mm时， 根部混 凝 土开始 大量脱落； 在 + 4 0 m m时 ， 相邻裂缝连通 ， 混凝土侧 面表皮脱落 ， 纵筋裸露 ； 在 + 5 8 m m时 ， 荷 载下降到最高荷载的 8 5 以下 ， 试验结束 。 J D c 2位移加载在 一 4 m m时， 左侧梁下部距柱 1 6( 3 m和右侧梁上部距柱 8 e m处出现竖 向裂缝 ； 在 一 8 mm时 ， 左侧梁下部 1 0 c m和 2 5 e m处 出现竖向 裂缝 ； 在 + 8 m m时， 梁侧竖向裂缝增多 ， 梁和柱的连 接位置 出现裂缝 ； 在 一8 mm时， 左侧梁根部 出现斜 裂缝 ， 梁侧 出现竖 向新裂缝 ； 在 +1 0 m m时 ， 右侧梁 底部出现沿梁长方向裂缝 ， 梁侧的竖 向裂缝有 向底 部延伸 的趋势 ， 梁侧 出现竖 向新 裂缝 ； 在 +1 4 m m 时， 梁侧出现新斜裂缝 ， 原有裂缝变宽 ； 在 一1 4 m m 时 ， 左侧梁裂缝 由侧 面延伸 到地面 ， 柱 边缘裂缝加 宽； 在 +1 8 m m时， 部分裂缝发展为倾斜； 在 一l 8 m m时， 梁柱连接处裂缝贯通 ， 有 细碎混凝土掉落 ； 在 一2 8 m m时 ， 裂缝继续加大 ， 最大 裂缝 已达 到 5 mm， 循环过程中右侧梁根部混凝土掉落 ， 可见钢筋 ； 在 + 4 0 mm时 ， 梁柱连接处混凝土掉落较多， 侧面斜 裂缝变宽； 在 + 5 2 m m时， 裂缝进一步扩大， 侧面混 凝土掉落较多 ， 侧面斜裂缝变宽 ； 在 +5 8 mm时， 荷 载下降到最高荷载的 7 5 以下 ， 试验结束。试件破 坏形态如图3所示。 f a 1 J D- C1 试件 最终破 坏形 态 ( b ) J D - c2 试件最终破坏形态 图 3 试 件 J D C l 及 J D c 2破坏状况 Fi g 3 Th e f a i l u r e p a t t e r n o f s p e c i me n J D C1 a n d J D- C2 3 试验结果分析 3 1 试件破坏形态分析 由试验现象知 ， 两试件 的破坏属于梁根塑性铰 区受弯破坏。钢管混凝土柱和节点 区没有明显的破 坏现象 ， 说明构件满足“ 强柱弱梁 ， 强节点弱构件” 的要求 ， 节点抗震性能良好 。 3 2梁端荷载一 位移滞回曲线分析 图4为本次试验节点梁端荷载一 位移滞 回曲线 ( 取试件 B侧梁试验数据进行分析) ， 图中荷载 自下 而上为正 ， 反之为负， 位移亦然。 HA | i ， , ， ： 厶 l 曩 l s 1 0 0 梧- 5 1 0 1 5 荷载 r a m ( a ) 试件J D T l ， f 臼 ， ， ， ， W ， 一8 0 - 6 0 40- 2 O 0 2 O 4 0 6 0 8 0 位 移 mm ( b ) 试件 J D - T 2 图4 节点梁端荷载一 位移滞回曲线 Fi g 4 Hy s t e r e t i c c ur v e of be ams 由图4可以看出， 试件加载初期处于弹性阶段 ， 王毅红， 等 ： 带有芯钢管的圆钢管混凝土中节点抗震性能试验研究 1 6 3 滞 回环呈细长梭形 ， 无捏拢现象 。随着加载位移 幅 值的增大 ， 试件出现裂缝 ， 滞 回曲线斜率开始缓慢下 降， 试件刚度降低， 承载力稳定上升， 随后滞回环出 现明显捏拢现象 ， 面积扩大 ， 表明试件耗能加大。随 着位移加大， 滞 回曲线斜率 降低加快 ， 刚度退化加 快 ， 试件强度在达到极限值后没有明显下降 ， 保持了 相当长的平缓段。当承载力下降达到极限承载力的 8 5 时， 停止试验。 3 3 节点的耗能性能分析 采用能量耗散系数 E来评价节点 的耗能能力 ， 如 图4的滞 回环 中， 能量耗散系数 E定义为构件在 一 个滞 回环 的总能量与构件弹性能的比值 ， 即： E = S A B C 了 + S c D A ( 1 ) 使用 o r i g i n l a b软件 和试计算 E值得 ， J D c l为 0 8 9 8 ， J D C 2为 0 8 8 8 。两试件 的耗能系数接近， 节 点的耗能能力较好 ， 本次试验所取 的轴压 比对试件 耗能能力的影响不明显。 本 文采用位移延性系数研究节点的延性特性。 以节点有效极限梁端竖向极 限位移 与屈服时的 梁端竖向位移 的比值定义为位移延性系数， 即： =A A ( 2 ) 计算得两个试件 的延性 系数分别为 6 6 3 ( J D C 1 ) 和 6 3 1 ( J D C 2 ) 。 通常延性系数大于 3的结构具有 良好的延性性 能 ， 故两试件符合结构的延性要求。 3 4 试件各部分的荷载一 应变分析 为观察试件组成部分在加载一破坏的全过程表 现 ， 采集了相应点的应变数据列于表 2 。 表 2 部分测点应变数 据 Ta b l e 2 S t r a i n d a t a o f p a r t i a l s u r v e y p o i n t s 喜 测 点 位 置 试 件最 值试 件 最 值 由表 2可知 ， 试件的钢筋 昆 凝土梁在靠近节点 的梁根部弯曲破坏 ， 梁纵筋屈服 ， 梁的受弯破坏导致 试件破坏。因此 ， 梁受弯破坏 的极限荷载也是节点 试件的极限荷载。从表中看出 ， 梁箍筋在试件破坏 时尚未屈服； 节点核心 区的芯钢管和外钢管 在整个 受力过程中应变较小 ， 未达到屈服水平。节 点的竖 筋 、 箍筋也未屈服， 但当梁铰出现后 ， 核心区侧 向约 束减弱 ， 核心区箍筋的应变增长较快 。说 明节点 区 水平箍筋对节点后期变形 、 约束核心混凝 土有重要 的作用 。从试件破坏形态分析 ， 节点区承载力远高 于梁的受弯承载力 ， 节点与上下钢管混凝土 的柱 的 连续性和整体性很好 ， 芯钢管和竖筋在反 复荷载作 用下没有发生锚固破坏现象。 4 结论 1 ) 带有 芯钢管的圆钢管混凝土节点 在低 周反 复荷载作用下 ， 表现 出较 好的承载力和抗震性 能。 节点试件属于梁端受弯破坏。节点试件破坏时， 节 点区基本完好 ， 芯钢管、 节点附加竖筋 、 水平箍筋均 未达到屈服。证明该种节点构造合理 ， 能够安全的 承受水平地震作用。 2 ) 节点试件 的滞 回曲线加荷初期呈梭形 。随 荷载上升 ， 滑移加大 ， 滞回环捏拢 ， 刚度退化 ， 滞回环 面积加大 ， 表现出了较好的耗能、 延性性能。 3 ) 两个试件的位移系数和节点耗能系数相近， 轴压 比对本试验的耗能延性性能影响小。 4 ) 试件破坏 时， 芯钢管、 竖筋均未发 生锚 固破 坏 ， 证明芯钢管在柱中的锚 固长度足够。减少芯钢 管和竖筋的锚固长度对施工有利 ， 后续研究可尝试 减少芯钢管的锚 固长度。 参 考 文 献 ： 1 李贤 ， 肖 岩 ， 郭玉荣 圆钢管混凝 土柱钢 梁框架 节点型 式 的介绍 J 建筑钢结构进展 ， 2 0 0 5 ， 7 ( 4 ) ， 2 2 - 2 6 2 郭慧珍 钢管混凝土柱与梁节点 的抗震分析 D 成都： 西南 交通大学 ， 2 0 0 7 3 刘士润， 司炳君 钢管混凝土柱 一 钢筋混凝土梁节点及受力特 点 J 建筑结构学报， 2 0 0 8 ( 增刊) 4 王毅红 钢管混凝土 梁通 柱断式新型节 点 的试验研 究及承 载 力计算 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 7 5 王毅红 ， 卢先军 ， 周绪红 芯钢管连接 的钢管混凝 土半连通 角 节点试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 8 ( 4 ) 6 王毅红， 汤文锋 芯钢管连接的钢管混凝土中柱节点试验研究 J 建筑结构 ， 2 0 0 4( 1 2 ) 7 王毅红， 郭增辉， 李先顺 带有芯钢管的钢管混凝土节点的受 力机理 J 建筑科学 与工程学报 ， 2 0 0 7 ( 1 ) 8 王毅红 ， 蒋建飞 ， 周绪 红 芯钢管连 接 的钢 管混凝 土半连 通边 节点试验 研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 6 ( 1 2 )