十字型鋼管實驗

1、異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點力學(xué)性能試驗方案（十字形節(jié)點部分）國家自然科學(xué)基金項目（50978033）長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院2010年2月異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點力學(xué)性能試驗方案（十字形節(jié)點部分）一、 試驗?zāi)康募霸嚰攀霰驹囼灥哪康募礊榱私猱愋谓孛驿摴芑炷林?鋼梁節(jié)點的受力特點、截面應(yīng)力和應(yīng)變分布、破壞形態(tài)、變形特征、延性性能，提出合理的節(jié)點強度、剛度、變形的計算理論和設(shè)計方法。本試驗共設(shè)計了六個節(jié)點試體，擬進行不同軸壓比，不同節(jié)點加強環(huán)下的異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點擬靜力試驗。通過對軸壓比為0.2、0.4、0.6（混凝土強度等級均為C40，截面布局及幾何形狀與尺寸相同并采用外加強

2、環(huán)式構(gòu)造，梁柱均取其反彎點范圍且按強構(gòu)件弱節(jié)點設(shè)計，豎向荷載和反復(fù)水平荷載分別加于柱頂和柱反彎點處），和混凝土強度等級為C40、軸壓比為0.4，截面布局及幾何形狀與尺寸相同并采用內(nèi)加強環(huán)式及柱內(nèi)隔板外伸式構(gòu)造試體，及軸壓比取0.4，按強柱弱梁設(shè)計的構(gòu)件等六種情況進行試驗，研究異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點的特殊受力性能及其機理。二.試件設(shè)計試驗所取梁柱連接試件為圖1.1所示的框架結(jié)構(gòu)在側(cè)向水平荷載作用下梁柱反彎點之間的典型單元，該模型為框架梁柱中間層邊節(jié)點，在反對稱荷載作用下，認為框架的反彎點在梁柱中點，邊節(jié)點受力示意圖如圖1.2所示，模型的立體圖如圖1.3所示。VN圖1.2 中節(jié)點受力圖NV

3、試件 圖1.1 模型試件選取圖PP試驗的目的是為了研究異形截面鋼管混凝土柱-鋼梁邊節(jié)點核心區(qū)的受力性能，因此節(jié)點在設(shè)計的時候，按照“強構(gòu)件、弱節(jié)點”的原則進行設(shè)計，讓節(jié)點先于梁柱破壞。由于異形柱的柱肢常做成與墻等厚，故柱的截面尺寸可先確定，主要是梁的截面尺寸需要計算確定，本試驗?zāi)Ｐ桶凑?：2的縮尺比例進行。1強構(gòu)件弱節(jié)點型試件圖2.1 十字形截面柱尺寸300×100×4100×100×412柱的截面尺寸如圖2.1所示，忽略鋼管混凝土中混凝土的作用，單純考慮鋼管受彎，則柱在靠近節(jié)點處屈服時的彎矩為75.62kN·m，根據(jù)節(jié)點彎矩平衡可得梁在靠近柱

4、表面所受到的彎矩為75.62 kN·m。計算過程如下：空鋼管的形心軸如圖2.1所示，由此可求得Ix=37810895mm4，W1=252072mm3。則柱在靠近節(jié)點處屈服時的彎矩為：M=Wf=252072×300=75.62kNm梁靠近柱表面處的彎矩為 M=75.62 kN·m。要達到強梁的目的，必須使梁的抗彎承載力大于M，偏于安全的取此彎矩為1.5 M，則可求得梁的抗彎截面系數(shù)W為：W=M/f=1.5×75.62×106/300=378100mm3據(jù)此選擇梁的截面為300×100×8×10mm，其抗彎截面系數(shù)為3

5、78008mm3。2強柱弱梁的實現(xiàn)根據(jù)強構(gòu)件弱節(jié)點型試件中的計算可知，當(dāng)梁的抗彎承載力小于M=75.62 kN·m時，試件為強柱弱梁型試件，由此可求得梁的抗彎截面系數(shù)為：W=M/f=75.62×106/300=252067mm3據(jù)此選擇梁的截面為250×100×6×8mm，其抗彎截面系數(shù)為238724mm3。3施加軸壓力計算試驗考慮軸壓比的影響，考慮到試驗條件，取試驗軸壓比為0.2、0.4和0.6。十字形柱的軸壓承載力按式計算：經(jīng)計算得Nu=2937kN，則相應(yīng)于軸壓比0.2、0.4和0.6，對應(yīng)的軸壓力分別為587.4kN、1174.8kN和

6、1762.3kN。4試件制作試件采用十字形截面柱外加強環(huán)式節(jié)點、十字形截面柱內(nèi)加強環(huán)式節(jié)點及柱內(nèi)隔板外伸式節(jié)點，節(jié)點構(gòu)造如圖所示。圖2.2 十字形截面柱構(gòu)造圖十字形截面鋼管采用300×100×4mm的矩形鋼管和兩塊100×100×4的槽形截面焊接而成，如圖2.1所示，在圖示“1”、“2”位置采用坡口焊，焊縫均按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50017-2003）進行設(shè)計。進行節(jié)點鋼管加工時，首先按要求的截面形式和長度加工空鋼管，并保證鋼管兩端截面平整。對每個試件加工兩個厚度為10mm的鋼板作為試件的蓋板，先在空鋼管一端將蓋板焊上，另一端待混凝土澆灌之后再焊接。其次

7、，按要求的截面和長度加工鋼梁，并保證鋼梁尺寸的平直度。再次，把節(jié)點外加強環(huán)按照設(shè)計的位置焊接到空鋼管上。最后，將加工好的鋼梁焊接于節(jié)點環(huán)板上，焊接時要注意保證左右鋼梁的軸線位置。各試件設(shè)計參數(shù)見表1，各構(gòu)件的尺寸如圖2.2所示。澆筑混凝土?xí)r，把鋼管豎立，從頂部分層灌混凝土，并用插入式振搗棒分層振搗，同時在鋼管外部進行側(cè)振以保證混凝土的密實度。各試件設(shè)計參數(shù)如表1所示。表1 試件設(shè)計參數(shù)表節(jié)點編號ZJD1（外加強環(huán)）ZJD2（外加強環(huán)）ZJD3（外加強環(huán)）ZJD4（外加強環(huán)）ZJD5（內(nèi)加強環(huán)）ZJD6（內(nèi)隔板外伸）梁截面尺寸mm×mm300×100×8×

8、10300×100×8×10300×100×8×10250×100×6×8300×100×8×10300×100×8×10型鋼H型H型H型H型H型H型柱截面尺寸mm×mm300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×

9、;4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4300×100×4+100×100×4+100×100×4混凝土強度等級C40C40C40C40C40C40軸壓比0.20.40.60.40.40.4三、 試驗裝置及受力分析 1. 試驗裝置參照建筑抗震試驗方法規(guī)程JGJ

10、101-96，節(jié)點擬靜力加載方式可以有兩種：柱端加載方式和梁端加載方式。當(dāng)以梁端塑性鉸區(qū)或節(jié)點核心區(qū)為主要試驗對象的試體，宜采用梁端加載；當(dāng)以柱端塑性鉸區(qū)或柱連接處為主要試驗對象時，宜采用柱端加載，但應(yīng)計入效應(yīng)?？紤]到實驗室的具體條件和加載得以實現(xiàn)的難易程度，鋼管混凝土的應(yīng)用范圍（一般為承受較大的軸向壓力）以致于效應(yīng)不可忽略，故本實驗采用柱端往復(fù)加載方案，以確保試驗順利進行，試驗結(jié)果準確反映實際情況。節(jié)點試體基本單元和加載簡圖與試驗加載裝置示意圖分別見圖3.1，圖3.2所示。本試驗研究的邊節(jié)點的邊界條件是：節(jié)點柱子下端和梁的支座邊界條件均為鉸接，柱子底部采用平板鉸來模擬柱底的鉸接邊界條件，梁端

11、的支座采用剛性桿來模擬，用鉸接的邊界條件模擬鉸支座；柱子頂端為隨著水平荷載的變化在平面內(nèi)可自由轉(zhuǎn)動的邊界條件；柱頂施加保持恒定不變的軸力。N1610mm圖3.1節(jié)點試體基本單元和加載圖1250mm1250mmP圖3.2試驗裝置示意圖2受力分析柱端加載時的計算簡圖見圖3.3所示。圖3.3柱端加載時計算簡圖由圖3知，節(jié)點的受力平衡方程為:可由梁端剪力求出柱頂水平荷載值若忽略，則：，實驗中，柱頂軸向壓力的作用導(dǎo)致柱頂產(chǎn)生摩擦力，故柱頂水平荷載大小可根據(jù)上述公式求得。實際上，柱頂水平荷載等于由柱頂荷載傳感器測得的荷載值減去柱頂摩擦力，但柱頂摩擦系數(shù)很難精確得到。四、 測試內(nèi)容1位移測量節(jié)點核心區(qū)剪切變

12、形的測量通過測量節(jié)點核心區(qū)剪切變形，研究節(jié)點核心區(qū)的抗剪性能并分析它對結(jié)構(gòu)受力性能、破壞形態(tài)等的影響。節(jié)點核心區(qū)的剪切變形體現(xiàn)在節(jié)點核心區(qū)剪切角上。方法：節(jié)點核心區(qū)剪切角可通過量測核心區(qū)對角線的位移量來計算確定。使用儀表：電子百分表；量程為30cm；精度為0.01mm梁柱塑性鉸區(qū)段曲率或轉(zhuǎn)角的測量測量節(jié)點核心區(qū)處梁、柱塑性鉸區(qū)段的曲率或者轉(zhuǎn)角。方法：對于梁一般可在距柱面（梁高）或處布點，對于柱子則可在距梁面（柱寬）處布置測點。使用儀表：電子百分表；量程為50mm；精度為0.01mm柱端位移的測量柱端位移的測量主要是測量柱頂水平荷載加載截面處的位移，并在控制位移加載階段依此作為控制加載程序。另外

13、，通過測定柱端位移還可確定層間位移延性系數(shù)、層間變形角及相應(yīng)的延性系數(shù)。方法：在柱頂水平荷載加載截面、柱腳截面、梁端支撐處布置位移計使用儀表：位移計；量程為30cm荷載-變形曲線觀測荷載-變形曲線采用電測位移計，通過X-Y函數(shù)記錄儀記錄整個試驗荷載-變形曲線全過程。要求位移傳感器保證精度要求外，尚要保證足夠的量程，以滿足構(gòu)件進入非線性階段量測大變形的要求。說明：上述所有提到的測量儀表的布置見圖4.1。圖4.1 位移計及百分表布置圖4.2節(jié)點應(yīng)變片測點布置（正面）圖4.3節(jié)點應(yīng)變片測點布置（反面）2應(yīng)變測量 節(jié)點核心區(qū)鋼管混凝土柱應(yīng)變測量通過測量節(jié)點核心區(qū)處型鋼柱腹板和翼緣應(yīng)變，了解節(jié)點核心區(qū)的

14、受力特點，破壞形態(tài)，截面應(yīng)力應(yīng)變分布情況等。節(jié)點核心區(qū)鋼管：在節(jié)點核心區(qū)鋼管外表面沿對角線方向上布置應(yīng)變花，測量節(jié)點核心區(qū)處鋼管上應(yīng)力分布情況，研究節(jié)點核心區(qū)的剪切滯回性能。 節(jié)點梁端型鋼、柱端鋼管應(yīng)變測量測量靠近節(jié)點區(qū)梁端、柱端型鋼上應(yīng)力分布情況；了解塑性鉸形成情況。在梁端型鋼翼緣、柱端鋼管處布置應(yīng)變片。說明：上述所有提到的應(yīng)變片的布置見圖4.2、圖4.3。五、加載方案本試驗采用柱端加載方式。第一步：施加柱端軸向荷載N。軸壓比取0.2時（試體編號ZJD1），需在柱頂對應(yīng)加載587.4kN的軸壓力；軸壓比取0.4時（試體編號ZJD2、ZJD4、ZJD5），需在柱頂對應(yīng)加載1174.8kN的軸壓

15、力；軸壓比取0.6時（試體編號ZJD3），需在柱頂對應(yīng)加載1762.3kN的軸壓力；第二步：施加柱頂水平荷載。水平荷載的施加按照位移控制。加載初期，使每個循環(huán)峰值側(cè)移率/L增加0.25%，直至0.75%，每級加荷循環(huán)一次。其中為柱頂端加載處的側(cè)向位移，L為位移測點到梁上翼緣表面的垂直距離。對應(yīng)于/L=1%、2%、3%、4%，每級加荷循環(huán)三次，直至柱頂水平荷載下降到極限水平荷載的85%以下或軸力無法穩(wěn)定時停止加載，水平位移的加載制度見圖5.1。圖5.1 加載制度表2 試件加載情況試件軸力（kN）水平位移（mm）0.25%0.5%0.75%1%1.5%2%3%4%T1587.41.753.55.2

16、5710.5142128T21174.81.753.55.25710.5142128T31762.31.753.55.25710.5142128T41174.81.83.65.47.2510.8814.521.7529T51174.81.753.55.25710.5142128T61174.81.753.55.25710.5142128循環(huán)次數(shù)1次3次說明：1. 在節(jié)點正式進行加載以前，為了使加載裝置的各部分與節(jié)點充分接觸，先對節(jié)點進行預(yù)加載。其目的是檢查加載裝置的某一部分與節(jié)點的接觸是不是很密實，同時檢查測量儀表工作狀態(tài)是不是很不穩(wěn)定，如果出現(xiàn)加載裝置的某一部分與節(jié)點接觸不是很密實或測量儀表工作狀態(tài)不是很穩(wěn)定的情況，則應(yīng)進行及時處理，否則會影響整個試驗的精