钢管混凝土柱结构节点抗震性能研究

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2019-07-07
简介
钢管混凝土结构推广应用的关键技术问题之一是节点问题。通过低周反复荷载试验及地震模拟振动台试验,对三种型式的钢管混凝土柱框架结构的梁柱节点(单梁节点、单双梁节点、双梁节点)的抗震性能进行了理论分析及试验研究,研究表明,三种节点均具有良好的抗震性能,其中尤以单梁节点为最佳。研究成果可供结构设计和工程应用参考。

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钢管混凝土柱结构节点抗震性能研究!黄襄云周福霖罗学海王立超广州大学工程结构抗震研究中心广州提要钢管混凝土结构推广应用的关键技术问题之一是节点问题。通过低周反复荷载试验及地震模拟振动台试验对三种型式的钢管混凝土柱框架结构的梁柱节点单梁节点、单双梁节点、双梁节点的抗震性能进行了理论分析及试验研究研究表明三种节点均具有良好的抗震性能其中尤以单梁节点为最佳。研究成果可供结构设计和工程应用参考。关键词钢管混凝土节点抗震性能地震模拟振动台试验广州市建委资助项目。图"节点构造示意图一、前言我国大多数钢管混凝土结构工程采用的节点形式为现浇钢筋混凝土梁H钢管混凝土柱节点。近几年建设部、建材总局和能源部先后颁布了钢管混凝土结构设计与施工规程或标准I并提供了几种典型的钢管混凝土柱节点形式及构造措施。许多结构工程师也根据自己的工程经验和实际情况创造并设计出许多新型节点。面临节点型式多样化试验和理论研究严重滞后于实际工程应用的现状对节点抗震性能进行试验与理论研究具有重大的研究价值和现实意义。本文讨论的节点型式有三种单梁节点、单双梁节点和双梁节点均属于现浇钢筋混凝土梁H钢管混凝土柱节点节点型式如图"所示。单梁节点是由部分伸入钢管混凝土<=%>柱内的“”形双槽钢钢牛腿与钢筋混凝土A<梁纵筋搭接形成劲性梁并整浇构成的柱内节点区设有水平环筋以增加节点的整体性和刚性并且钢牛腿与钢管交接处沿钢管外壁设有钢环箍以减小此处的应力集中。双梁节点是由“F”形承重销钢牛腿及在钢管外侧绕过的梁主筋整浇构成的A<梁通过四个主轴方向和四个$!J方向的承重销牛腿以传递梁端内力。因其梁筋无需穿过钢管施工方便。单双梁节点为单梁和双梁之间转换的连接节点其单梁和双梁与<=%>柱的连接分别与单梁节点和双梁节点基本相同。对三种型式节点在竖向荷载作用下的受力性能和可靠性的研究结果表明K@!"三种型式节点在设计荷载作用下均能正常工作并且具有一定的安全储备其中单梁节点受力较为明确双梁节点及单双梁节点受力较为复杂L单梁节点钢牛腿与普通A<梁纵筋的搭接过渡区劲性A<梁能够可靠传递梁端内力钢牛腿既参与抗弯又参与抗剪K双梁节点四个主轴方向的牛腿主要抗剪基本上不承受弯矩四个$!J方向的牛腿抗弯作用不大但它大大减小了节点区钢管与周边混凝土相接处的裂缝宽度明显延迟了裂缝的出现提高了节点区的抗裂能力$三种型式节点的钢牛腿所承担的剪力仅是梁端剪力的一部分而另一部分梁端剪力由节点区混凝土与钢管的粘接传递给<=%>柱!半穿心牛K第K"卷第I期建筑结构L##"年I月!"试件#"反力梁$"反力架%"反力墙&"#&’液压伺服作动器("$#)’千斤顶*"&)’千斤顶+"力传感器,"柱头抗侧装置!)"柱脚抗侧装置!!"混凝土垫块图#试验加载装置腿具有良好的受力性能其与钢管壁相接处的局部应力较不穿心牛腿与钢管壁相接处的局部应力小可有效避免因此处撕裂而导致节点的破坏。三种型式的节点现已在广州新中国大厦工程中应用。本文将从以下两个方面对节点的抗震性能作进一步的试验研究!节点的低周反复荷载试验探讨节点在反复荷载作用下的动力性能#钢管混凝土柱框架结构地震模拟振动台试验研讨其整体抗震性能并验证节点的可靠性和合理性评价其抗震性能。二、低周反复荷载试验!-试件设计与制作为研究节点的动力性能检验节点设计的合理性和可靠性进行了低周反复荷载试验。由于节点的构造和受力较为复杂取节点模型与原型比例为!.#。节点为典型的框架中柱节点。节点的材料特性、几何尺寸及配筋情况见表!试件材料性能见表#。节点试件的几何尺寸//及配筋表!几何尺寸配筋钢管混凝土柱直径0壁厚0高承重销单梁双梁单双梁形双槽钢工字钢形双槽钢工字钢钢筋混凝土梁、板截面!0"长梁长度短梁长度板厚梁主筋单梁双梁单双梁单梁双梁梁箍筋板筋&))0+0#)))腹板#+)0(翼缘&)0(腹板#+)0!)翼缘*)0!)腹板#+)0!)翼缘&)0!)腹板#+)0!)翼缘*)0!)单梁%))0$))双梁%))0!*&$())#+))()%!"!+1%!"!($!"#)1$!"!(%!"#)1%!"!($!"#)1$!"!(!#(!!))!#(!#))试件材料性能单位234表"钢构件56$混凝土7$)钢筋"级钢#8$9#:$:#8!"!(!"!+!"#)$9$&!#-!0!)&###-&&0!)%$%)$$*$$,#-)0!)&#-加载装置与量测仪器按结构在竖向荷载和水平荷载作用下选定梁和柱的反弯点作为节点试件梁和柱的自由端分别在梁的自由端施加反复荷载同时使7;<=柱承受竖向荷载。为使节点试件受荷简单明确便于试验和分析节点试件的低周反复荷载试验仅考虑长梁方向自由端承受反复荷载短梁方向自由端只承受恒定的竖向荷载7;<=柱承受恒定的竖向荷载。试验采用三道平行的门式反力架作为长梁自由端、短梁自由端及柱头加载的反力基座反力架平行于短梁方向分别位于长梁的两个自由端、7;<=柱上方。加载装置如图#所示。根据研究目的确定量测内容为传感器置于液压伺服作动器或液压千斤顶与试件之间测定各加载点加载数值。位移传感器置于梁自由端及节点两侧测定梁自由端挠度及节点区梁柱相对转角。在试件中布置一定数量的应变片测定钢构件及钢筋应变分析节点受力机理评定节点强度及刚度。使用裂缝观测仪记录各级荷载下构件的裂缝宽度。$-加载制度节点低周反复荷载试验采用变力"变位移加载制度加载步骤如下!在柱头施加竖直向下荷载一次加载至%!>#&))?@并在整个试验过程中保持恒定#分别在长梁自由端施加反复荷载加载的频率为)-#AB。力控加载阶段加载分四级各级荷载分别为&)C*&C+&C,)C的梁端屈服荷载%8每级荷载反复一次。位控加载阶段每级位移控制值按梁端屈服荷载%8对应的梁自由端位移!8计算值的倍数#!8$!8…增加。在每级控制位移下反复三次。加载程序图见图$所示。%-试验结果分析!节点试件的破坏形态单梁节点的破坏形式为梁端的剪切破坏和弯曲破坏。剪切破坏为在钢牛腿端部约%&D角的斜线出现交叉裂缝裂缝宽度达到#-&//。弯曲破坏在钢牛腿端部混凝土压碎。破坏以剪切破坏为主。整个试验过程中7;<=柱节点完好。%标准分享网www.bzfxw.com免费下载图!节点破坏形态图"低周反复荷载试验加载程序图双梁节点试件的梁残余变形较大梁的自由端位移为#$%%梁根部的剪切裂缝和弯曲裂缝贯通裂缝宽度达&!"%%梁底混凝土压碎脱落钢筋屈服呈现较为明显的剪切破坏和弯曲破坏形式图!’加载一侧的节点区环梁上表面与()*+柱间出现明显的脱离同时节点区内伴有与梁方向垂直并与()*+柱相切的弯曲裂缝其宽度为,-#%%此裂缝发生在梁端严重破坏以后。楼板上出现大量与梁方向垂直的弯曲裂缝其宽度达"%%。单双梁节点试件的单梁自由端竖向残余变形为,.%%梁根部的剪切裂缝和弯曲裂缝贯通裂缝宽度达&!"%%。单双梁节点试件的双梁自由端竖向残余变形为!$%%梁根部的剪切裂缝和弯曲裂缝贯通裂缝宽度达&%%均呈现较为明显的剪切破坏和弯曲破坏形式。节点区基本完好无损图!/0。从三种节点型式的破坏情况看节点均为梁端塑性铰破坏满足强柱弱梁、强节点弱构件的抗震要求。&节点的强度节点试件的破坏发生在梁端整个试验过程中节点区基本完好无损因此梁的安全度是节点强度的可靠保证。可将梁的安全系数作为节点的安全度来考虑。根据文献,&的计算理论按材料的实测强度计算出1(梁与节点交界处截面计算截面所能承受的弯矩作为计算弯矩!以试验测得的计算截面主筋开始屈服时梁的弯矩作为梁的实际抗弯能力!2节点的荷载位移曲线中荷载的最大值所对应的计算截面的弯矩!23为实际最大抗弯能力。取梁的安全系数为"4!23!或!2!其值见表"所示表中安全系数均大于,-$节点处梁端的强度满足要求。"节点的刚度梁柱节点的混凝土为("$钢管材料为5&"#主筋为"级钢筋。节点的抗弯刚度模量见表!。单梁节点区变形较小刚度较大可认为节点是刚性的。双梁节点区的变形较大刚度较小但能够满足工程应用。单双梁节点的单梁方向节点区的刚度明显比双梁方向节点区的刚度大节点的刚度也能够满足工程应用。梁节点的安全系数表!分类弯矩!67・%!267・%"!2367・%"单梁双梁单双梁负弯矩,,#-8,&8-,,-,$,#$-$,-"$正弯矩.,-#,&&-",-"","9-:,-#,负弯矩,::-.,."-.,-,:;;正弯矩,",-:,&.-"$-9.,.:-$,-!.单梁正弯矩,,&-$,,#-$,-$&,:,-",-!!双梁正弯矩,!9-$,#&-!,-$&,:#-8,-,节点抗弯刚度模量表"分类弯矩设计弯矩!267・%!2对应的实测转角!2,$;"<’=按实有强度计算弯矩!&67・%!&对应的实测转角!&,$;"<’=抗弯刚度模量,$!67・%#24!2!2#&4!&!&单梁双梁单双梁负弯矩8&-#,-&,,#-8&-&:-$#-"正弯矩#8-",-#.,-#&-$"-9!-:负弯矩.!#-.,::-.:-,,-:#-:正弯矩9&-"#-$,",-:8-$,-:,-.单梁正弯矩8$-#,-$,,&-$&-#8-,!-#双梁正弯矩.8-,"-,,!9!-""-""-!!!节点的延性由于试验设备原因单梁节点的试验荷载下降未超过$>的,#?无法计算节点的位移延性以对节点的抗震性能进行定量的分析。但从图#’的$;"曲线可以看出滞回曲线一般均是由梭形发展到弓形呈现出“捏缩”状说明节点具有一定的耗能能力。从图:’的$;!曲线可见节点的转角延性系数明显小于!其原因是由于梁塑性铰远离节点在部分伸入()*+柱的“”形双槽钢钢牛腿以外使布置转角测点的节点区的强度和变形变化较小从而导致转角延性系数较小。双梁节点存在弯曲裂缝和梁与柱的脱离现象使$;"曲线有很大的平滑段见图#/节点区转角明显增大见图:/。与单梁节点的曲线相比较可见双梁节点的节点区角变形#图!节点荷载—位移曲线图"节点荷载#相对转角曲线明显较单梁节点大最大可达$%!&节点转角延性接近’。双梁节点的刚性较单梁节点的差节点是否为刚性有待做进一步的研究。从单双梁节点的单梁及双梁自由端的!#!曲线可见在反复荷载作用下节点有良好的延性延性系数在(!’左右。试件破坏时节点的角变形仍很小可将其视为刚性节点。上述试验结果表明三种节点的工作性能安全可靠符合强柱弱梁、强节点弱构件的抗震设计原则。单梁节点刚度最大且有一定的耗能能力。双梁节点的延性最好但节点的刚性较弱有待于进一步研究。单双梁节点的性能处于单梁节点和双梁节点之间。在以上研究的基础上为了探讨)*+,柱框架结构整体抗震性能并验证节点的可靠性评价其抗震性能采用单梁节点制作框架结构模型进行地震模拟振动台试验"。三、地震模拟振动台试验$%模型设计广州新中国大厦采用框#剪结构体系"类场地土。地下!层地上’(层主楼部分从地下室至地上-’层的框架采用)*+,柱地上)*+,柱节点采用.)单梁节点地下室)*+,柱节点采用.)双梁节点和.)单双梁节点。根据新中国大厦的结构特点及节点静力试验结果结合地震振动台的平面尺寸和承载能力设计制作了!层-跨的)*+,柱单梁节点框架结构试验模型。模型节点与原型节点的比例为$/0。模型的照片及单梁节点构造配筋如图10所示。由于微粒混凝土材料的弹性模量较小泊松比和阻尼特性与原型混凝土接近可反映结构构件开裂等造成的内力重分布的影响模型用2$3微粒混凝土。材料抽样试验结果强度平均值为$3%$-245弹性模量平均值为$113’245。模型钢筋采用回火镀锌铁丝。根据刚度条件选用直径为--#!0#等多种规格。材性试验表明其弹性模量与$级钢筋接近。钢管采用6-(!钢材。图0单梁节点配筋图图1模型照片-%试验方案为探讨)*+,结构体系的整体抗震性能依据现有地震记录的持时、频谱特性以及以往试验的经验试验中采用多种类型地震波输入。输入的地震波为场地波、78)9:;<=波、+5:*<5:>?@>=波、天津波。加速度峰值分别为0度小震3%$1A"中震3%(!1"大震3%1$’""BA%0C@-。在模型的每层沿#向和$向各布置一个加速度传感器共计$-个测量各层的加速度反应。另在第二层的中柱、边柱、角柱各布置六个加速度传感器测量角位移。在)*+,柱框架节点处布置一定数量的应变片"标准分享网www.bzfxw.com免费下载观测节点塑性变形情况。!"试验结果分析根据文献##关于试验数据处理的规定对结构加速度反应时程进行二次积分去掉趋势项并进行滤波处理得到结构的位移反应时程。由此可得结构的侧移包络线及层间相对位移包络线。从表$及图%可见在&度大震时节点角位移最大值为!"’(#)*’+,-#"&!.节点变形很小可以认为节点是刚性的。第二层中柱节点角位移表!试验值+,-小震中震大震场地波&")(#)*!#"&(#)*’/01234+5波#"&(#)*’#"%(#)*’!"’(#)*’6,37+,389:85波’"&(#)*!;")(#)*!天津波;"’(#)*!#"$(#)*’#"%(#)*’图%&度大震下第二层节点角位移时程图图#)&度中震!向层间位移包络图试验结果表明176<柱框架结构的变形以剪切变形为主层间位移如图#)所示第三层的层间位移最大。采用结构分析软件6=>’)))对模型框架结构进行计算分析结果列于表?。由表中数据可见层间位移角的理论值和试验值的趋势基本是一致的其中的差距主要是试验时输入的地震波加速度幅值与理论分析时的幅值有一定的偏差且两者的地震波频谱亦略有出入。层间位移角的限值%在&度小震时为#@$)大震时为#$)理论值及试验值均小于该限值可以认为层间变形较小节点为刚性的。层间位移及位移角最大值表"层间位移最大值试验值AA理论值AA小震中震大震小震大震!向"向!向"向!向"向!向"向场地波)"&$#"))@"%)"?’’"@&’"!)/01234+5波’"’##"$%$"@)"&%!"$?@"?!6,37+,389:85波)"!$)"!’)"$?)"$’#")’)"!##"’##"?@天津波#"$?#"!)"&’!"’&@"#?层间位移角最大值#;)$"%#’;#"$####"##$#’"&##’%四、结论#在低周反复荷载作用下三种型式节点的破坏均为梁端的剪切破坏和弯曲破坏节点满足强柱弱梁、强节点弱构件的抗震要求具有良好的抗震性能。’节点的实际最大抗弯能力与计算抗弯能力之比均大于#节点的强度满足要求。单梁节点和单双梁节点的转角位移较小节点的抗弯模量较大节点为刚性节点且有一定的耗能能力。双梁节点的延性很好但刚性性能相对较差。三种型式的节点均可供设计时使用其中单梁节点的综合性能最佳。!在地震荷载作用下采用单梁节点的176<柱框架结构的变形以剪切变形为主层间位移、节点的角位移均满足规范要求理论计算值与试验数据基本一致。结构整体抗震性能良好。节点设计较为合理可供结构设计时参考。广东省建筑设计研究院容柏生院士等参加了本项目的研究工作对试验提出了宝贵意见特此致谢。参考文献#"钟善桐"钢管混凝土结构"黑龙江科学技术出版社#%%@"’"钟善桐等"高层钢管混凝土结构"黑龙江科学技术出版社#%%%"!"容柏生等"高层建筑钢管混凝土柱节点设计及构造研究一"建筑结构#%%%#)"@"华南理工大学建筑工程系结构试验室"钢管混凝土柱节点试验报告#%%;"$"王立超"现浇B1梁176<柱节点的试验研究"硕士学位论文哈尔滨建筑大学#%%&"?"黄襄云等"钢管混凝土结构地震模拟试验研究"西安建筑工程学院学报
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