不同構造條件下混凝土柱-鋼梁混合節(jié)點抗震性能的比較研究

潘志宏, 朱延章, 周智彬, 汪 平, 姜姝英

(江蘇科技大學 船舶與建筑工程學院,江蘇 張家港 215600)

不同構造條件下混凝土柱-鋼梁混合節(jié)點抗震性能的比較研究

潘志宏, 朱延章, 周智彬, 汪 平, 姜姝英

(江蘇科技大學 船舶與建筑工程學院,江蘇 張家港 215600)

為研究不同構造條件下混凝土柱-鋼梁混合節(jié)點的抗震性能,提出一種新型鋼筋混凝土柱-鋼梁混合結構節(jié)點,對其進行了低周往復荷載試驗,并與文獻已有節(jié)點試件的抗震性能進行了對比研究.結果表明:新型節(jié)點能獲得較高的承載能力;采用削弱外伸梁端節(jié)點的構造措施,能將塑性鉸從梁端外移,避免對節(jié)點核心區(qū)的不利影響,實現(xiàn)“強柱弱梁,強節(jié)點弱構件”的抗震設計要求;該新型節(jié)點滯回曲線整體呈紡錘形,等效粘滯阻尼系數(shù)為0.31,表明端板屈曲能較好耗散能量,具有良好的耗能能力.

混合結構; 抗震性能; 節(jié)點連接

國內外學者對混凝土柱-鋼梁(Reinforeed concrete columns and steel beams,RCS)結構節(jié)點做了大量的研究,研究方向主要分為梁貫穿型節(jié)點和柱貫穿型節(jié)點[1-2],并在此基礎上進行了改進和發(fā)展[3-5].梁貫穿型節(jié)點往往需要采用復雜的構造來提高節(jié)點的強度和剛度,以避免節(jié)點區(qū)域發(fā)生剪切和承壓破壞.這些構造不僅對抗震性能產生影響,同時增加了施工難度.柱貫穿型節(jié)點中,鋼梁通過栓接,焊接或連接件(角鋼、短T型鋼和端板)等連接在柱端,節(jié)點核心區(qū)受力復雜,連接不當容易對節(jié)點核心區(qū)產生不利影響.如在栓接節(jié)點中,柱上打孔將削弱混凝土柱的抗剪能力;焊接節(jié)點中,焊縫將成為節(jié)點最薄弱的環(huán)節(jié).

基于傳統(tǒng)的RCS節(jié)點構造形式在節(jié)點受力性能及施工操作等方面仍存在局限性,為研究不同構造條件下混凝土柱-鋼梁混合節(jié)點的抗震性能,文中通過與已有的柱貫穿型中栓接節(jié)點[6]對比,提出一種新型RCS節(jié)點,該新型節(jié)點可實現(xiàn)工廠預制,現(xiàn)場裝配的生產方式:“田字”鋼板柵預制好,與外伸的剛梁臂預埋在混凝土柱中,現(xiàn)場通過螺栓將梁和鋼梁臂拼接即可完成框架的施工,符合建筑產業(yè)化的生產要求.文中研究了該新型節(jié)點在低周反復荷載下的抗震性能,對促進裝配式結構的發(fā)展具有重要工程實踐意義,也為裝配式混合結構節(jié)點構造在工程實踐中推廣提供依據(jù).

1 試驗

文獻[6]中通過低周反復試驗,研究了兩種不同構造的混凝土柱-鋼梁節(jié)點的抗震性能.根據(jù)連接錨固螺栓數(shù)量不同以及梁柱的連接方式不同分為兩個試件RCSJ1和RCSJ2,試件構造為:在柱中預埋錨栓將連接板連接于柱端,兩者之間涂結構膠加強粘結,鋼梁上下翼緣焊接于連接板上,用螺栓連接梁腹板的蓋板焊接于柱端的連接板上.RCSJ1和RCSJ2連接的鋼梁與混凝土柱均相同,其中鋼梁長2.5m,截面尺寸為HN350mm×175mm×6mm×9mm;混凝土柱尺寸為2200mm×400mm×400mm,柱配筋10φ16,φ8@100[6].節(jié)點構造如圖1,2.

圖1 RCSJ1試件概況及節(jié)點連接方式(單位：mm)Fig.1 Details of RCSJ1 and connections of joints(unit:mm)

圖2 RCSJ2試件概況及節(jié)點連接方式(單位：mm)Fig.2 Details of RCSJ2 and connections of joints(unit:mm)

文中提出的新型RCS節(jié)點,節(jié)點區(qū)域采用梁貫穿型,且梁間采用端板拼接,其構造特點如下:①節(jié)點核心區(qū)通過增設“田字”鋼板柵(用角鋼焊接而成,“田字”型鋼板柵分別焊接在預埋鋼梁的上下翼緣,與鋼梁形成一個整體),對核心區(qū)形成有效的約束,從而增強節(jié)點核心區(qū)的強度和剛度.②采用削弱外伸梁端節(jié)點的構造措施[7-8],將塑性鉸的位置從梁端外移到削弱處,避免塑性鉸對節(jié)點核心區(qū)的不利影響,符合強節(jié)點、弱構件的抗震設計理念.外伸梁端節(jié)點通過端板連接,利用端板屈曲耗能,而且有利于震后的修復和替換.新型節(jié)點編號為RCSJ3.RCSJ3鋼梁長1.3m,截面尺寸為HN350mm×175mm×7mm×11mm,混凝土柱尺寸為2200mm×400mm×400mm,柱配筋為12φ16,φ8@100.以上所用鋼材均為Q235鋼,混凝土強度等級為C30,試件所用螺栓均為8.8級摩擦型高強螺栓,摩擦面用噴砂處理.節(jié)點構造如圖3,實物如圖4.

圖3 RCSJ3試件概況及節(jié)點連接方式(單位：mm)Fig.3 Details of RCSJ3 and connections of joints(Unit:mm)

圖4 RCSJ3節(jié)點構造實物Fig.4 Material object of RCSJ3 joints

2 試驗結果對比分析

2.1 試驗破壞特征

根據(jù)各試件的加載情況,將試件的受力過程分為4個階段:未裂階段、開裂階段、屈服階段、破壞階段,各階段梁端荷載的實測值見表1,其中試件RCSJ1和RCSJ2試驗值參考文獻[6].

表1 試驗結果一覽表Table 1 Test results of specimens

注:1)Pcr,Δcr為節(jié)點區(qū)混凝土開裂荷載與位移;Py,Δy為屈服荷載與位移;Pmax,Δmax為最大荷載與位移;Pu,Δu為破壞荷載與位移;
2)由于參考試件RCSJ1和RCSJ2破壞前節(jié)點核心區(qū)域無裂縫,故Pcr值和Δ值未知.

試件RCSJ1和RCSJ2破壞形態(tài)基本相同，都是焊縫被拉斷,不同之處在于RCSJ1在加載約到60kN時,檢查發(fā)現(xiàn)梁一側下翼緣與封口板對接焊縫局部被拉裂,而RCSJ2在加載約到45kN時發(fā)現(xiàn)焊縫被拉裂.兩試件在之后的循環(huán)過程中,裂縫處快速擴展,隨之貫穿整條裂縫,在繼續(xù)加載過程中,另一側的翼緣與封口板對接焊縫的端部也出現(xiàn)了局部拉裂的情況.試驗結束后,檢查構件發(fā)現(xiàn)梁下翼緣與封口板之間的焊縫被拉斷,節(jié)點區(qū)混凝土無破壞跡象[6].

試件RCSJ3最終破壞是端板屈曲斷裂,在加載到145kN時,鋼梁與混凝土相接觸的表面出現(xiàn)初始裂縫,沿著鋼梁根部向柱發(fā)展,此時梁端水平位移為12mm.位移加載到24 mm,對應荷載為184 kN時,端板開始屈服.當加載到42mm,左下焊縫斷裂,蓋板明顯屈服,如圖5a);隨著位移加大,焊縫接連破壞,圖5b)為右上焊縫破壞；最后,焊縫處端板屈曲斷裂,而混凝土核心區(qū)未出現(xiàn)斜裂縫,只有初始的幾條垂直向裂縫,如圖5c).

2.2 承載能力

試件RCSJ3鋼梁的長度1.3m,而RCSJ1和RCSJ2的鋼梁長度為2.5m,所以梁端加載點到混凝土柱的距離不同,導致荷載差別很大,為了更好地觀察和分析數(shù)據(jù),將RCSJ3的數(shù)據(jù)根據(jù)梁端彎矩等效原則進行換算,得到表2.對比表2中各試件的試驗值發(fā)現(xiàn),試件RCSJ3的屈服荷載、極限荷載都比其他兩個高很多,說明該新型節(jié)點具有較高的承載能力.

a) 蓋板屈服

c) 最終破壞

表2 換算之后各試件的試驗值Table 2 Test results of specimens after equal conversion

2.3 破壞機理

RCSJ1和RCSJ2節(jié)點連接采用焊縫連接,鋼梁翼緣與封口板對接焊縫被拉斷產生脆性破壞,使得其他各連接板件的強度未能得到充分利用,混凝土柱以及鋼梁板件無明顯破壞跡象,直接導致承載力各項指標偏低.節(jié)點組合件破壞未能形成理想的梁鉸機制.

試件RCSJ3采用削弱外伸梁端節(jié)點的構造措施,將塑性鉸的位置外移到削弱處,利用端板的屈曲耗散地震能量,避免對節(jié)點核心區(qū)的不利影響, 最終為端板屈曲破壞即削弱外伸梁端節(jié)點的梁鉸機制破壞,實現(xiàn)了預期破壞的模式.試件RCSJ3節(jié)點核心區(qū)未出現(xiàn)剪切裂縫,僅梁柱交接處有少許垂直裂縫,由于能夠有效發(fā)揮各連接構件的強度,承載能力最高.

2.4 滯回曲線

各試件的荷載-位移滯回曲線如圖6,其中試件RCSJ1和RCSJ2試驗值參考文獻[6],通過對比各試件發(fā)現(xiàn),RCSJ2滯回曲線沒有RCSJ1飽滿,說明錨栓個數(shù)的增加能夠提高節(jié)點抗震能力;試件RCSJ3滯回曲線比較飽滿,耗能能力良好,說明端板屈曲能夠有效地耗散地震能量.

a) RCSJ1

b) RCSJ2

c) RCSJ3

2.5 延性

節(jié)點試件的延性是表征變形能力的一個重要參數(shù),是結構、試件截面超過彈性階段后其承載能力顯著下降情況下的變形能力,延性通常采用延性系數(shù)表示.

延性系數(shù)是反映結構塑性變形能力和衡量受力性能的重要指標,延性系數(shù)越大,節(jié)點進入塑性狀態(tài)后所能承受的變形就越大,節(jié)點的延性就越好.各試件的延性系數(shù)如表3;對于混凝土結構一般要求延性系數(shù)大于2,文中3個試件的位移延性系數(shù)均大于2,滿足抗震設計要求.

表3 試件延性系數(shù)Table 3 Ductility coefficient

2.6 耗能能力

梁柱組合體試件在地震反復荷載下達到滿意的性能,則須要試件在沒有過快的剛度和強度退化條件下能耗散更多的能量.結構的耗能性能是其受力性能的主要衡量指標,試件在反復交變荷載作用下每經(jīng)過一個循環(huán),加載時先吸收能量,卸載時釋放能量,但兩者不相等.兩者之差為構件在一個循環(huán)中的“能量耗散”，即一個滯回環(huán)所包含的面積.在現(xiàn)代工程抗震中,耗能能力的大小通常用等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E來評價.圖7為一個典型的滯回環(huán).

圖7 耗能示意Fig.7 Sketch of energy dissipation

等效粘滯阻尼系數(shù)he的計算公式為

我國《建筑抗震試驗方案規(guī)程》(JG101—96)對混凝土結構、鋼結構、砌體結構、組合結構的構件及節(jié)點抗震基本性能試驗和低周反復作用下的抗震性能試驗,規(guī)定以能量散系數(shù)E來衡量試件的能量耗散能力

各試件的等效粘滯阻尼系數(shù)he和能量耗散系數(shù)E見表4.

表4 試件等效粘滯阻尼系數(shù)和能量耗散系數(shù)Table 4 Equivalent viscous damping and energydissipation coefficient

RCSJ1和RCSJ2等效粘滯阻尼系數(shù)和能量耗散系數(shù)均滿足抗震設計要求,試件應變片顯示[6]:兩節(jié)點翼緣端部屈服,腹板處于彈性階段,加載后期稍有變化,連接底板產生塑性變形但未屈曲,RCSJ1錨栓應變大于RCSJ2,但未屈服.可見連接處的翼緣、腹板、連接底板、錨栓都對耗能能力做出貢獻,RCSJ1的耗能能力均比RCSJ2要強,其試件區(qū)別在于連接柱和連接板的錨栓數(shù)量不同,可見錨栓作為塑性材料在耗能方面發(fā)揮了很大的作用. RCSJ3的等效粘滯阻尼系數(shù)和能量耗散系數(shù)為3個試件中最大,說明其端板屈曲能夠很好耗散能量,該新型節(jié)點具有良好的抗震性能.

3 結論

1) 文中提出的新型節(jié)點具有較高的承載能力,能實現(xiàn)“強柱弱梁,強節(jié)點弱構件”的抗震設計要求,采用削弱外伸梁端節(jié)點的構造措施,能將塑性鉸從梁端外移,避免對節(jié)點核心區(qū)的不利影響.

2) 新型節(jié)點滯回曲線整體呈紡錘形,等效粘滯阻尼系數(shù)為0.31,利用端板屈曲能夠較好耗散能量,具有良好的耗能能力.

3) 通過對比其他試件發(fā)現(xiàn),新型節(jié)點具有較高承載能力,能夠發(fā)揮各連接構件及混凝土的強度.

4) 由于連接部位的破壞主要集中在拼接處,而節(jié)點核心區(qū)沒有破壞,說明通過合理設計,能實現(xiàn)混合結構節(jié)點震后破損構件的修復和替換.

5) 各試件破壞主要表現(xiàn)為焊縫斷裂后,承載力急劇下降,由此說明,焊縫的質量非常重要,在這種節(jié)點的抗震設計中須要引起重視.

Refrences)

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(責任編輯：顧 琳)

ComparativestudyonseismicbehaviorofanewtypeofRCcolumns-steelbeamconnectionswithdifferentdetails

Pan Zhihong, Zhu Yanzhang, Zhou Zhibin, Wang Ping, Jiang Shuying

(School of Naval Architecture and Architectural Engineering,Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang Jiangsu 215600,China)

In order to study the seismic behavior of RC columns-steel beams with different details, a new type of RC columns-steel beam connection was proposed. Through the experimental study on low cycle loading, the seismic behavior of the joint was analyzed, and the node was compared with existing joints. The research shows that: the new node can obtain higher bearing capacity; the position of plastic hinge is out-transmitted to the weakening section which may avoid the unfavorable influence of plastic hinge on the joint core by the weakened structural measures of overhanging beam; strong column and weak beam, strong node weak component of the seismic design requirements is realized. The hysteretic curve of the new node is spindle-shaped; equivalent viscous damping coefficient is 0.31. The buckling end plate can dissipate energy, and it has good energy dissipation capacity.

hybrid frame; seismic behavior; connection

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.04.005

2013-03-13

中鐵集團科研項目;江蘇省研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX13-709);江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃(201310289032Z);江蘇科技大學大學生創(chuàng)新計劃項目

潘志宏(1970-),男,博士,教授,研究方向為基于性態(tài)抗震理論、方法和應用，既有建筑功能提升改造技術，新型工業(yè)化結構體系研發(fā)等.E-mail:plfxlf@yahoo.cn

TU528.59

A

1673-4807(2014)04-0326-06