鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

1、張大旭，張素梅（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）摘 要：以往的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)很少在核心區(qū)發(fā)生破壞，針對(duì)這一現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了兩組鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件，一組考察當(dāng)梁端發(fā)生破壞時(shí)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力性能，另一組考察在削弱核心區(qū)情況下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)發(fā)生破壞時(shí)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力 性能。試驗(yàn)結(jié)果證明鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)具有較高的抗剪承載力和良好的抗震能力。 關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；梁柱節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)核心區(qū)；動(dòng)力性能；滯回曲線中圖分類(lèi)號(hào)：TU398文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADynamic behavior of joints between concrete-fiIIedsteeI tubes and beamsZHANG Da-x

2、u，ZHANG Su-mei(schooI of CiviI Engineering, Harbin Institute of TechnoIogy, Harbin 150090, China)Abstract：Describes the four specimens designed to check the dynamic property with faiIure happenedin beams, the dynamic and the joint core area because there were few tests faiIed in the core area of the

3、 joints between concrete-fiIIed steeI tubuIar coIumns and beams before and concIudes from the test resuIts that the beam-coIumn joints have high shear strength and good seismic behavior.Key words：concrete fiIIed steeI tubesg jointsg joint core areag dynamic propertyg hysteresis hoops0 引言隨著鋼管混凝土理論的日益

4、完善和工程的廣泛應(yīng)用，鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)成為鋼管 混凝土結(jié)構(gòu)研究和推廣的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。因此，進(jìn)行對(duì)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能開(kāi)展深入的研 究將有助于推動(dòng)其工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用1。在以往的鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能試驗(yàn)中，通常根據(jù)“強(qiáng)柱、 弱梁、節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的原則設(shè)計(jì)構(gòu)件。因此破壞大多數(shù)發(fā)生在梁端，從而無(wú)法真正獲得節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的性 能，只能定性的認(rèn)為核心區(qū)的承載力高，動(dòng)力性能好。為解決這一問(wèn)題，真正獲得節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承 載力、耗能性能以及其破壞形態(tài)，制定以下列內(nèi)容為目的的鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能試驗(yàn)：1. 研究正常設(shè)計(jì)時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載作用下的動(dòng)力性能。2. 研究節(jié)點(diǎn)核心區(qū)被削弱時(shí)節(jié)點(diǎn)核

5、心區(qū)的動(dòng)力性能和抗剪承載力。1 試驗(yàn)概況1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作 本次試驗(yàn)所選取的試件是平面框架中柱節(jié)點(diǎn)和邊柱節(jié)點(diǎn)兩種。邊柱節(jié)點(diǎn)試件數(shù)量為兩個(gè)，依軸壓比不同編號(hào)為J-1，J-2。其設(shè)計(jì)的原則是“強(qiáng)柱，弱梁，節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”。 中柱節(jié)點(diǎn)試件數(shù)量為兩個(gè)，依軸壓 比不同編號(hào)為J-3，J-4。其設(shè)計(jì)的原則是“強(qiáng)柱，較強(qiáng)梁，弱核心”，即保證在梁，柱破壞之前，節(jié)點(diǎn)收稿日期：2000-08-21基金項(xiàng)目：國(guó)家教委優(yōu)秀年輕教師基金資助項(xiàng)目；黑龍江省優(yōu)秀留學(xué)歸國(guó)人員基金資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介：張大旭(1975-), 男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士.哈 爾 濱 建 筑 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第 34 卷22核心區(qū)首先發(fā)生剪切破壞。四個(gè)試件全

6、部采用加強(qiáng)環(huán)腹板式節(jié)點(diǎn)，試件的幾何尺寸和材料強(qiáng)度指標(biāo)詳見(jiàn)表l。1.2 試件裝置 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件，在試件上柱端放置刀鉸，下柱端放置球鉸，左、右梁端 為自由端。試驗(yàn)采用液壓加載，加載設(shè)備 如圖l布置。1.3 試驗(yàn)量測(cè)表1 節(jié)點(diǎn)試件尺寸和材料強(qiáng)度指標(biāo)Dimensions of specimen and strength of malenialTable 1試件編號(hào)J-l和J-2J-3和J-4尺寸 / mm!" / Nmm-2尺寸 / mm上下翼緣l50>6257288>4285!2l9>636860>6l50>8248284>4285!2l9>

7、636870>8梁腹板! / Nmm-2"根 據(jù) 研 究 目 的,確 定 量 測(cè) 內(nèi) 容 如 下 ：規(guī)格!" / Nmm-2規(guī)格柱（l）將拉壓傳感器置于千斤頂和試件間，量測(cè)實(shí)際加載數(shù)值，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng) 采集。（2）將位移傳感器置于梁端，量測(cè)梁加強(qiáng)環(huán)!" / Nmm-2332248 端實(shí)際位移，接計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。（3）在梁根部、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)、柱子兩端和柱子中部放置機(jī)電百分表（如圖2所示）分別用于測(cè)量梁根部撓度、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形、柱子轉(zhuǎn)角和試件剛體位移。（4）為量 測(cè)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)應(yīng)力分布，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)布置電阻應(yīng)變片，與百點(diǎn)應(yīng)變儀相連，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。1

8、.4 加載制度柱子軸力1.4.1l.門(mén)架梁；2.鉸支座；3.節(jié)點(diǎn)試件;4.鉸裝置；5.30t 拉 壓 傳 感 器 ;6.30t拉壓千斤頂；7.球鉸；8.200t千斤頂(a) 邊柱(a) Side-cOiumn(D) 中柱(D) Middie cOiumn圖l 試驗(yàn)裝置Fig.l Test set upl.力傳感器；2.位移傳感器；3l4.機(jī)電百分表；l5.位移傳感器圖2 儀表布置圖Fig.2 Arrangement Of measuring instruments第 1 期張大旭，等：鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能試驗(yàn)研究23試驗(yàn)時(shí)，為了保持節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定，首先在柱頂施加軸力N，并在整個(gè)試驗(yàn)中保持恒定

9、。各試件軸力大小和軸壓比見(jiàn)表2。表2 施加在試件上的軸心壓力Table 2Axial compressive load on specimen試件編號(hào)J-1J-2J-3J-4900 (n:0.4)核心區(qū) (n:0.47)1300 (n=0.6)核心區(qū) (n:0.68)軸力N / kN1300 (n:0.6)900 (n:0.4)梁自由端荷載1.4.21. 邊柱采用30t拉壓千斤頂在梁自由端施加反復(fù)荷載P1。力控加載階段：按表3列順序循環(huán)加載二三循環(huán)后，超載加荷，每次超載510kN，再循環(huán)。 位移控制階段：屈服后每級(jí)位移以梁端屈服荷載對(duì)應(yīng)的梁自由端位移!y的倍數(shù)控制，直至破壞。表3 邊柱加載制度

10、Table 3Loading of side-columns順序012345678P / kN066.5-66.599.75-99.75119.7-119.7133-1332. 中柱采用兩個(gè)同步30t拉壓千斤頂分別在梁自由端施加反復(fù)荷載P1和P2。力控加載階段：按表4列順序循環(huán)加載二三循環(huán)后，超載加荷，每次超載510kN，再循環(huán)。 位移控制階段：屈服后每級(jí)位移以梁端屈服荷載對(duì)應(yīng)的梁自由端位移!y的倍數(shù)控制，直至破壞。表4中柱加載制度Table 4Loading of middle columns順序012345678P1 / kN035-3552.5-52.563-6370-70P2 / kN

11、0-3535-52.552.5-6363-7070試驗(yàn)現(xiàn)象及分析22.1 試驗(yàn)現(xiàn)象2.1.1 邊柱荷載控制階段，當(dāng)荷載小于130kN時(shí)整個(gè)試件處于彈性范圍內(nèi)，梁端P-!曲線基本呈線性變化； 當(dāng)荷載第二次達(dá)到130kN時(shí)，由于梁焊接變形的影響，梁身稍有些傾斜，所以梁上翼緣右側(cè)首先發(fā)生 屈曲，反向加載達(dá)到-130kN時(shí)，梁下翼緣屈曲。進(jìn)入位移控制階段后，當(dāng)變形較小時(shí)，鐵屑開(kāi)始脫 落，隨荷載反復(fù)進(jìn)行，受壓屈曲的翼緣因受拉而恢復(fù)成平面。隨著變形的逐漸加大，鐵屑明顯脫落， 梁整個(gè)截面完全進(jìn)入屈服階段，上下翼緣及腹板同時(shí)出現(xiàn)凹凸變形（圖3），最后因梁端變形過(guò)大超過(guò)儀 器的測(cè)量范圍而終止試驗(yàn)。2.1.2 中

12、柱 當(dāng)荷載小于75kN時(shí)，整個(gè)試件處于彈性范圍內(nèi)，梁端P!曲線基本呈線性變化，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形很??；當(dāng)荷載大于75kN時(shí)，梁端P!曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)入屈服階段。隨荷載進(jìn)一 步加大，粉刷在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)外皮的白灰開(kāi)始脫落，但節(jié)點(diǎn)承載能力并未下降。直到荷載達(dá)到140kN 時(shí)，梁亦開(kāi)始進(jìn)入屈服階段，由于梁端變形過(guò)大超過(guò)儀器的測(cè)量范圍而終止試驗(yàn)。為觀察到試件的最終破壞結(jié)果，將試件J-4部分測(cè)量?jī)x器加大量程后繼續(xù)加載。計(jì)劃直接加載到 塑性階段，但由于試件放置一段時(shí)間后，鋼材發(fā)生時(shí)效硬化，荷載達(dá)到130kN時(shí)，試件仍處于彈性階 段，梁端P!曲線呈線性變化，此時(shí)卸載并反向加載，梁端P!曲線從零點(diǎn)開(kāi)始即

13、表現(xiàn)為圓滑上升 曲線。進(jìn)入位移控制階段，當(dāng)荷載小于150kN，梁未出現(xiàn)屈曲時(shí)，節(jié)點(diǎn)承載能力始終上升。直到荷載哈 爾 濱 建 筑 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第 34 卷24等于150kN時(shí)，承載力不變而變形逐漸加大，梁整個(gè)截面屈服，此時(shí)用肉眼便可觀察到節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)明顯的剪切變形（圖4），其中（a）為試驗(yàn)中持荷時(shí)的照片，（b）為試驗(yàn)后的殘余變形。圖3 邊柱節(jié)點(diǎn)破壞后的照片F(xiàn)ig.3 Photos of side-cohumn joints after faihure用氣焊將節(jié)點(diǎn)核心區(qū)割開(kāi)，發(fā)現(xiàn)與普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)破壞現(xiàn)象不同的是，一般來(lái)說(shuō)普通鋼筋混凝 土節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)產(chǎn)生沿對(duì)角線方向少數(shù)幾條寬度很大，長(zhǎng)度很長(zhǎng)且

14、完全貫通的斜裂縫，而本次試驗(yàn)中混凝 土表面產(chǎn)生沿對(duì)角線方向的交叉斜裂縫寬度較小，長(zhǎng)度較短而且分布較為均勻（圖5）。這說(shuō)明在外面鋼管 的約束下，內(nèi)部混凝土受力較為均勻，整體受力性能好，從而可以提高其抗剪承載力和耗能能力。!"!試驗(yàn)現(xiàn)象分析(a) 持荷時(shí)(a) With sustained hoad(b) 試驗(yàn)后(b) After faihure圖4 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形的照片F(xiàn)ig.4 Photoes of joint shear deformation圖5 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剝?nèi)ヤ摴芎蟊┞冻龅幕炷帘砻娼徊嫘绷芽pFig.5 Joint cross-crack in concrete after

15、 removah of steeh tubes第 1 期張大旭，等：鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能試驗(yàn)研究25!"!"# 邊柱從節(jié)點(diǎn)試件梁端的!滯回曲線可以看出，滯回環(huán)非常飽滿，接近鋼結(jié)構(gòu)試件的形狀，試件的耗能 能力很強(qiáng)，出現(xiàn)拐點(diǎn)后仍能保持承載力不變，變形逐漸加大，是一種穩(wěn)定的延性破壞。分析其原因主要在 于，節(jié)點(diǎn)試件的破壞發(fā)生在梁端，整個(gè)試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)完好無(wú)損，仍處于彈性階段，鋼梁首先屈服，進(jìn) 而屈服面積不斷擴(kuò)大，所以節(jié)點(diǎn)試件的動(dòng)力性能主要為鋼梁的滯回性能，滯回環(huán)飽滿，耗能性能好。!"!"! 中柱 中柱試件的!滯回曲線呈梭形，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)后，承載力仍繼續(xù)增

16、加，在鋼梁屈曲之前始終沒(méi)有下降段。分析其原因主要在于，節(jié)點(diǎn)試件的破壞首先發(fā)生在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，在鋼梁屈服之前，節(jié)點(diǎn) 試件的動(dòng)力性能主要表現(xiàn)為軸力作用下，鋼管混凝土的剪切滯回性能?？梢钥闯?，在水平往復(fù)剪力作 用下，鋼管內(nèi)的混凝土首先產(chǎn)生微裂紋，但由于混凝土在三向受力的情況下，塑性性能有很大改善， 承載力始終上升，剛度逐漸減小。在鋼梁屈服后，節(jié)點(diǎn)試件的動(dòng)力性能表現(xiàn)為二者滯回性能的綜合。試件J-3和J-4的區(qū)別在于軸壓比的不同，分別是"=O.4(核心區(qū)"=O.47)和"=O.6（核心區(qū)"=O.68），從梁端!滯回曲線可以看出，軸壓比較大的節(jié)點(diǎn)試件滯回環(huán)更加飽滿一些

17、。 另外，本次試驗(yàn)還對(duì)中柱試件核心區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量，由于核心區(qū)受力狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，所以測(cè)量數(shù)據(jù)比較離散，規(guī)律不明顯。但從個(gè)別測(cè)點(diǎn)可以看出，在荷載較大時(shí)主拉應(yīng)變 基本是沿著對(duì)角線方向。3 試驗(yàn)結(jié)果分析滯回曲線$"#$"#"# 梁端!滯回曲線圖6為本次試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線。總體觀察可以看到，隨著水平荷載的逐級(jí)加大，滯回環(huán)愈加豐 滿，加載時(shí)的剛度逐漸在退化。卸載剛度基本上保持彈性，與初始加載時(shí)的剛度大體相同。大部分試 件的滯回曲線沒(méi)有表現(xiàn)出捏縮現(xiàn)象，呈比較豐滿的梭形，說(shuō)明鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能是很好 的。隨著軸壓比的增大，對(duì)于試件J-1和J-2而言

18、，由于破壞發(fā)生在梁上，所以軸壓比對(duì)滯回環(huán)的形狀 基本沒(méi)有影響，形狀大抵相同。而對(duì)于試件J-3和J-4而言，由于破壞發(fā)生在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，在一定范圍 內(nèi)軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能的影響是有利的，所以試件J-4比試件J-3的滯回曲線更飽滿。! / mm! / mm! / mm! / mm圖6 梁端滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves Of beam ends! / kN! / kN! / kN! / kN哈 爾 濱 建 筑 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)第 34 卷26!"$"# 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)! "!滯回曲線本次試驗(yàn)的四個(gè)試件中，由于試件J-1和J-2邊柱的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)始終處于彈

19、性階段而且測(cè)量誤差較 大，因此這里主要分析J-3和J-4中柱試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的滯回性能。圖7為試件核心區(qū)所受剪力! 和轉(zhuǎn) 角!的的滯回曲線?？傮w觀察可以看到，隨著豎向荷載的逐級(jí)加大，滯回環(huán)愈加豐滿，加載時(shí)的剛度 逐漸在退化。除試件J-3反向卸載時(shí)剛度退化較為嚴(yán)重，卸載剛度基本上保持彈性，與初始加載時(shí)的 剛度大體相同。試件的滯回曲線沒(méi)有表現(xiàn)出捏縮現(xiàn)象，呈比較豐滿的梭形，說(shuō)明鋼管混凝土梁柱節(jié) 點(diǎn)核心區(qū)的抗震性能是很好的。由于試件J-4比試件J-3的軸壓比大，所以試件J-4比試件J-3節(jié)點(diǎn)核心 區(qū)的滯回曲線更飽滿，而且試件J-4節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力也略高于試件J-3。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中， 兩個(gè)中柱試件

20、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力始終呈上升趨勢(shì)，沒(méi)有下降段，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的延性很好。 這主要是因?yàn)椋汗?jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)入彈塑性后，由于鋼管對(duì)混凝土的約束作用，混凝土處于三向受力狀 態(tài)，使混凝土這種脆性材料，表現(xiàn)出較好的塑性性能。! / rad! / rad! / rad! / rad圖7節(jié)點(diǎn)核心區(qū)滯回曲線Fig.7 Hysterectic curves of jonit core zones! (#)! (#)圖8 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)骨架曲線Fig.8 Resiience curves of jonit core zones!"# 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)骨架曲線圖8給出了試件J-3和J-4節(jié)點(diǎn)核心區(qū)所受剪力! 和轉(zhuǎn)角!的骨架曲線。從圖中可以看出，兩條曲線 都有較明顯的屈服點(diǎn)A。在屈服點(diǎn)A之前，初始剛度沒(méi)有顯著變化，基本呈線性。在屈服點(diǎn)A之后，剛! / kN! / kN! / kN! / kN第 1 期張大旭，等：鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力性能試驗(yàn)研究27度突然變小，但能維持這一剛度基本不變，直到變形很大無(wú)法進(jìn)行加載時(shí)，仍無(wú)下降段產(chǎn)生。3.3 能量耗散與延性耗能比2圖9表示了一個(gè)完整的滯回環(huán)，S1