部分包裹混凝土柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能

王 姍 秦明珍

內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

部分包裹混凝土柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能

王 姍 秦明珍

內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

隨著新型建筑結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展與研究，部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete）以高承載力、中耐火性能的優(yōu)越特點(diǎn)在建筑工程中被廣泛使用。在某油田儲(chǔ)油庫(kù)的建造過(guò)程中，截取4組部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接點(diǎn)作為試件，通過(guò)試驗(yàn)研究試件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗震性能。通過(guò)有限元分析可以看出，端板是耗散地震能量的主要部位，增大端板厚度可以有效增加節(jié)點(diǎn)承載力；背墊板能夠明顯改善結(jié)構(gòu)的各類性能，設(shè)置背墊板等支撐可以明顯提高節(jié)點(diǎn)性能，是改善節(jié)點(diǎn)剛度的有效措施。

儲(chǔ)油庫(kù)；部分包裹混凝土柱；節(jié)點(diǎn)；加載；抗震性能

隨著新型建筑結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展與研究，部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete，簡(jiǎn)稱PEC）以高承載力、中耐火性能的優(yōu)越特點(diǎn)在建筑工程中被廣泛使用。這是一種集鋼結(jié)構(gòu)和混凝土優(yōu)良性質(zhì)的組合結(jié)構(gòu)，對(duì)該種新型結(jié)構(gòu)柱已做過(guò)相關(guān)研究[1]，并得出考慮了含鋼率、軸壓比、剪跨比等對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響：含鋼率提高，構(gòu)件變形能力提高；軸壓力增大，柱的變形能力降低；剪跨比影響曲線形狀。節(jié)點(diǎn)作為傳遞彎矩、剪力、軸力的重要部分，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制的重點(diǎn)。

歐洲規(guī)范中按框架的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和有無(wú)側(cè)移將節(jié)點(diǎn)分為剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)和柔性節(jié)點(diǎn)。而半剛性節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)關(guān)系最為優(yōu)越，既融合了剛性和柔性節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，又使結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定和耗能較低。這種優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，對(duì)于提高儲(chǔ)油庫(kù)的安全、抗震和防火性能具有重要意義。

1 試驗(yàn)概況

在某油田儲(chǔ)油庫(kù)的建造過(guò)程中，截取4組部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接點(diǎn)作為試件，通過(guò)試驗(yàn)研究試件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗震性能。

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式設(shè)計(jì)了4組試驗(yàn)，編號(hào)為JD—1～JD—4。所有均為Q235—B鋼材，試件梁長(zhǎng)均為1 100mm，截面為I20 a。柱子采用部分包裹混凝土組合柱，且上下貫通，高度為1 800mm。梁和柱采用高強(qiáng)螺栓通過(guò)外伸端板連接，端板和鋼梁之間采用雙面角焊縫連接。柱翼緣采用系桿將兩側(cè)拉結(jié)，這樣不僅能保證柱翼緣和混凝土有效拉結(jié)，還能抵御一部分外荷載，起到雙重保險(xiǎn)作用。翼緣兩側(cè)填充C30混凝土即可。

1.2 加載裝置及位移控制

采用拉壓千斤頂和電業(yè)伺服作動(dòng)器加載，柱水平放置于地上，柱端用水平限位梁限制其位移；拉壓千斤頂一端與反力墻連結(jié)，另一端同鋼梁鉸接，在梁端施加軸向荷載。試驗(yàn)加載制度采用荷載—位移雙控制[2]的方法。試件屈服前應(yīng)采用荷載控制并分級(jí)加載，逐級(jí)遞增，4個(gè)試件的加載步長(zhǎng)均取極限荷載的10%（大約6 kN），每級(jí)循環(huán)2次；當(dāng)試件屈服后，由于力很難繼續(xù)保持穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上，改用位移控制模式。

位移控制同樣也采用分級(jí)加載的方式，加載步長(zhǎng)取試件屈服時(shí)最大位移值的0.25倍（大約6mm），每級(jí)循環(huán)3次。

1.3 測(cè)量?jī)?nèi)容以及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)測(cè)量的主要參數(shù)為梁端施加荷載、梁端部位移大小和節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)變數(shù)據(jù)。

荷載可以通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量；梁端位移、梁中部位移、端板位移采用位移計(jì)測(cè)量；節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)變數(shù)據(jù)可以通過(guò)電阻式應(yīng)變片和自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

JD—1試件：在加載到42 kN拉第1次時(shí)，翼緣處的柱內(nèi)橫向系桿屈服，柱內(nèi)對(duì)應(yīng)梁翼緣混凝土出現(xiàn)豎向裂縫。繼續(xù)加載至54 kN時(shí)梁達(dá)到屈服。此后由位移控制，當(dāng)加載到0.5Δy時(shí)柱翼緣屈服；繼續(xù)加載柱翼緣與混凝土裂縫增大，繼續(xù)加載至2.25Δy端板拉裂，混凝土被壓碎。

JD—2試件：在加載到48 kN時(shí)橫向系桿屈服，繼續(xù)加載至54 kN梁進(jìn)入屈服階段。此后用位移控制，達(dá)到1Δy時(shí)，端板屈服，柱翼緣與混凝土有微小裂縫，并逐漸延伸；達(dá)到1.75Δy時(shí)，梁翼緣出現(xiàn)鼓曲，端板焊縫出現(xiàn)微小裂縫并擴(kuò)展；達(dá)到2.5Δy時(shí)，端板被拉裂，混凝土被壓碎，螺栓孔有較大變形。

JD—3試件：在加載到48 kN時(shí)橫向系桿達(dá)到屈服，達(dá)到54 kN時(shí)梁達(dá)到屈服狀態(tài)。此后用位移控制，達(dá)到1.5Δy時(shí)，端板鼓曲變形；達(dá)到2.25 Δy時(shí)，混凝土與柱翼緣縫隙繼續(xù)擴(kuò)展，端板裂縫也繼續(xù)開(kāi)展；達(dá)到2.5Δy時(shí)，端板變形過(guò)大。

JD—4試件：這是4個(gè)試件中最強(qiáng)的試件，其承載力、變形能力、延性、剛度、耗能能力都達(dá)到最佳狀態(tài)。加載至60 kN時(shí)橫向系桿屈服，加載至66 kN時(shí)，端板達(dá)到屈服應(yīng)變，但各處變形不明顯，原因是背墊板增加了節(jié)點(diǎn)的剛度，加強(qiáng)了該處的強(qiáng)度。加載至0.5Δy時(shí)，梁下翼緣屈服，混凝土和柱翼緣之間的裂縫擴(kuò)展；加載至1.25Δy時(shí)荷載下降，這是由于端板與梁焊接處形成了裂縫；加載到2Δy時(shí)，焊縫上的裂縫基本貫通，試驗(yàn)停止。

2.2 滯回曲線

滯回曲線是反應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)劣的簡(jiǎn)單客觀圖形。由各試件滯回曲線可見(jiàn)，試件在加載初期，殘余變形較小，為彈性階段[3]；在進(jìn)入位移控制加載階段后，各個(gè)試件存在著此消彼長(zhǎng)的狀態(tài)。

（1）各個(gè)圖形的承載力不一樣，JD—4由于背墊板和豎向加勁肋的作用，其承載力最好。

（2）各個(gè)試件的滯回曲線較為飽滿，呈現(xiàn)出良好的抗震性能，說(shuō)明部分包裹混凝土柱和鋼梁外伸端板連接節(jié)點(diǎn)是一種良好的半剛性節(jié)點(diǎn)。

（3）隨著端板厚度的增加，曲線所圍面積越多，節(jié)點(diǎn)的耗能性能越好。這是由于端板越厚，耗散地震能量的能力越大。其極限荷載由52.38 kN提高到了79.24 kN，說(shuō)明端板厚度的增加對(duì)試件抗震性能及變形能力有明顯改善。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用ABAQUS建立4組試件的有限元分析模型，采用與試驗(yàn)相同的試件尺寸。本文中型鋼梁采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的殼單元（S4R），其他組件采用八節(jié)點(diǎn)一階線性減縮積分格式的三維實(shí)體單元（C3D8R）。有限元分析模型見(jiàn)圖1。鋼材本構(gòu)關(guān)系采用四階段模型[4]；混凝土材料本構(gòu)關(guān)系為普通的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；螺栓的本構(gòu)關(guān)系則采用兩階段模型，強(qiáng)化段的模量可取值為0.01 Es。

圖1 有限元模型

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

選取部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接節(jié)點(diǎn)滯回性能中的骨架曲線進(jìn)行對(duì)比。由對(duì)比結(jié)果可以看出，在兩個(gè)加載作用下，有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，荷載的最大差值為2.09 kN；位移的最大差值為12.07mm。因此，該模擬能夠較好地反應(yīng)試件的受力狀態(tài)。

3.3 節(jié)點(diǎn)中端板受力性能分析

由于部分包裹混凝土柱與鋼梁外伸端板連接節(jié)點(diǎn)是研究的重點(diǎn)，因此將各試件節(jié)點(diǎn)中端板的應(yīng)力云圖取出，進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析。通過(guò)Mises應(yīng)力云圖分析可知，端板在上下兩側(cè)的兩排螺栓中部所受應(yīng)力最大，加設(shè)豎向加勁肋端板受力明顯減小。

4 結(jié)論

在某油田儲(chǔ)油庫(kù)建筑建造過(guò)程中，通過(guò)對(duì)4組包裹混凝土柱與鋼梁試件的性能分析得出：這種連結(jié)方式是一種典型的半剛性節(jié)點(diǎn)，能夠吸收地震能量；通過(guò)有限元分析，可以看出端板是耗散地震能量的主要部位，增大端板厚度可以有效增加節(jié)點(diǎn)承載力；背墊板能夠明顯改善結(jié)構(gòu)的各類性能，設(shè)置背墊板等支撐可以明顯提高節(jié)點(diǎn)性能，是改善節(jié)點(diǎn)剛度的有效措施。采用這種包裹形式的結(jié)構(gòu)組件，

可以提高油田儲(chǔ)油庫(kù)建筑的抗震性能，降低維護(hù)率，提高使用期限，是油田地面工程中值得推廣和使用的優(yōu)良技術(shù)。

[1]趙根田，李鵬宇．H型鋼部分包裹混凝土組合短柱抗震性能的試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（4）：12-15.

[2]王金昌，楊森．大型LNG全容罐抗震隔震設(shè)計(jì)[J]．油氣田地面工程，2009，28（10）：53-55.

[3]陳紹蕃，顧強(qiáng)．鋼結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003．

[4]韓林海，楊有福．現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

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（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.006

王姍：內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院副教授，主要從事鋼結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)研究。