裝配式鋼筋混凝土柱—鋼梁框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

袁甜

【摘 要】通過(guò)對(duì)4個(gè)1/2比例的裝配式鋼筋混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載作用之下所產(chǎn)生的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)加勁腹板厚度和開(kāi)孔這兩者之間的影響，深入的研究了該新型節(jié)點(diǎn)所實(shí)際連接構(gòu)造的受力性能以及裝配式鋼筋混凝土柱-鋼梁框架部分結(jié)合后的抗震性能。將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果作為對(duì)試件破壞特征以及滯回性能變形所組合而成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的分析。

【關(guān)鍵詞】裝配式鋼筋混凝土柱-鋼梁框架；鋼筋混凝土柱-鋼梁混合節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造；擬靜力試驗(yàn)；抗震性能

0.引言

鋼筋混凝土柱-鋼梁混合結(jié)構(gòu)體系從其結(jié)構(gòu)上來(lái)看，該結(jié)構(gòu)體系有著自重輕、施工便捷、跨度較大等特性，有著極為良好的抗震性能，即便是震后也有著較高的修復(fù)性，該結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)：①使用強(qiáng)度較高的箍筋來(lái)約束RC柱體，以此來(lái)提高RC柱體自身的抗震性能；②利用科學(xué)合理的方式來(lái)控制鋼梁自身的承載能力，并且通過(guò)消弱的梁端的方式來(lái)對(duì)構(gòu)造進(jìn)行處理，以保持梁端能夠在強(qiáng)震的作用之下形成塑性鉸，最大限度的消耗地震對(duì)結(jié)構(gòu)所作用的能量；③研發(fā)更為有效的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的高規(guī)格抗震建造要求；④使用具有替代連接構(gòu)造性能的梁鋼，以便受損之后能夠及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

1.試驗(yàn)概況

本篇文章主要是通過(guò)4個(gè)最新研發(fā)的新型裝配式RCS框架節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行低周往復(fù)加載實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)方式來(lái)研究裝配式RCS框架節(jié)點(diǎn)在地震災(zāi)害中的抗震性能以及其節(jié)點(diǎn)本身在結(jié)構(gòu)上的受力性能，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)作為新型裝配式RCS節(jié)點(diǎn)來(lái)作為實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的應(yīng)用依據(jù)。

1.1試件設(shè)計(jì)及制作

試件節(jié)點(diǎn)自身主要是由柱體表面壁板、水平加勁肋以及加勁腹板這三者來(lái)組合而成的鋼板桶，并且在鋼桶的內(nèi)部注入混凝土，無(wú)需在其中再添加箍筋，最后利用事先預(yù)埋的高強(qiáng)度螺絲來(lái)與鋼梁相連接。該試件的鋼桶以及鋼梁都是在加工工廠事先加工完成，再將成品直接運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工。為了能夠在一定程度上降低節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，以便能夠更為便捷的觀測(cè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象，通常都是使用條帶板以及柱面壁板來(lái)焊接而成。鋼板焊接的方式都是采用氣體保護(hù)焊的方式進(jìn)行鋼桶焊接工作，其焊接縫隙的質(zhì)量必須要達(dá)到二級(jí)。在進(jìn)行試件制作的過(guò)程中，通常都是使用的預(yù)制鋼筋混凝土柱體來(lái)進(jìn)行制作，在柱體之上配裝上鋼梁，最后使其形成一個(gè)完整的試件。

1.2試驗(yàn)加載與量測(cè)內(nèi)容

在試驗(yàn)的過(guò)程中，所采用的裝置是專(zhuān)門(mén)研制的框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)裝置。主要是利用柱端來(lái)施加水平荷載的方式來(lái)對(duì)P-Δ效應(yīng)所產(chǎn)生的具體影響。在對(duì)柱體進(jìn)行水平荷載力施加之前，必須要先在柱體的頂部施加豎向的荷載力，其施加力量的時(shí)間以及大小必須要達(dá)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，還需要MTS的電液伺服加載系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行水平往復(fù)荷載力的施加工作。加載制度必須要使用荷載-位移的雙向控制手段，把推力視作加載的正向力量，而拉力著作為負(fù)向的反方力量。在實(shí)驗(yàn)試件屈服之前，要使用荷載力控制手段，在試件承受的荷載力為0.6Py、0.8Py、1.0Py時(shí)都要分別進(jìn)行一次往復(fù)循環(huán)的步驟，在這其中，Py主要是作為能夠預(yù)估試件屈服荷載的數(shù)值。在對(duì)鋼梁翼緣所產(chǎn)生的應(yīng)變值以及試件所自身的荷載-位移曲線(xiàn)來(lái)判定試件曲線(xiàn)在荷載力之下的屈服點(diǎn)。在試件荷載屈服之后，使用位移的方式來(lái)進(jìn)行控制，主要是在位移角的1/50、1/35、1/25這幾個(gè)幅度之下循環(huán)至少3次以上。如何試件在荷載力量之下其荷載的能力已經(jīng)下降到了正常荷載力的80%以下，或者其滯回環(huán)出現(xiàn)了不穩(wěn)定的現(xiàn)象，就立即終止荷載試驗(yàn)。

采用IMP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集位移計(jì)、引伸儀及應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，主要量測(cè)內(nèi)容有：①采用位移計(jì)量測(cè)柱頂水平位移和柱底可能存在的滑移；②采用導(dǎo)桿引伸儀量測(cè)鋼梁塑性鉸區(qū)的彎曲變形、節(jié)點(diǎn)區(qū)的剪切變形及梁端連接變形，③采用電阻應(yīng)變片量測(cè)梁端塑性鉸區(qū)翼緣、綴板及柱端鋼筋關(guān)鍵位置處的應(yīng)變；④節(jié)點(diǎn)區(qū)加勁腹板及鋼梁腹板主拉應(yīng)變采用三向電阻應(yīng)變花量測(cè)。

2.試驗(yàn)主要結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)過(guò)程及破壞特征

4 個(gè)試件均為梁鉸機(jī)制破壞，以試件RCSJ1為例描述破壞過(guò)程。當(dāng)加載至72kN時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土出現(xiàn)斜向裂縫，此時(shí)水平位移為14 mm。達(dá)到100kN 時(shí)，鋼梁翼緣測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土出現(xiàn)少量新的交叉裂縫。在位移角1/50 循環(huán)過(guò)程中，鋼梁翼緣屈服范圍由端板加勁肋尾部逐漸向兩側(cè)發(fā)展，70% 的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變達(dá)到或超過(guò)翼緣的屈服應(yīng)變，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土斜裂縫開(kāi)展趨于穩(wěn)定，而加勁腹板主拉應(yīng)變出現(xiàn)突變。在位移角1/35 循環(huán)過(guò)程中，試件達(dá)到峰值荷載，梁端形成塑性鉸，節(jié)點(diǎn)區(qū)加勁腹板開(kāi)始屈服。

2.2滯回性能

試件的柱頂荷載-位移滯回曲線(xiàn)在加載初期，滯回曲線(xiàn)在靠近位移零點(diǎn)處存在輕微的捏縮現(xiàn)象。進(jìn)入彈塑性階段后，隨著位移幅值的增加，鋼梁屈服范圍擴(kuò)大，在梁端形成塑性鉸，滯回環(huán)由弓形向梭形過(guò)渡，卸載后的殘余變形隨著位移幅值的增加而增大。

3.變形分析

3.1塑性鉸區(qū)彎曲變形

梁端塑性鉸區(qū)的轉(zhuǎn)動(dòng)可用截面平均曲率Ψ表示。試驗(yàn)中通過(guò)在梁端約0.8倍梁高范圍內(nèi)沿翼緣方向布置1#～4#導(dǎo)桿引伸儀，量測(cè)翼緣的伸長(zhǎng)和縮短量，并按式（1）求得量測(cè)區(qū)段的截面平均曲率Ψ。

Ψ=（ΔS1+ΔS2）

ha （1）

式中：ΔS1、ΔS2分別為翼緣量測(cè)區(qū)段內(nèi)引伸儀的變化量；h為梁端上下測(cè)點(diǎn)的距離；a為量測(cè)區(qū)段的長(zhǎng)度，取200mm。

以試件RCSJ1為例，在翼緣屈服前，鋼梁以彈性變形為主，曲率隨彎矩呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。在進(jìn)入位移角1/50循環(huán)后，隨著翼緣屈服范圍逐漸擴(kuò)大，塑性鉸區(qū)曲率明顯增大，梁端塑性變形充分發(fā)展，M-Ψ滯回曲線(xiàn)趨于飽滿(mǎn)，呈明顯的梭形，梁端塑性鉸區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的耗能能力。在位移角1/35循環(huán)下，塑性鉸區(qū)平均曲率達(dá)到最大值0.05rad·m-1。

3.2連接變形

鋼梁端板通過(guò)柱面壁板上預(yù)埋的高強(qiáng)螺栓與RC柱連接。為分析新型RCS節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的連接性能，定義連接轉(zhuǎn)角θr為：

θr=δr/（hb-tbf） （2）

式中： hb為鋼梁截面高度；tbf為鋼梁翼緣厚度；δr為柱面壁板與鋼梁端板在梁受拉翼緣中心處的相對(duì)位移。在加載初期，連接的初始剛度較大，M-θr曲線(xiàn)呈線(xiàn)性上升，這是由于對(duì)高強(qiáng)螺栓施加的預(yù)緊力使鋼梁端板與柱面壁板產(chǎn)生擠壓力，而加載初期鋼梁受拉翼緣傳來(lái)的拉應(yīng)力不大，梁端連接轉(zhuǎn)角很小。鋼梁進(jìn)入屈服階段后，隨著梁端彎矩的增大，在加載過(guò)程中螺栓連接處產(chǎn)生一定的滑移或錯(cuò)動(dòng)，且螺栓連接桿與板件間的承壓接觸引發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致連接剛度呈現(xiàn)一定的非線(xiàn)性特征。在梁端達(dá)到受彎承載力時(shí)，連接轉(zhuǎn)角不超過(guò)0.004rad?？梢?jiàn)這種新型RCS節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造連接性能良好，能可靠地傳遞梁端彎矩。

4.結(jié)論

綜上所述，在進(jìn)行裝配式鋼筋混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)抗震性能測(cè)試的過(guò)程中，對(duì)每個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)都進(jìn)行嚴(yán)格記錄，利用科學(xué)嚴(yán)苛的測(cè)試態(tài)度來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行核算，從而真正得出具有科學(xué)性的測(cè)試結(jié)果。這不僅僅是對(duì)工程材料使用安全性的負(fù)責(zé)，也是對(duì)建筑工程發(fā)展有著促進(jìn)意義的事。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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[2]李升才，顏軍，王會(huì)麗.混凝土柱-蜂窩鋼梁組合節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009（02）.