異形鋼骨混凝土柱—鋼梁節(jié)點受剪承載力試驗

肖云峰，曾　磊，陳　娟，靳思騫，崔振坤

( 1.長江大學城市建設學院， 湖北荊州434023； 2.武漢建工集團股份有限公司， 湖北武漢430065)

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異形鋼骨混凝土柱—鋼梁節(jié)點受剪承載力試驗

肖云峰1，曾磊1，陳娟1，靳思騫1，崔振坤2

( 1.長江大學城市建設學院， 湖北荊州434023； 2.武漢建工集團股份有限公司， 湖北武漢430065)

為研究異形鋼骨混凝土柱—鋼梁框架節(jié)點的地震破壞機理和受剪承載力，進行了4個T形配鋼柱—鋼梁節(jié)點和4個L形配鋼柱—鋼梁節(jié)點的低周往復荷載試驗，研究了軸壓比、混凝土強度等級和核心區(qū)配箍率對節(jié)點受剪承載力的影響。觀察其受力過程和失效模式，分析了節(jié)點核心區(qū)混凝土、箍筋、鋼骨腹板及鋼骨翼緣框在低周往復荷載作用下的應變變化規(guī)律及受力機理，分析了節(jié)點的各組成部分的抗剪性能。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得到節(jié)點在水平荷載作用下受剪承載力計算公式，計算值與試驗值吻合良好。

異形鋼骨混凝土柱；框架節(jié)點；擬靜力試驗；受剪承載能力

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)具有承載能力高、抗震性能好等諸多優(yōu)點[1-2]，目前已在高層、超高層結(jié)構(gòu)以及大跨度結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應用。實際工程中，為了避免框架柱在室內(nèi)凸出墻體，影響建筑結(jié)構(gòu)的整體美感，優(yōu)化邊柱和角柱的不均勻偏心受力狀態(tài)[3]，使得異形鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外得到較多的應用。

節(jié)點是連接框架梁、柱構(gòu)件的關鍵部位，其內(nèi)力傳遞機理十分復雜。因此，研究地震作用下異形鋼骨混凝土柱—鋼梁框架節(jié)點的承載能力和破壞機理成為該類新型結(jié)構(gòu)體系推廣應用的研究重點。目前對鋼筋混凝土框架節(jié)點的受力機理研究較多，斜壓桿機理、桁架機理、剪摩機理等相繼被提出[4-6]；對于鋼骨混凝土框架節(jié)點，文獻[7-9]提出了節(jié)點核心區(qū)的水平受剪承載力的理論公式。但是對于異形鋼骨混凝土框架節(jié)點的研究則相對較少，相關規(guī)范及行業(yè)標準也未對其做出明確的規(guī)定。

本文進行了4個T形截面鋼骨混凝土柱—鋼梁節(jié)點和4個L形截面鋼骨混凝土柱—鋼梁節(jié)點的擬靜力試驗，試驗考慮了混凝土強度等級、核心區(qū)配箍率和軸壓比等參數(shù)的影響，研究了低周往復荷載作用下的受力過程和破壞形態(tài)，并基于試驗結(jié)果提出了節(jié)點受剪承載能力實用計算公式。

1　試驗研究

1.1概況

按照“強構(gòu)件，弱節(jié)點”原則，選取框架結(jié)構(gòu)中間層邊節(jié)點(T形柱節(jié)點)和角節(jié)點(L形柱節(jié)點)梁柱反彎點間的典型單元部分作為試驗對象，研究異形鋼骨混凝土柱—鋼梁框架節(jié)點的受力破壞過程和受剪承載力。試驗設計了4個T形配鋼柱—鋼梁框架節(jié)點和4個L形配鋼柱—鋼梁框架節(jié)點，框架柱的配鋼率均為6.96%。所有試件縮尺比例均為1∶2，節(jié)點構(gòu)造及應變測試布置見圖1，試件具體尺寸及配鋼形式見圖2，試件設計參數(shù)見表1。

采用C30和C60細石混凝土澆筑，縱筋采用直徑為10 mm的HRB335級鋼筋，箍筋采用直徑為4 mm的冷拔鋼絲，柱鋼骨和鋼梁分別采用6 mm和8 mm Q235鋼板焊接成型。實測混凝土立方體抗壓強度、鋼筋與鋼板的抗拉強度及屈服強度等力學性能參數(shù)見表2和表3。

(a) T形節(jié)點

(b) L形節(jié)點

圖1節(jié)點構(gòu)造及應變片布置

Fig.1Jointconstruction sketch and strain gages

(a) T形邊節(jié)點

(b) L形角節(jié)點

(c) T形邊節(jié)點截面 (d) L形角節(jié)點截面 (e) 工字鋼梁截面

圖2　構(gòu)件構(gòu)造與截面參數(shù)Fig.2　Specimen layout and section parameters表1　相關設計參數(shù)Tab.1　Design parameters

表2　混凝土材料性能Tab.2　Concrete properties

表3　鋼材材料性能Tab.3　Steel properties

1.2試驗加載及量測裝置

圖3　試驗加載裝置Fig.3　Test setup

試驗采用柱端加載方式，如圖3所示。開始加載時，豎向采用200T液壓千斤頂施加至設計值，并保持恒定；為了讓千斤頂能隨柱頂同步水平移動，千斤頂與上部反力梁之間布置了滾輪小車；采用100T電液伺服作動器施加水平往復荷載，并通過位移控制加載；在試件屈服前，每級位移荷載循環(huán)往復一次，在試件屈服后，以屈服位移倍數(shù)逐級加載，且每級位移荷載循環(huán)往復三次，直至水平反力荷載下降到最大極限荷載的85%或試件無法承受豎向荷載時停止加載，試驗宣告結(jié)束。

2　試驗現(xiàn)象及破環(huán)形態(tài)

試件破壞形態(tài)主要可以分為兩類:節(jié)點核心區(qū)剪切斜壓破壞和節(jié)點核心區(qū)焊縫拉裂失效破壞。其中試件TJ-4由于加載設備故障導致試驗失敗。

2.1節(jié)點核心區(qū)剪切斜壓破壞

當軸壓比為0.6時，框架柱承受的豎向荷載較大，試件發(fā)生以核心區(qū)混凝土被壓碎脫落為破壞特征的剪切斜壓破壞。加載過程中，隨著水平荷載的不斷增大，節(jié)點核心區(qū)混凝土出現(xiàn)斜裂縫，并逐漸形成多條交叉貫通X形斜裂縫。加載至極限荷載時，裂縫條數(shù)增加并最終趨于穩(wěn)定，裂縫寬度變大，核心區(qū)混凝土先后被壓碎脫落。加載后期，試件承載力和剛度退化顯著。節(jié)點核心區(qū)剪切斜壓破壞的典型破壞形態(tài)見圖4(a)。

2.2節(jié)點核心區(qū)焊縫拉裂失效破壞

當軸壓比為0.3時，框架柱承受的豎向荷載較小，試件發(fā)生以梁柱焊縫被拉裂為破壞特征的焊縫拉裂失效破壞。與發(fā)生節(jié)點核心區(qū)剪切斜壓破壞的試件類似，水平荷載加載至極限荷載的60%左右時，核心區(qū)混凝土出現(xiàn)X形交叉斜裂縫。當荷載逐漸增大，斜裂縫發(fā)展緩慢并趨于穩(wěn)定。加載至極限荷載時，可以聽到梁柱交界處發(fā)出明顯的咔嚓聲，承載力迅速下降。試驗結(jié)束后，砸開核心區(qū)混凝土，發(fā)現(xiàn)鋼梁翼緣與柱鋼骨之間的連接焊縫被拉裂。節(jié)點核心區(qū)焊縫拉裂失效破壞的典型破壞形態(tài)見圖4(b)。

3　應變分析

試件LJ-2發(fā)生典型的節(jié)點核心區(qū)剪切斜壓破壞，以該試件為例對節(jié)點核心區(qū)鋼骨、箍筋、鋼骨翼緣框的應變進行了分析。

3.1節(jié)點核心區(qū)鋼骨應變

試驗加載各階段節(jié)點核心區(qū)鋼骨腹板的主應變值如圖5所示。節(jié)點核心區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫之前，鋼骨腹板應變較小，節(jié)點水平剪力主要由混凝土承擔；隨后，節(jié)點核心區(qū)混凝土形成X形斜裂縫，鋼骨腹板應變逐漸增大，鋼骨腹板開始承受更多的節(jié)點水平剪力；試件屈服時，鋼骨腹板局部屈服，并且屈服的區(qū)域隨著荷載的增加逐漸增大；當試件達到極限荷載時，整個鋼骨腹板幾乎全部屈服，鋼骨腹板的受剪作用得到了充分發(fā)揮；試件破壞時，鋼骨腹板整體屈服，部分區(qū)域進入強化階段，但由于一些箍筋被拉開失去約束作用且核心區(qū)混凝土大量被壓碎剝落，節(jié)點整體受剪承載力降低，但下降較為平緩。試件破壞時，鋼骨腹板主應變方向約為45°。

圖5　鋼骨腹板主應變及其方向

3.2節(jié)點核心區(qū)箍筋應變

在施加水平荷載之前，框架柱已經(jīng)承受了一定的軸力，核心區(qū)箍筋已出現(xiàn)拉應變，但應變值較小，僅為屈服應變的12%左右；當開始施加水平荷載直至混凝土開裂前，箍筋應變增長十分緩慢，此階段核心區(qū)受剪承載力主要由混凝土和鋼骨共同承擔；隨著水平荷載的增大，箍筋應變逐漸增大，在達到屈服荷載時，箍筋應變約為屈服應變的70%左右；荷載繼續(xù)增加，核心區(qū)混凝土出現(xiàn)多條X形斜裂縫，箍筋應變增長較快，其值達到2 000～2 350 με；試件進入破壞階段后，核心區(qū)混凝土被壓碎脫落，箍筋應變迅速增大，箍筋的應變達到2 510～2 830 με，說明箍筋對核心區(qū)受剪起到了一定作用，但試件破壞時部分箍筋已被拉開失效。

3.3節(jié)點核心區(qū)鋼骨翼緣框

在節(jié)點核心區(qū)，鋼骨柱翼緣與鋼梁上下翼緣高度處的水平加勁板共同形成了一個封閉的翼緣框。加載初期，翼緣框應變較小，僅為屈服應變的15%左右，其承擔水平剪力較小，主要起到約束混凝土的作用；當達到屈服荷載時，翼緣框應變逐漸增大至屈服應變的35%左右；當加載至極限荷載時，鋼骨腹板已接近全部屈服，翼緣框應變相應增長較快，應變達到屈服應變的70%左右；當加載至破壞荷載時，翼緣框水平加勁板焊縫撕裂，但翼緣框一直未達到屈服應變，說明翼緣框未能充分發(fā)揮其受剪承載力。

4　受力機理與承載力計算

圖6為節(jié)點水平剪力計算簡圖，其中Vc為柱上、下端混凝土所受剪力；Vb為梁端所受剪力；Ctt，Cbb和Cb分別為節(jié)點上、下端及梁端腹板所受壓力；Ttt,Tbb和Tt分別為節(jié)點上、下端及梁端腹板所受拉力。由梁端、柱端彎矩及平衡條件可以推導出節(jié)點核心區(qū)承受的水平剪力Vj。

(1)

圖6　水平剪力計算簡圖Fig.6　Calculation diagram of the shear

式中，Mb為鋼梁梁端彎矩；Hb為鋼梁截面高度；H為鋼骨混凝土柱截面高度。

對于承受水平剪力的鋼骨混凝土框架梁柱節(jié)點，鋼筋和混凝土部分的受剪可視為混凝土斜壓桿機理加桁架受剪機理，鋼骨部分(鋼骨腹板和鋼骨翼緣框)的受剪可視為“框架—鋼板剪力墻”受剪機理[10-12]?？梢哉J為節(jié)點受剪承載力是由混凝土、鋼骨腹板、核心區(qū)箍筋和鋼骨翼緣框四個部分的受剪承載力Vc、Vw、Vsv和Vf疊加。

4.1混凝土受剪

由試驗結(jié)果可知，試件屈服前，水平剪力主要由混凝土承擔，鋼骨只承擔較少部分的剪力，節(jié)點受剪主要由混凝土斜壓桿決定[13]。節(jié)點核心區(qū)在柱端彎矩和梁端彎矩作用下，沿著核心區(qū)對角線方向的混凝土區(qū)域承受壓應力，垂直于此方向的混凝土區(qū)域則承受拉應力，當水平荷載不斷變大，沿著對角線會產(chǎn)生45°或135°斜裂縫，形成混凝土斜壓桿，斜壓桿的受壓能力決定了核心區(qū)的受剪能力。

核心區(qū)混凝土水平受剪承載力由斜壓桿的水平分力提供，主要與斜壓桿的抗壓能力與斜壓桿寬度有關。由于節(jié)點核心區(qū)混凝土受到核心區(qū)翼緣框和箍筋的約束，使其受剪承載力比普通鋼筋混凝土的受剪承載力大得多。核心區(qū)斜壓桿受壓承載力用下式表示：

Vc=fcHbjcosθ,

(2)

斜壓桿等效寬度H可以用柱截面高度和梁截面高度表示，并同時用節(jié)點截面高度進行相應的代換，則斜壓桿寬度可表示為：

(3)

式中，α為斜壓桿有效寬度與核心區(qū)對角線的比值；β為梁、柱截面高度的比值。

Vc=γfchjbjcosθ,

(4)

其中，斜壓柱傾角θ與梁、柱受壓區(qū)高度有關:

(5)

系數(shù)γ受軸壓比影響較大，通過對試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸[14]，可以得到系數(shù)γ與軸壓比n的關系：

γ=0.25+0.1n。

(6)

4.2箍筋受剪

試件屈服后，節(jié)點核心區(qū)混凝土產(chǎn)生多條交叉的斜裂縫，將該區(qū)域分割成許多菱形小塊，此時核心區(qū)只能借助縱筋和箍筋的約束來傳遞內(nèi)力，從而從屈服前的斜壓桿機理逐漸轉(zhuǎn)為由水平箍筋來承擔水平剪力、縱筋來承擔豎向力的受力模式。因此，節(jié)點核心區(qū)中箍筋部分的受剪由桁架機理決定。

節(jié)點核心區(qū)箍筋的受剪承載力可參考鋼筋混凝土節(jié)點的研究成果，其計算方法如下：

(7)

4.3鋼骨腹板受剪

由于鋼骨腹板的抗側(cè)剛度遠大于鋼骨翼緣框的抗側(cè)剛度，鋼骨腹板分擔了絕大部分的水平剪力。鋼骨翼緣框與鋼骨腹板共同形成“框架—剪力墻”受力體系，受力機理如圖7所示。

節(jié)點在達到屈服狀態(tài)以前，鋼骨腹板基本上都已經(jīng)屈服，受力如圖8所示。其主拉和主壓應力分別為：

(8)

(9)

式中，σcol為鋼骨腹板所受軸向應力；σ1為鋼骨腹板的主拉應力；σ3為鋼骨腹板的主壓應力；τ為鋼骨腹板所受的剪應力。

圖7“框架—剪力墻”受力機理

Fig.7Stress mechanism of the frame-shear wall

圖8鋼骨腹板應力

Fig.8Stress of the steel web

對于低碳鋼鋼骨腹板，節(jié)點在達到屈服狀態(tài)以前，鋼骨腹板處于剪切流動狀態(tài)，利用形狀改變能密度理論，即第四強度理論建立強度條件：

(10)

式中，fy表示鋼骨腹板單向拉伸屈服強度；σ1、σ2和σ3是構(gòu)件危險點處的主應力。根據(jù)鋼骨腹板應力狀態(tài)，σ2=0，化簡可得剪應力如下：

(11)

由式(11)可知，軸壓力對鋼骨受剪能力有所降低，但同時軸壓力可以提高核心區(qū)混凝土的受剪承載力。綜合考慮取鋼骨腹板的受剪承載力為：

(12)

式中，Vsv為鋼骨腹板的受剪承載力；hw和tw分別為節(jié)點區(qū)鋼骨腹板的高度和厚度；fy為鋼骨腹板單向拉伸屈服強度。

對于L形配鋼柱—鋼梁框架節(jié)點而言，L形鋼骨的截面彎曲中心與截面形心不重合，柱頂水平荷載通過截面形心，而不經(jīng)過彎曲中心，因此存在偏心扭轉(zhuǎn)。節(jié)點核心區(qū)受到水平剪力和扭矩的共同作用，其剪應力分布如圖9。考慮非對稱配鋼產(chǎn)生的偏心扭轉(zhuǎn)對節(jié)點核心區(qū)受剪承載力的不利影響，引進折減系數(shù)δ進行考慮，其值通過試驗數(shù)據(jù)回歸而得，則鋼骨腹板的受剪承載力可表示為：

(13)

利用式(13)對非對稱配鋼折減系數(shù)δ進行回歸，回歸得出δ為0.930 4，在地震作用下，節(jié)點核心區(qū)受力較復雜，波動較大，因此建議非對稱配鋼折減系數(shù)δ取0.85。

圖9　節(jié)點剪應力分布

4.4鋼骨翼緣框受剪

由試驗結(jié)果可知，鋼骨翼緣框在整個破壞過程中并沒有屈服，表明翼緣框?qū)?jié)點核心區(qū)的受剪作用較小。所以，本文忽略翼緣框?qū)?jié)點受剪承載力力的貢獻。但另一方面，翼緣框?qū)诵膮^(qū)混凝土和鋼骨腹板有一定的約束作用，提高了混凝土和鋼骨腹板的受剪承載力、延性和耗能能力，這些有利影響保守地作為節(jié)點承載力儲備進行考慮。

5　計算公式及驗算

節(jié)點核心區(qū)受剪承載力主要由混凝土、鋼骨腹板和箍筋一起承擔，其計算公式為：

(14)

式中各參數(shù)意義及取值如前文所述，抗震設計時還需考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

按式(14)所得節(jié)點核心區(qū)受剪承載力計算值與試驗實測值的比較結(jié)果如表4所示，可以看出，理論值與試驗值吻合較好。

表4　節(jié)點受剪承載力計算值與試驗值比較Tab.4　Comparison of calculation value and test value

6　結(jié)　語

通過對4個T形柱—鋼梁節(jié)點和4個L形柱—鋼梁節(jié)點受剪承載力的試驗研究，得到以下結(jié)論：

①對于L形異形鋼骨混凝土柱—鋼梁框架節(jié)點，其受剪承載能力受到偏心扭轉(zhuǎn)的影響，節(jié)點核心區(qū)鋼骨腹板貢獻的承載力必須予以折減, 折減后得到了異形鋼骨混凝土柱—鋼梁框架節(jié)點受剪承載能力的計算公式，計算值與試驗值吻合較好。

②由于節(jié)點核心區(qū)箍筋貢獻的受剪承載力較核心區(qū)混凝土貢獻的受剪承載力比重小，箍筋過密勢必會影響混凝土的受剪能力，且箍筋布置過密會影響施工過程中混凝土的澆筑與振搗。因此，設計中可適當放寬鋼骨混凝土框架節(jié)點的箍筋設置與構(gòu)造要求。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

Experimental study on shear capacity of joints between steel reinforced concrete special-shaped column and steel beam

XIAO Yun-feng1, ZENG Lei1, CHEN Juan1, JIN Si-qian1, CUI Zhen-kun2

(1. School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;2. Wuhan Construction Engineering Co., Ltd, Wuhan 430065, China)

To study the seismic failure mechanism and shear capacity of frame joints between steel reinforced concrete special-shaped column and steel beam, 4 joints with T-shaped section and 4 joints with L-shaped section were tested under reversed cyclic loading, and the influence of axial compression ratio, concrete strength and core area stirrup ratio on shear capacity was studied. The deformation characteristics and the failure mode were investigated, the strain variation and mechanical behavior of the concrete, the stirrup, the steel web and the steel flange in core area of the joints under reversed cyclic loading were investigated, and shear capability of each part in the joints was investigated. By analyzing the test data, formulas for shear capacity under horizontal loading were put forward. The calculated results agree well with the test results.

special-shaped steel reinforced concrete column; frame joints; quasi-static test; anti-shear capacity

2016-04-11；

2016-05-13

國家自然科學基金資助項目(51108041);湖北省自然科學基金資助項目(2011CDB009);湖北省教育廳科學技術研究資助項目(Q20111306)和湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃資助項目(T201303)

曾磊(1979—)，男，湖北洪湖人，長江大學副教授，工學博士；E-mail: zenglei28@126.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1045

TU398.9

A

1001-7445(2016)04-1045-09

引文格式：肖云峰，曾磊，陳娟,等.異形鋼骨混凝土柱—鋼梁節(jié)點受剪承載力試驗[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1045-1053.