L形方鋼管混凝土組合柱鋼梁頂?shù)捉沁B接節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究

蒲 瑜

(重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院， 重慶 400072)

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L形方鋼管混凝土組合柱鋼梁頂?shù)捉沁B接節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究

蒲 瑜

(重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院， 重慶 400072)

提出了一種L形方鋼管混凝土組合柱鋼梁頂?shù)捉沁B接新型組合節(jié)點(diǎn)，為了論證新型節(jié)點(diǎn)的抗震性能，利用模擬地震加載試驗(yàn)對四個(gè)指標(biāo)均相同的試件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)試件在位移-30 mm前，荷載隨位移的增加而減小，在位移大于0之后，荷載隨位移的增加而增加，表明試件的正向塑性能力比反向塑性能力要好。隨著累積滯回耗能的增加，試件能量耗散也隨之增大，其中能量耗散在累積滯回耗能為4Δy之前，增加的趨勢較為緩慢，而在累積滯回耗能大于4Δy后，能量耗散增加的趨勢較為迅速。試件剛度退化中L1最慢，其抗震性能的較其他3個(gè)要好。

混凝土； 組合柱； 頂?shù)捉牵?抗震性能

1 概述

在鋼管中并且是異形截面的鋼管中澆注混凝土后從而形成的異形柱結(jié)構(gòu)稱為鋼管混凝土異形柱。直接的說鋼管混凝土異形柱就是混凝土灌入到異形管中[1-4]。鋼管混凝土柱在垂直方向上的負(fù)荷能力相對要高，可以承受比較大的垂直方向上的荷載，尤其是混凝土的核心筒，其抗側(cè)的剛度非常大，可以抵消地震所帶來的部分影響[5]。內(nèi)層核心混凝土與外層鋼管兩者可以共同負(fù)擔(dān)來自不同方向的荷載，外層的鋼管的作用是能夠?qū)诵牡幕炷吝M(jìn)行約束，有效提高其整體的抗震性能[6-9]。

鋼管混凝土柱應(yīng)用得最多的領(lǐng)域是工程領(lǐng)域，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是其整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，單從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)這一個(gè)方面來說現(xiàn)有的對于鋼管混凝土的設(shè)計(jì)樣式是各種各樣的，連接點(diǎn)存在于鋼筋混凝土的梁中、鋼-混凝土組合梁，鋼管混凝土柱與鋼梁等其構(gòu)造以及受力結(jié)構(gòu)都相對復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的功能是可以將梁柱連接成一個(gè)整體，具備非常好的強(qiáng)度以及剛度，可以協(xié)調(diào)與傳遞被連接桿件的壓力與變形，使得被破壞要稍微比連接的桿件要晚[10-13]。節(jié)點(diǎn)是鋼管混凝土中比較重要的構(gòu)成環(huán)節(jié)，不過節(jié)點(diǎn)的連接機(jī)構(gòu)、受力能力以及破壞機(jī)理等相關(guān)方面的研究還相對不足，且有.很多問題需要解決。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 組合柱鋼梁頂?shù)捉沁B接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

梁柱連接的作用在于傳遞彎矩和剪力，如果它的剛度不能達(dá)到有關(guān)的設(shè)計(jì)要求，鋼框架的結(jié)構(gòu)性能則有可能因此受到影響，無法達(dá)到設(shè)計(jì)者預(yù)期的目標(biāo)。在本文的研究中，鋼管混凝土組合柱梁的大小值取H300×200×6×10，截面尺寸的大小值取230 mm×230 mm×230 mm，L形加勁板的細(xì)部尺寸，垂直方向上的高度H=100 mm，長度L=20 mm，厚度t=1 000 mm，梁長和柱高選取的位置與反彎點(diǎn)相接近，柱上下端的距離長度值都為1 000 mm，厚度t的值為100 mm，鋼材使用的是Q235，L110×12為接角鋼規(guī)格，柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域處在橫向上會(huì)加設(shè)加勁肋，且其厚度值為12 mm，，與腹極角、柱樊緣采取的連接方式是焊接，，根據(jù)材性試驗(yàn)的結(jié)果就鋼材的單軸應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該取3，屈服強(qiáng)度為285 MPa，彈性模量為2.0×105MPa，極限強(qiáng)度為425 MPa，混凝土用C30，彈性模量為2.3×105MPa，節(jié)點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)連接示意圖Figure 1 Joints shaped groph

如表1各個(gè)試件在本實(shí)驗(yàn)中的主要試驗(yàn)指標(biāo)被列出。

表1 試件指標(biāo)Table1 Theindexesofspecimens試件編號方鋼管混凝土組合柱鋼梁試件高度/mm鋼管直徑/mm鋼管壁厚/mm混凝土強(qiáng)度等級鋼骨類型試件長度/mm型號加強(qiáng)環(huán)尺寸/mm脅板尺寸/mmL1、L2、L3、L412001603.5C60I10600I1660×860×160×8

在本試驗(yàn)中不同的試件所受的軸向壓力在力度方面是不同的，這樣主要是為了研究節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力性能是否能夠被軸向壓力所影響。表2為具體的取值情況。

表2 重載柱軸向壓力取值Table2 Thevalueoftheaxialcompressiveloadoncolumns試件編號長細(xì)比λ立方體強(qiáng)度fcu/MPa抗壓強(qiáng)度fc/MPa柱子軸力N/kNN0/K軸壓比n1=N/N0L13063.542.0130028050.46L23062.541.6100027950.36L33061.643.3170028000.61L43060.642.6150028100.53

2.2 加載方式

本試驗(yàn)控制加載運(yùn)用的是力-位移混合。試件發(fā)生屈服前，控制可以通過載荷實(shí)現(xiàn)，加載可以采用分級的方式進(jìn)行，在開裂發(fā)生以前以及在屈服荷載出現(xiàn)以前，級差加截應(yīng)該要減少，圖2為具體的加載制度，對變形的控制要在屈服事件出現(xiàn)以后，變形是為試件在屈服發(fā)生之前的最大位移值，以倍數(shù)和級差作為該位移下控制加載的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 加載制度Figure 2 The loading mechanism

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 具體破壞的形態(tài)

這4個(gè)試件的破壞形態(tài)主要的形成原因是節(jié)點(diǎn)區(qū)的鋼管壁由于環(huán)破壞不斷加強(qiáng)而導(dǎo)致的管壁撕裂。鋼管和鋼梁在載荷的控制階段的受力一般都在其彈性負(fù)載能夠承受的范圍之內(nèi)，試件相對來說的變化比較小，但是當(dāng)試件出現(xiàn)屈服的時(shí)候，試件與管壁及加強(qiáng)環(huán)交界處都會(huì)出現(xiàn)微裂縫，在梁端不斷加載的過程中，鋼梁頂?shù)捉沁B接處的垂直方向會(huì)有裂縫的產(chǎn)生，當(dāng)加載持續(xù)到后期。鋼梁頂?shù)捉沁B接處以及焊縫不但會(huì)在與上加強(qiáng)環(huán)板交界處的管壁會(huì)有肉眼可見的向外突出，同時(shí)還會(huì)伴有一定的響聲，由于上述原因整個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能被破壞。

3.2 試件節(jié)點(diǎn)的荷載-位移關(guān)系

圖3為各點(diǎn)試件滯回曲線加載第一次循環(huán)的峰點(diǎn)所連成的骨架曲線，由圖3可以看出，在反向，位移在-30 mm前，荷載隨位移的增加而減小，四條曲線的排列順利為L2、L3、L4、L1；在位移為-30～0 mm之間時(shí)，荷載隨位移的增加呈上升趨勢，但四條曲線的排列順利變?yōu)長2、L1、L4、L3；在位移大于0之后，正向的曲線任隨位移的增加而增加，四條曲線的排列順利則變?yōu)長2、L3、L1、L4；這主要是由于方鋼-混凝土組合柱不管是拉還是壓的整體力學(xué)性能都有差異，并且存在相對滑移，在梁端荷載的反復(fù)作用下，各節(jié)點(diǎn)骨架曲線的位移以及正反方向的荷載值無法對稱，如在反向最低點(diǎn)值為-150 kN，在正向最高點(diǎn)值為240 kN。節(jié)點(diǎn)骨架曲線經(jīng)過了四個(gè)下降階段，分別為彈性、彈塑性、塑性、塑性階段。骨架曲線的正向下降段比較緩慢當(dāng)時(shí)反向上的下降相對較為明顯，這說明與正向塑性相比，反向的塑性相對要差。原因是因?yàn)橹敿s束屬于不對稱結(jié)構(gòu)，約束較弱，所以節(jié)點(diǎn)在正反方向上的承載力因此而出現(xiàn)差異。

圖3 節(jié)點(diǎn)骨架曲線圖Figure 3 The node skeleton graph

實(shí)驗(yàn)中對柱頂位移的測定，不難發(fā)現(xiàn)正反方向加載的差值相對比較小。當(dāng)加點(diǎn)連接基本構(gòu)造增強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)正方向的極限承載力以及承載力都會(huì)加大，在彈性的范圍內(nèi)其剛度也會(huì)變大，不過節(jié)點(diǎn)屈服的位移正好相反，它會(huì)變小，反向上，當(dāng)節(jié)點(diǎn)位移接近極限荷載，節(jié)點(diǎn)的破壞位移以及整體強(qiáng)度則會(huì)變小，其退化強(qiáng)度則會(huì)增大。

3.3 累積滯回耗能對比

圖4為試件累積滯回耗能曲線。本文用與Δ/Δy相關(guān)的曲線形式表示構(gòu)件的累積滯回耗能，其中Δ、表示梁端位移、Δy表示屈服位移，圖4中各特征點(diǎn)表示屈服位移的整數(shù)倍，和加載制度相對應(yīng)。由圖可以看出，隨著累積滯回耗能的增加，能量耗散也隨之增大，其中能量耗散在累積滯回耗能為4Δy之前，增加的趨勢較為緩慢，而在累積滯回耗能大于4Δy后，能量耗散增加的趨勢較為迅速，表現(xiàn)為曲線的斜率增大。同時(shí)由圖可以看出，在4Δy之前，L1、L2、L3、L4的累積在大體上是近似于一致的，但L1在接近破壞形態(tài)時(shí)的累積能耗相比于L2、L3明顯高于其數(shù)值。L4在6Δy前一直高于L1、L2、L3，在6Δy后低于L1、L2，但與L2曲線非常接近。6Δy后，L3低于L1、L2、L4三條曲線，說明方鋼混凝土梁柱組合體的總的滯回耗能在6Δy前最大的為L4，6Δy后，最大的為L1。

圖4 試件累積滯回耗能曲線Figure 4 The cumulative hysteretic energy curve

3.4 剛度退化對比

圖5為試件剛度退化曲線，試件結(jié)構(gòu)的退化形式是其在抗震性能方面的一個(gè)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是一種早積累損傷方面在影響方面的直接反應(yīng)，在本研究中組合體剛度退化速度的快慢是用剛度退化的系數(shù)=Ki/K1來表示的。Ki為第i級循環(huán)加載的第一個(gè)滯回環(huán)的峰值荷載與對應(yīng)位移的比值。在圖5中我們可以看到，剛度退化系數(shù)為其縱坐標(biāo)，其橫坐標(biāo)為Δ/Δy。隨著Δy的增大，試件的剛度退化曲線呈下降趨勢，最后趨勢于平穩(wěn)，在Δy大于2后，剛度退化曲線變化緩慢，逐漸趨于平穩(wěn)。L3的剛度退化要比L1的快，在同等位屈比的剛度下L3

圖5 試件剛度退化曲線Figure 5 The stiffness degradation curve

3.5 梁端P-Δ滯回曲線

圖6為4個(gè)試件的P-Δ滯回曲線，圖6表明：當(dāng)逐級增大豎向載荷時(shí)，會(huì)使滯回環(huán)更加豐滿，這也會(huì)相應(yīng)的退化加載時(shí)的整體剛度，而剛度彈性值在卸載時(shí)卻基本不變，與加載開始時(shí)基本相等。試件L4除外，其它三個(gè)試件的滯回曲線都沒有捏縮現(xiàn)象產(chǎn)生，它的梭形很豐滿，也就是說，在一定的范圍內(nèi)，不論軸力的值如何變化，其都有不錯(cuò)的抗震性能。除此之外，實(shí)驗(yàn)表明在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)軸壓比的值變化時(shí)，試件的滯回曲線并不會(huì)受到太大影響，如若在試件節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)域發(fā)生了破壞，軸力比對節(jié)點(diǎn)的抗震性能會(huì)產(chǎn)生比較正面積極的影響。另外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)全部的試件都發(fā)生了破壞，就會(huì)降低在梁端的整體承載力，同樣下降速度很緩慢。為了深入分析對節(jié)點(diǎn)的受力性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，梁的剛度有所加大，目的在于確保破壞出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)區(qū)。

3.6 軸壓比對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

結(jié)構(gòu)的延性是衡量節(jié)點(diǎn)抗震性能的重要指標(biāo)之一并且反映著吸收地震能量的能力。其中若反復(fù)作用結(jié)構(gòu)，使其在底載荷下，對于結(jié)構(gòu)各方面的性能(這其中的規(guī)律有剛度、承載力、延性以及剛度的退化等)來說，可以更直接全面的被載荷-位移滯回曲線所反映。試件的骨架曲線是指每個(gè)循環(huán)的峰值點(diǎn)(滯回曲線的)，將他們在低周反復(fù)加載下連接起來。延性也是重要指標(biāo)之一，它反映著材料非彈性變形以及試件結(jié)構(gòu)、構(gòu)建。本試驗(yàn)采用μ1=Δu/Δy式的位移延性的指標(biāo)，即延性系數(shù)，在骨架曲線中，Δu表示位移，它被極限載荷值所對應(yīng)，而Δy也表示位移，但是指結(jié)構(gòu)屈服時(shí)。試件的延性系數(shù)可以通過采集過后得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出，具體見表3。

圖6 P-Δ滯回曲線Figure 6 The P-Δ hysterefic curves of beam ends

表3 試件位移延性系數(shù)Table3 Thedisplacementductilityfactor試件編號ΔuΔyL154.2417.57L255.6318.51L353.7817.25L452.0316.91

由表3可以看出：4個(gè)試件的延性系數(shù)都比3要大，當(dāng)不斷增大軸壓比的時(shí)候，反而會(huì)降低試件的位移延性系數(shù)，但是不會(huì)下降很多，因此，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)軸壓比較高時(shí)，對于構(gòu)件的延性產(chǎn)生的影響也不會(huì)很不好，不過這種影響并不大。L1和L4的延性系數(shù)非常接近，分別為3.09、3.08；L2的延性系數(shù)最小，為3.01，L3的延性系數(shù)最大，為3.12。這主要是由于在相同的條件下，試件的軸壓比不同所致。

4 結(jié)論

① 試件L1、L2、L3、L4的破壞形態(tài)是節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管壁撕裂，它是由加強(qiáng)環(huán)破壞造成的，這種破壞形態(tài)主要存在于重載柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)間。

② 位移在-30 mm前，荷載隨位移的增加而減小，在位移大于0之后，荷載隨位移的增加呈上升趨勢，正向的曲線任隨位移的增加而增加，試件的正向塑性能力比反向塑性能力要好。

③ 隨著累積滯回耗能的增加，試件能量耗散也隨之增大，其中能量耗散在累積滯回耗能為4Δy之前，增加的趨勢較為緩慢，而在累積滯回耗能大于4Δy后，能量耗散增加的趨勢較為迅速，表現(xiàn)為曲線的斜率增大。試件剛度退化中L1最慢，其抗震性能的較其他3個(gè)要好。

④ 若反復(fù)對其作用載荷，梁端的節(jié)點(diǎn)將發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)備著較高的強(qiáng)度，并且有著比較豐滿的滯回曲線形狀，重載柱節(jié)點(diǎn)是新型的，它的抗剪承能力和抗震性能都很出色。隨著增大了軸壓比，就會(huì)降低延性系數(shù)(節(jié)點(diǎn)試件的)，幅度卻不大，L1和L4的延性系數(shù)非常接近，L3的延性系數(shù)最大。

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Study on Seismic Behavior of Square Steel Tube Concrete Column Beam Joints Shaped Top-seat with L-plat

PU Yu

(Chongqing Jianzhu College， Chongqing 400072， China)

A new type of seismic behavior of square steel tube concrete column beam joints shaped top-seat with L-plat is investigated，and four specimens model connections were tested under simulated seismic loading.Experimental results show that the four specimens in front of the displacement -30 mm，load decreases with the increase in displacement，displacement is greater than 0，load increases with the increase of displacement，indicating that the positive plastic ability than the reverse plastic ability is better.With the increase of cumulative hysteretic energy，energy dissipation increases，which energy dissipation in cumulative hysteretic energy for 4Δybefore the increase trend is relatively slow，and accumulated hysteretic energy dissipation is greater than 4Δy，and trend of the energy dissipation increases more rapidly.L1 is the slowest，and the seismic performance of the specimen is better than that of the other three.Under the action of repeated load，the failure of the joint occurs in the beam end，the node strength reserve is higher，the shape of the hysteresis curve is full，the new column node has high shear capacity and good seismic performance.With the increase of the axial compression ratio，the displacement ductility coefficient of the specimen is decreased，but the ductility coefficient of L1 and L4 is very close，and the ductility coefficient of L3 is maximum.

concrete；columns；top-seat；seismic performance

2016 — 06 — 22

蒲 瑜(1969 — )，男，重慶人，副教授，研究方向：從事建筑結(jié)構(gòu)及建筑力學(xué)設(shè)計(jì)、施工及教學(xué)研究工作。

TU 375； U 442.5+5

A

1674 — 0610(2016)05 — 0230 — 05