鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)貫通橫隔板力學(xué)特性試驗(yàn)研究

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(1.湖南省高速公路管理局， 湖南 長沙 410000； 2.江蘇省武警總隊(duì)， 江蘇 南京 210000；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240)

鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)貫通橫隔板力學(xué)特性試驗(yàn)研究

肖薇薇1，高海健2，付功義3

(1.湖南省高速公路管理局， 湖南 長沙 410000； 2.江蘇省武警總隊(duì)， 江蘇 南京 210000；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院， 上海 200240)

為了研究鋼管混凝土梁柱立體節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)貫通橫隔板的力學(xué)特性，以梁柱空間節(jié)點(diǎn)的局部強(qiáng)度為研究對(duì)象，施加45°方向水平反復(fù)荷載，通過考察節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)變分布及梁柱節(jié)點(diǎn)的屈服破壞情況，對(duì)貫通橫隔板的補(bǔ)強(qiáng)作用進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：貫通橫隔板顯著提高了梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度及抵抗屈服變形的能力。

鋼管混凝土; 貫通橫隔板; 梁柱立體節(jié)點(diǎn); 節(jié)點(diǎn)域; 力學(xué)特性

0 引言

真正意義上的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)于1891年的美國衣阿華州，當(dāng)時(shí)在建造名為“紅橋”的鋼桁梁橋時(shí)采用了鋼管混凝土柱做橋墩。在19世紀(jì)末至20世紀(jì)初期間，鋼管混凝土柱因其強(qiáng)大的承壓能力常被用來做鋼桁梁橋的橋墩。1939年俄羅斯在烏拉爾地區(qū)建成世界上第一座鋼管混凝土拱橋——跨度為140 m的卡緬斯克橋。在日本，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其良好的抗震性能，在工業(yè)與民用建筑及橋梁中都得到了廣泛的應(yīng)用。1996年，日本在建造其北部勝岡地區(qū)通往秋田新干線的高架引橋時(shí)了采用了圓鋼管混凝土柱與工字鋼混凝土相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅滿足軟土地基承載力的要求，還因?yàn)榇蟠鬁p少了模板的安裝而縮短了工期。1990年，中國建成跨度115 m的下承式系桿拱橋——四川旺蒼東河橋，成為中國第一座鋼管混凝土拱橋。近年來隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的高層建筑、地鐵車站，尤其是大跨度橋梁工程中得到了卓有成效的應(yīng)用[1-6]。

鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，它主要傳遞梁端剪力和彎矩(剛性節(jié)點(diǎn))或僅傳遞梁端剪力(鉸接節(jié)點(diǎn))。作為一種新興的結(jié)構(gòu)形式，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度的研究在很多國家受到了重視。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土建工程中的廣泛應(yīng)用，很多新的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式被創(chuàng)造出來。比如外環(huán)板式、內(nèi)隔板式、環(huán)板貫通式、端板螺栓式、栓釘錨固式、鉸接節(jié)點(diǎn)等。這些節(jié)點(diǎn)形式多是針對(duì)變化多樣的具體結(jié)構(gòu)而提出的，關(guān)于它們的系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究目前還很不充分。貫通橫隔板加強(qiáng)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)梁柱立體節(jié)點(diǎn)是環(huán)板貫通式節(jié)點(diǎn)的一種具體結(jié)構(gòu)形式，有關(guān)該節(jié)點(diǎn)形式的研究資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)還很缺乏[7-16]。

本文以鋼管混凝土結(jié)構(gòu)梁柱立體節(jié)點(diǎn)的局部強(qiáng)度為研究對(duì)象，采用斜45°方向反復(fù)荷載試驗(yàn)加載類型，通過考察柱鋼管表面的應(yīng)變分布及柱梁節(jié)點(diǎn)的屈服破壞機(jī)制，對(duì)貫通橫隔板的補(bǔ)強(qiáng)作用進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)構(gòu)件

梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)構(gòu)件如圖1所示。試驗(yàn)構(gòu)件的個(gè)數(shù)為2個(gè)：TS1無貫通橫隔板；TS2有貫通橫隔板，其內(nèi)圓直徑D=320 mm，材質(zhì)為SM490(日本鋼材牌號(hào)，相當(dāng)于國內(nèi)的Q345)。兩試件其余參數(shù)相同：柱鋼管采用SM490冷成型圓形鋼管，柱鋼管的外徑406.4 mm，壁厚12.7 mm，橫梁采用焊接H型鋼，尺寸為H-400 mm×200 mm×9 mm×19 mm，材質(zhì)為SM490。 柱填充混凝土的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)強(qiáng)度為17.7 N/mm2。為防止橫梁的面外變形，分別在橫梁A、B和C、D上連接斜梁BH-200 mm×100 mm×9 mm×9 mm，材質(zhì)為SM490。

圖1 試驗(yàn)構(gòu)件

1.2 加載方法

試驗(yàn)裝置如圖2所示，柱頭和柱腳分別采用滾軸支座和鉸接支座，由橫梁上連動(dòng)的A、B、C、D點(diǎn)4個(gè)同步油壓千斤頂(最大荷載為±4.9×105N，千斤頂行程為±15 cm)進(jìn)行同步連續(xù)加載。這樣能保證在梁柱空間節(jié)點(diǎn)斜45°方向上再現(xiàn)反復(fù)荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)。整個(gè)加載過程沒有考慮柱軸向荷載的作用。以斜45°方向的層間位移角作為反復(fù)加載的控制目標(biāo)。構(gòu)件斜45°方向的層間位移角Φ目標(biāo)值分別為：±0.005、±0.01、±0.015、±0.02、±0.025、±0.03、±0.04、±0.05 rad，對(duì)每個(gè)控制值的層間位移角分別作3周的反復(fù)加載循環(huán)。

1.3 試件應(yīng)變及變形的測定方法

在試驗(yàn)構(gòu)件的梁端加載點(diǎn)處各布置1個(gè)應(yīng)變片，以測定結(jié)構(gòu)的變形，并由所測出的變形推算得出全體位移角。

在距離鋼管壁30 mm處梁B上、下翼緣外表面和腹板一側(cè)粘貼SB系列應(yīng)變片，來測定鋼梁軸向應(yīng)變。在柱鋼管壁與梁B相連處單向粘貼P1系列應(yīng)變片，以測定沿鋼管軸向鋼管壁的應(yīng)變。加載方向相反的梁A和梁D、梁B和梁C與梁翼緣范圍內(nèi)柱鋼管壁部分稱為節(jié)點(diǎn)域。在加載方向的不同的橫梁B和橫梁C之間的節(jié)點(diǎn)域粘貼三向應(yīng)變片(P2系列)，以測定節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)變。填充混凝土中，在柱鋼管管心位置(C1)和梁B側(cè)柱鋼管管壁附近(C2)B-D方向埋入十字交叉的應(yīng)變片，以測定混凝土的應(yīng)變。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

取梁B(C)上、下翼緣距離柱鋼管50 mm處作為測點(diǎn)，測定梁B、C的上、下翼緣側(cè)的局部變形，作為梁柱節(jié)點(diǎn)處局部變形量。

對(duì)試件TS1，在梁A和梁D腹板中心線與柱鋼管交點(diǎn)處及梁A和梁D翼緣中點(diǎn)處的柱鋼管壁上布置應(yīng)變片，來測定節(jié)點(diǎn)域的剪切變形；對(duì)試件TS2，在梁A和梁D腹板中心線與柱鋼管交點(diǎn)處及梁A和梁D中間45°方向處的貫通橫隔板上布置應(yīng)變片，來測定節(jié)點(diǎn)域的剪切變形。由此測出的剪切變形可推導(dǎo)出剪切位移角。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)變

對(duì)于試驗(yàn)構(gòu)件TS1，在負(fù)載荷作用下梁柱節(jié)點(diǎn)位置柱鋼管的面外屈曲要先于梁上翼緣的張拉屈曲。之后，在正載荷時(shí)梁上翼緣的壓縮應(yīng)變增加明顯，負(fù)載荷時(shí)，梁上翼緣的張拉應(yīng)變增加較小，當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)達(dá)到局部最大強(qiáng)度(sQu)時(shí)，梁下翼緣與鋼管表面連接處有明顯的張拉應(yīng)變。

TS1節(jié)點(diǎn)域的中央位置主應(yīng)變處發(fā)生屈曲，試驗(yàn)構(gòu)件的最大強(qiáng)度限制了節(jié)點(diǎn)域的剪切應(yīng)變量。能測定出試驗(yàn)構(gòu)件TS1的梁B下翼緣的變形，上翼緣在正負(fù)荷載作用下沒有出現(xiàn)大面積的屈曲現(xiàn)象。

對(duì)于填充混凝土，混凝土在鋼管管心位置沿兩個(gè)方向的變形大致相同，在無荷載方向也出現(xiàn)壓縮應(yīng)變。在梁B上翼緣位置的鋼管壁附近的填充混凝土的應(yīng)變、梁上翼緣張拉時(shí)表現(xiàn)的張拉應(yīng)變、壓縮時(shí)的壓縮應(yīng)變最大為1.2%。

對(duì)于試驗(yàn)構(gòu)件TS2，當(dāng)柱鋼管的累積應(yīng)變在梁柱節(jié)點(diǎn)處達(dá)到梁柱節(jié)點(diǎn)局部全塑性強(qiáng)度(sQp)時(shí)，柱鋼管的面外屈曲受到管軸方向張拉應(yīng)變的影響，其應(yīng)變會(huì)超過由材料試驗(yàn)所得的屈服應(yīng)變，梁翼緣也出現(xiàn)輕微的偏移。

梁翼緣的張拉屈服與梁翼緣處柱鋼管的張拉屈服大致同時(shí)發(fā)生。當(dāng)達(dá)到梁柱節(jié)點(diǎn)局部最大強(qiáng)度(sQu)時(shí)，梁翼緣處柱鋼管表面的張拉應(yīng)變與梁翼緣的張拉應(yīng)變增加同樣明顯。

與無橫隔板補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)構(gòu)件TS1相比，有橫隔板補(bǔ)強(qiáng)的試驗(yàn)構(gòu)件TS2的梁翼緣的壓縮應(yīng)變比張拉應(yīng)變進(jìn)展快得多。

試驗(yàn)構(gòu)件TS2的節(jié)點(diǎn)域、柱鋼管和梁翼緣均顯現(xiàn)出屈服現(xiàn)象，在最大荷載時(shí)，各部分的累積應(yīng)變增加顯著。

對(duì)于填充混凝土，試驗(yàn)構(gòu)件TS2柱鋼管管心位置(C1)在無荷載方向也出現(xiàn)壓縮應(yīng)變。在柱鋼管管壁附近(C2)的應(yīng)變、B梁翼緣在張拉應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出的張拉應(yīng)變、壓縮應(yīng)力時(shí)的壓縮應(yīng)變最大為0.6%。

各試驗(yàn)構(gòu)件的梁端剪力bQ和節(jié)點(diǎn)域的累積主變形aγp的關(guān)系如圖3所示； 梁端剪力bQ和梁端翼緣的累積變形aεb的關(guān)系如圖4所示；梁端剪力bQ和填充混凝土累積變形aεcc的關(guān)系如圖5所示。

圖3 B梁梁端剪力(bQ)與節(jié)點(diǎn)域的累積主應(yīng)變 (a γp )的關(guān)系

圖4 B梁梁端剪力(bQ)與梁端翼緣累積應(yīng)變 (aεb)的關(guān)系

圖5 B梁梁端剪力(bQ)與填充混凝土累積應(yīng)變 (aεcc)的關(guān)系

2.2 破壞狀況

對(duì)于試驗(yàn)構(gòu)件TS1，當(dāng)Φ=0.015 rad時(shí)，在張拉應(yīng)力作用下，柱鋼管壁和梁 B 上翼緣梁端焊接連接處開始出現(xiàn)細(xì)微的龜裂裂縫。隨后，柱鋼管壁在和梁翼緣焊接連接端部處出現(xiàn)龜裂裂縫。在Φ=0.03 rad時(shí),龜裂裂縫有明顯發(fā)展，在荷載作用下梁B上翼緣從柱鋼管壁拔出，梁柱節(jié)點(diǎn)局部破壞結(jié)束。試驗(yàn)構(gòu)件的最終破壞狀況和梁柱節(jié)點(diǎn)的局部破壞的實(shí)物照片如圖6所示。

圖6 無貫通橫隔板試驗(yàn)構(gòu)件TS1梁柱節(jié)點(diǎn)局部破壞情況

試驗(yàn)構(gòu)件TS2，當(dāng)Φ=0.04 rad時(shí)，貫通橫隔板與C梁張拉側(cè)翼緣連接角部產(chǎn)生細(xì)微的裂縫。當(dāng)Φ=0.08 rad時(shí)，裂縫有明顯擴(kuò)展并達(dá)到最大強(qiáng)度。試驗(yàn)構(gòu)件的最終破壞狀況和梁柱節(jié)點(diǎn)的局部破壞的實(shí)物照片如圖7所示。

圖7 有貫通橫隔板試驗(yàn)構(gòu)件TS2梁柱節(jié)點(diǎn)局部破壞情況

2.3 試驗(yàn)構(gòu)件各部分的強(qiáng)度

2個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件達(dá)到梁柱節(jié)點(diǎn)局部全塑性強(qiáng)度(sQp)、梁端節(jié)點(diǎn)全塑性強(qiáng)度(bjQp)、節(jié)點(diǎn)域屈服強(qiáng)度(pQy)和最大強(qiáng)度(pQu)時(shí)的梁端剪力如表1所示。作為參考值，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示考慮柱鋼管壁的裂縫有明顯開展時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)所能承受的最大荷載。這里sQp是bQ—Δ曲線根據(jù)荷載-變形累積準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換而來的，以適用General Yield Point法(屈服線理論的屈服點(diǎn)確定法)。梁端節(jié)點(diǎn)的全塑性強(qiáng)度bjQp、節(jié)點(diǎn)域屈服強(qiáng)度pQy是根據(jù)梁翼緣、節(jié)點(diǎn)域和柱鋼管表面上所貼的應(yīng)變片測定的結(jié)果曲線上，切線剛度為初期剛度的1/5時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值求出的(參見圖3～圖5)。2試驗(yàn)構(gòu)件各部分屈服強(qiáng)度以及全塑性強(qiáng)度可由圖3～圖5中●所示位置求出。

表1 試驗(yàn)構(gòu)件的梁端剪力試驗(yàn)構(gòu)件載荷方向梁柱節(jié)點(diǎn)sQp梁端節(jié)點(diǎn)bjQp節(jié)點(diǎn)域載荷方向pQypQuBUN．L．236．1290．7N．L．(325．3)TS1BLP．L．221．0290．8CUP．L．232．4P．L．(300．1)CLN．L．229．7BUN．L．310．0313．3N．L．288．3(380．8)TS2BLP．L．310．2318．7CUP．L．316．1P．L．280．4(412．9)CLN．L．312．6 注：BU、CU為B、C梁上翼緣；BL、CL為B、C梁下翼緣；N．L．為負(fù)荷載，P．L．為正荷載。

3 結(jié)論

1) 在同一荷載強(qiáng)度下，貫通橫隔板增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的累積應(yīng)變顯著低于無橫隔板增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。

2) 貫通橫隔板顯著延緩了荷載作用下節(jié)點(diǎn)上龜裂裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)抵抗破壞的能力；且增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的開裂發(fā)生在橫隔板上而不是柱鋼管壁上(普通節(jié)點(diǎn))，這更方便于維修工作的展開。

3) 試驗(yàn)構(gòu)件達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的梁端剪力顯著高于普通節(jié)點(diǎn)，說明貫通橫隔板較大地提高了梁柱節(jié)點(diǎn)的屈服強(qiáng)度。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(第3版)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 蔡紹懷.我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào)，1999,32(4):16-26.

[3] 錢稼茹，崔瑤，方小丹.鋼管混凝土柱受剪承載力試驗(yàn)[J].土木工程學(xué)報(bào), 2007, 40(5):1-9.

[4] 嚴(yán)國敏.鋼管混凝土組合橋墩高架橋的設(shè)計(jì)與實(shí)施──日本新干線高架橋的快速施工[J].世界橋梁, 1999(1):42-44.

[5] 日本建築學(xué)會(huì).コンクリート充填鋼管構(gòu)造設(shè)計(jì)施工指針[M].1997.

[6] 李斌，任利民.矩形鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2009,38(2):103-107.

[7] 谷利雄，丁發(fā)興，付磊，等.圓端形鋼管混凝土軸壓短柱受力性能研究[J].中國公路學(xué)報(bào),2014,27(1):57-63.

[8] 向黎明,呂西林.高層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式的介紹[J].結(jié)構(gòu)工程師，2000(4):1-5.

[9] 聶建國，黃遠(yuǎn)，樊健生.考慮樓板組合作用的方鋼管混凝土組合框架受力性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2011, 32(3):99-108.

[10] 聶建國，胡紅松，李盛勇，等.方鋼管混凝土暗柱內(nèi)嵌鋼板-混凝土組合剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2013, 34(1):52-60.

[11] 付功義,森田耕次,等.コンクリート充填角形鋼管柱-合成梁偏心部分骨組架構(gòu)の力學(xué)的舉動(dòng)[C].第2回鋼構(gòu)造年次論文報(bào)告集，1994(2):315-322.

[12] 付功義,森田耕次,等.コンクリート充填圓形鋼管柱-鐵骨梁立體部分骨組架構(gòu)における柱梁結(jié)合部の力學(xué)舉動(dòng)に關(guān)する研究[C].日本建筑學(xué)會(huì)構(gòu)造系論文集(第508號(hào))，1998.

[13] American Institute of Steel Construction.Specification for Steel Buildings，Allowable Stress Design and Plastic Design[M].1988.

[14] ENV 1993-1-1,Eurocode 3，Design of Steel Structures Part 1[S].

[15] 陳寶春，晏巧玲，薛建陽.鋼管混凝土復(fù)合短柱軸壓性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2016, 37(5):82-91.

[16] 謝芳.鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)類型及優(yōu)缺點(diǎn)分析[J].科技創(chuàng)新報(bào), 2013(24):31-32.

1008-844X(2017)03-0145-04

U 441

A

2017-05-05

肖薇薇(1976-)，女，工學(xué)博士，工程師，研究方向： 結(jié)構(gòu)工程。