（岩土工程专业论文）新型方钢管混凝土节点抗震性能的试验研究.pdf

山东科技大学碗上学位论文 摘要 摘要 方钢管混凝土结构作为钢管混凝土结构的一一种形式，其工程应用已曰益广泛，而其节 点的研究还不够完善。本文旨在设计一种新型实用的方钢管混凝土柱与i 型钢梁的外隔 板节点，并通过试验和理论分析的方法，对该节点抗震性能进行了较为系统的研究。主 要包括以下内容：首先设计出了理论上可行的节点构造型式，并对节点进行了拟静力试 验，分析了低周反复荷载作用下方钢管混凝土梁柱节点的延性性能、强度和刚度的退化 以及抗震耗能能力，给出了中柱节点与边柱节点四个试件的柱顶位移随反复荷载变化的 滞回曲线，并根据柱项的滞回曲线得出了柱顶位移的骨架曲线。其次，利用非线性有限 元的方法进行了理论分析，建立了合理的钢材与混凝土的弹塑性本构模型。采用大型通 用结构分析程序a n s y s 7 0 对该节点进行了三维实体的计算机模拟，通过合理的建模，合 理的参数设置，有效的网格划分，给出了方钢管混凝土节点在单调荷载作用下荷载一位 移曲线以及在低周往复荷载作用下的滞回曲线，并与试验曲线进行了比较，对理论和试 验的各项延性和耗能指标进行了分析。最后，得出结论，该节点从拟静力试验和a n s y s 计算机模拟的结果来看，具有良好的抗震性能和进一步研究利用的前景。 关键词：方铜管混凝土 非线性有限元 外隔板节点滞回曲线 计算机模拟 山东科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t a sat y p eo fc o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b es t r u c t u r e ，c o n c r e t e f i l l e ds q u a r es t e e lt u b e s t r u c t u r ei sw i d e l ya p p l i e di ne n g i n e e r i n g ，b u tt h er e s e a r c ho ni t sc o r m e c t i o ni sn o te n o u g h t h e p u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nan e wt y p eo fc o n n e c t i o nb e t w e e nc o n c r e t e f i l l e ds q u a r e s t e e lt u b ec o l o n n la n dh - t y p es t e e lb e a m ，t h es y s t e m a t i cr e s e a r c ho ni th a sb e e nd o n et h r o u g h t e s ta n dt h e o r y t h i sp a p e ri n c l u d e st h r e ep a r t sa sf o l l o w , f i r s t l y , af e a s i b l et y p eo fc o n n e c t i o ni s d e s i g n e d ，t h eq u a s i - s t a t i c t e s to fc o n n e c t i o nb e t w e e nc o n c r e t e n l l e d s q u a r es t e e lt u b e c o l o m na n ds t e e lb e a mw i t ho u t e rd i a p h r a g m si sd o n e ，t o o d u c t i l i t yb e h a v i o r , d i s s i p a t i o no f s e i s m i c e n e r g y , d e g e n e r a t i o n o fi n t e n s i t ya n ds t i f f n e s so ft h ec o n n e c t i o nb e t w e e n c o n c r e t e f i l l e ds q u a rs t e e lt u b ec o l o m na n ds t e e lb e a mu n d e rl o w - f r e q u e n c y ，h o r i z o n t a l ， r e p e a tl o a da r ea n a l y s e d h y s t e r e t i cc u r v e st ot h i sf o u rc o n n e c t i o n ss p e c i m e n sb e t w e e n d i s p l a c e m e n ta n dr e p e a tl o a d ，t o g e t h e rw i t hc o r r e s p o n d i n gf r a m e w o r kc u r v ei ss h o w n ，t o o s e c o n d l y , t h e o r e t i c a la n a l y s i si sb a s e do nn o n i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n de l a s t i c p l a s t i c c o n s t i t u t i o nr e l a t i o n s h i p so fs t e e la n dc o n c r e t ea r ep u tf o r w a r d c o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h e t e s tw i t ha n s y si sg i v e n t h i sp r o c e s si n c l u d es e e t i n gu pt h ep r o p e rt h r e e - d i m i s i o nm o d e l ， s e t t i n g t h e p r o p e r m a t e r i a l p a r a m e t e r s a n de f f e c t i v e m e s h i n g m o d e l a f t e r t h i s ，t h e l o a d d i s p l a c e m e n t c u r v eu n d e rs i n g l el o a da n dh y s t e r e t i cc l l r v e su n d e rl o w - f r e q u e n c y , h o r i z o n t a l ，r e p e a tl o a da r eg i v e n ，t o g e t h e rw i mc o m p a r i s i o no fc o e f f i c i e n to nd u c t i l i t ya n d e r e n g yd i s s i p a t i o n i nt h ee n d ，f r o mt h ec o m p a r s i o nb e t w e e nt h eq u a s i s t a t i ct e s ta n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n ，ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h i st y p eo fc o n n e c t i o nb e t w e e nc o n c r e t e - f i l l e ds q u a r s t e e lt u b ec o l o m na n dh t y p es t e e lb e a mh a si d e a ls e s i m i cb e h a v i o ra n da v a i l a b l ep r o s p e c t k e yw o r d ：c o n c r e t e 。f i l l e ds q u a r es t e e lt u b ec o n n e c t i o nw i t lo u t e rd i a p h r a g m s h y s t e r e t i cc u r v e s n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t c o m p u t e rs i m u l a t i o n 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名：鹰确 日 期：莎。f r 7 a f f i r 队t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w nw o r ku n i t sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u r e ：z ，v & ， d a t e ：o - o y g ，矿 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 钢管混凝土的发展概况和研究状况 钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土及螺旋配筋混凝土基础上演变和发展起来的一种新 型结构形式。这种结构形式在一百多年前已被应用于桥墩和工业厂房等结构中，但早期 的应用中一般不考虑由于组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土间相互作用对承载力的 提高。早期钢管混凝土中采用的钢管大多是热轧管，钢管的壁厚一般比较大，且由于当 时钢管内混凝土的浇筑工艺未得到很好的解决，因而应用钢管混凝土的经济效益并不明 显，从而使钢管混凝土的推广应用受到一定的影响。2 0 世纪6 0 年代以后美国、欧洲、 f = = j 本等国家对钢管混凝土的力学性能进行了较为深入的研究，这类结构被大范围采用。 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，按截面形式主要分为圆钢管混 凝土、矩形钢管混凝土、方钢管混凝土、多边形钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土等： ( a ) 圆形( b ) 方形( c ) 矩形 图1 1 常见的钢管混凝土截面形式 f i 9 1 1c o m m o ns e c t i o nt y p eo f c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b e 按材料的组成分为普通钢管混凝土( 核心混凝土的强度等级为c 5 0 以下的素混凝土，外 包普通钢管) 、薄壁钢管混凝土( 普通素混凝土外包薄壁钢管) 、高强钢管混凝土( 高 性能混凝土外包钢管) 、增强钢管混凝土( 钢管内填配筋混凝土或含有型钢的混凝土) 、 离心钢管混凝土( 钢管内用离心法填充一层厚度为2 0 5 0 m m 的c 4 0 强度等级以上的混 凝土，而形成的空心钢管混凝土) 等| 2 5 j 。钢管混凝土利用了钢管和混凝土两种材料在受 力过程中相互间的组合作用，充分发挥了两种材料的优点，不仅使混凝土的塑性和韧性 性能大为改善，而且避免和延缓了钢管发生局部屈曲，从而使钢管混凝土具有承载力高， 坐! 、型垫查兰璺主堂堡堡兰 一一 丝丝 塑性和韧性好的优点，与传统结构相比节约原材料，经济效果好，施一。方便。 在过去的几十年，国内外研究者们对钢管混凝土构件在各种荷载，如压、弯、剪、 及砖组合作用下的力学牲能及钢管混凝土的构件的动力性能进行了大量的理论分析和试 验研究，取得了丰硕的研究成果。世界上一些国家也制定出了自已的设计规程，主要有 欧洲e c 4 ( 1 9 9 6 ) ，德国d i n t 8 8 0 0 ( 1 9 9 7 ) ，美国的设计规程主要有a c i ( 1 9 9 9 ) ， s s l c ( 1 9 7 9 ) ，a i s c l r f d ( 1 9 9 9 ) ，日本的设计规程主要有a i j ( 1 9 8 0 ，1 9 9 7 ) 等。 我国在这一领域的研究主要集中在钢管中浇灌素混凝土的内填型钢管混凝土结构。 2 0 世纪6 0 年代中期，钢管混凝土开始在一些厂房柱和地铁工程中采用。进入7 0 年代后， 这类结构在冶金、造船、电力等行业的单层或多层工业厂房、设备构架柱、支架柱、送 变电塔杆、桁架压杆中得到广泛的推广应用。1 9 7 8 年，钢管混凝土结构被列入国家科学 发腰规划，进入8 0 年代后，我国在这一领域的研究工作进一步深入，工程应用进一步推 广列于钢管混凝土结构的研究日趋深入。截止目前，我国已颁布的钢管混凝土规程 主耍有：j c j 0 1 8 9 钢管混凝士结构设计与施工规程( 1 9 8 9 ) ；中国工程建设标准化 协会c e c s 2 8 ：9 0 钢管混凝土结构设计规程( 圆形钢管) ；国家经贸委d l 5 0 8 5 m 1 9 9 9 钢混凝土组合结构设计规程：解放军总后勤部颁布的军用标准g j b 战时军港抢修 早强型组合结构技术规程( 2 0 0 1 ) ；福建省地方标准钢管混凝土技术规程 d b j l 3 5 1 2 0 0 3 ；矩形钢管馄凝_ 士结构技术规程( 2 0 0 4 ) 等。 以往我国的研究人员对圆形截面钢管混凝土结构的力学性能等方面进行了较为深 入的研究，理论也比较完善和成熟，并且制定了专门的设计方法和规程，圆形截面钢筋 混凝土结构己广泛应用于大型建筑工程和交通运输工程中，随着对钢管混凝土结构研究 的不断深入、理论的日趋成熟，人们不再仅局限于研究圆形截面钢管混凝土，而逐渐向 其它截面形式的钢管混凝土方向拓展，方钢管混凝土结构便是一种主要形式，其应用较 为泛，日益受到国内外业界的普遍重视。我国对方钢管混凝土的研究起步较晚，研究 成果较少，目前还没有专门的国家标准，在这方面有待进一步的研究和完善。 1 2 方钢管混凝土研究现状和存在的问题 在截面为正方形的钢管中填充混凝土从而形成方钢管混凝士结构，这种结构不仅具 有正方形钢管结构的美观外形，而且其梁柱节点形式简单，旄工时容易处理；方钢管混 凝士= 结构构件之间的相贯线在同一平面内，便于加工，施工工期短、成本低。特别是在 桁架结构中，这种节点优势体现得更加明显；与圆形截面钢管混凝土受压构件相比较， 桁架结构中，这种节点优势体现得更加明显；与圆形截面钢管混凝土受压构件相比较， 2 些查! ! 垫叁堂堡主兰竺丝皇 堑堡 方形钢管混凝土受压构件截面的惯性矩较大，其稳定性能好。因此，对于受稳定性能控 制的中长柱，矩形截面钢管混凝土受压构件优于圆形截面钢管混凝土受压构件。方钢管 混凝土构件可以选用价格较便宜的平板形式的防火板材，从而简化防火措施，节省防火造 价。方钢管混凝土还具有良好的抗震性能和延性性能。 1 2 1 方钢管混凝土研究现状 目前，国内外方钢管混凝土研究主要集中在以下几方面： 1 2 1 ，1 方钢管混凝土构件力学性能的研究 同济大学吕西林等人认为，方钢管混凝土压弯柱在受压区也存在紧箍效应而使钢管 内部混凝土强度提高，提高程度与钢管壁宽厚比有关。福州大学韩林海在深入研究方 钢管混凝土力学性能的基础上，提出了方钢管构件承载力的简化计算公式，同时他通过 砖试验结果的拟合分析，得到不同长细比时，方钢管混凝土轴心受压柱的承载力简化计 算公式。王菁等人提出了适用于方钢管混凝土轴心受压中长柱和短柱的承载力计算切 线模量理论方法，并给出了简化的解析公式 4 1 。陶忠、韩林海利用轴压方钢管混凝土中 钢与混凝土的应力应变关系模型，采用数值分析方法对方钢管混凝土纯弯构件进行了 分析m j 。陶忠、杨有福应用滞回模型，研究了构件在往复荷载作用下的工作机理，并给 出构件弯矩一曲率关系的回复力模型及模型中参数的简化计算h 8 】。吕西林等人通过试验 研究了钢管混凝土柱的抗震性能，得出了如下结论：方钢管混凝土柱具有良好的抗震性 能，其抗震性能受到柱的宽厚比、钢管内填充的混凝土强度、轴压比和不问的加载制度 的影响【2 “。 1 2 1 2 方钢管混凝土结构的抗震研究 随着对钢管混凝土工作机理和构件各项性能等研究工作的不断深入，人们不再局限 于钢管混凝土的工作机理、基本构件等方面的研究，而开始研究由钢管混凝土构件形成 的整体结构的动力特征、抗震性能等多方面的能力。当然，圆钢管混凝土结构的研究工 作依然走在钢管混凝土结构研究工作的前列。各国学者在这一领域内已发表了许多研究 成果。方钢管混凝土结构的研究工作刚剐开始，这方面的研究还是较少。王来等人对一 榀两跨三层方钢管混凝框架进行了拟静力试验，并结合试验现象对试验结果进行了分 析f 2 ”。查晓雄等对钢管混凝土柱的组合截面抗弯刚度进行了理论和试验上的研究，并与 原截面尺寸计算得到的刚度值进行比较，在此基础上对钢管混凝土高层框架结构进行了 初步分析口“。韩林海对钢管混凝土构件的抗弯刚度进行了研究，并基于此探讨了钢管混 凝士框架结构静力作用下水平侧移的“d 值法”以及地震反应的弹塑性时程分析方法1 2 3 ) 。 3 当童型垫查堂壁主堂垡笙苎堕鲨 1 2 1 3 方钢管混凝土节点的研究现状及存在的问题 节点是方钢管混凝土的关键部位，其合理与否直接关系到结构的安全可靠性，早期 的节点研究主要集中在圆钢管混凝结构中，理论也比较成熟，但对方钢管混凝土节点 的构造形式、力学性能等，国内外专门的研究还不多。 ( 1 ) 方钢管混凝土节点的主要形式 方钢管混凝土连接节点根据连接材料的不同，分为钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的 连接、钢管混凝土柱与钢梁的连接；根据节点构造的不同分为( 1 ) 外加强环式节点，此 类节点的优点是：传力明确，节点区应力分布较均匀、刚度大，塑性性能好、承载力高； 缺点是外加强环的尺寸较大，尤其在钢管混凝土住宅中，由于钢管混凝土柱截面较小， 但外加强环式节点环板的尺寸较大，往往给建筑上的处理带来不变。( 2 ) 承重销式和穿 心钢板式节点，此类节点的优点是：传力明确、受力安全可靠、塑性性能好；其缺点是： 用钢量相对较大，且当管径较小时，承重销或钢板在钢管内的焊接较困难。( 3 ) 肋板式 节点。此类节点的优点是：传力明确、刚度较大、塑性性能好；缺点是：用钢量较大， 钢管角部与肋板焊接处焊缝容易先破坏。( 4 ) 钢筋混凝士环梁式节点，此类节点的特点 是传力明确、受力较好，但施工较为不便t 2 。( 有关节点类型见图1 2 t 4 ) 一o o 湎 图1 3 方钢管混凝土粱柱外加劲扳节点 f i g l3c o n n e c t i o nb e t w e e nb e a ma n dc o n c r e t e - f i l l e ds q u a r es t e e lt u b ec o l o m nw i t ho u t e rd i a p h r a g m s 4 山东科技丈学硕士学位论文 绪论 t 型扳 髑觥 lj ek i 五 i i l i l 螺杆一，工矗一 图1 4 方钢管混凝土粱柱穿心螺栓t 板节点 f i 9 1 4 c o n n e c t i o nb e t w e e nb e a ma n dc o t o m nw i t hp i e r c i n gb o l ta n dt - t y p ed i a p h r a g m s ( 2 ) 方钢管混凝士节点的研究现状 目前，国内外在节点方面的研究主要有：向黎明、吕西林研究了轴力对节点抗震性 能的影响，得出了轴力使节点抗震性能降低的结论。湖南大学的樊海涛采用有限单元 法分析了t 型矩形钢管混凝土受压节点，得出了节点的荷载一位移曲线以及变形规律， 分析了钢材强度、腹杆宽度的比僵对节点极限承载力和初始冈度的影响1 4 0 j 。余勇等人对 方钢管混凝土柱与钢梁连接的节点作了拉伸试验的研究，分析了连接区域的应力传递机 机制，提出连接的承载力方程1 4 1 1 。k a n g 等对h 型钢粱与方钢管混凝土柱的连接节点进 行了试验研究和有限元分析，采用的是冷弯成型钢管，试件采用t 形外加劲板型节点， 并用穿心钢筋或弯起钢板和梁翼缘板连接进行加强。k a n g 的试验结果表明，在往复荷载 作用下，外加t 型加劲板有利于提高节点的极限弯矩及刚度，穿心的钢筋或弯起钢板则 仅对刚度有所贡献：在单调荷载作用下，穿心的钢筋或弯起钢板对极限强度和刚度都有 所贡献。研究结果还表明，t 型外加劲板的设置可改变节点的破坏模态，即由钢管壁角 部发生弯曲屈服变为受拉屈服破坏模态。k i l n 对较大尺寸( 5 0 0 * 5 0 0 * 1 2 ) 的方钢管混凝 土柱_ h 型钢梁带t 型外加劲件节点的滞回性能进行了试验研究，其t 型加劲件是由水 平和竖向组件焊接而成，试验结果表明，实测的滞回曲线饱满。试件有三种破坏形态， 即水平组件抗剪破坏、竖向组件抗拉破坏和钢粱屈曲破坏。其中钢梁屈曲应是合适的破 坏模态，因为在这种情况下，可在梁端形成塑性铰，提高节点变形能力和耗能能力。 k o e s t e r 等对钢管混凝土柱一穿心螺栓t 型分离板焊接节点在反复荷载作用下的力学性 能进行了研究。主要考察核心区约束混凝土传递节点剪力的能力，提出了节点抗剪承载 力的计算公式【2 】。吕西林等对带内隔板方钢管混凝土柱与钢粱连接节点的设计方法进行 厂研究，并提出了构造设计建议，主要包括四点：一是当钢梁上下翼缘与柱直接焊接时， 应采用全焊透坡口焊缝，并在钢梁上下翼缘底面设置焊接衬板，在抗震设计时，下翼缘 s dj 乐科教大学硕士学位论文绪论 焊接村板在翼缘施焊完毕后，应在衬板底面全长与柱焊接，或将衬板割除；二是为防止 内缡板在管内未灌混凝士时出现失稳破坏，钢管内隔板的厚度应满足现行规范中板件宽 度：e 限值：三是钢管内隔板应设置混凝土浇筑孔，其孔径应不小于2 0 0 m m ，内隔板四角 应岛透气孔，以保证节点处混凝的浇筑质量，其孔径为2 5 m m ，透气孔一方面要起到 足够的透气效果，另一方面应使内隔板在屈服状态时能满足简单传力机制；四是根据构 造阳运输要求，框架柱可按多个楼层下料分段制作，为了避开柱的最大弯矩部位，分段 接头位置宜在楼面以上1 o l _ 3 m 处【4 0 】。吕西林和李学平进行了方钢管混凝土柱外置式环 梁节点在竖向恒载和侧向低周反复荷载共同作用下豹试验研究，结果表明，试件的破坏 表现为梁端出现塑性铰，整个试件具有较好的承载力、延性和耗能能力【3 8 】。o h 等对冷弯 钢管混凝土柱与h 型钢梁连接节点的滞回性能进行了试验研究，节点采用t 型加劲件加 穿心弯起钢板来加强其剐度，试验结果表明，除了t 型加劲件较小的节点外，其余节点 都表现了良好的变形能力，对于中震区，可以只用穿心弯起钢板加强来抵抗地震荷载， 同时发现，在钢管壁外焊接t 型加劲板，会导致冷弯钢管的角部焊缝处发生剪切破坏。 r i d e 等对十个较大尺寸的钢管混凝土柱与宽翼缘钢粱连接的中柱节点进行了滞回性能 的研究，通过各节点在往复荷载作用下的强度、刚度、延性和耗能能力等指标的比较， 得出以下结论：带内加强环弱节点区式节点、分离t 型板式节点和带锥形翼缘板外伸t 型扳式节点的构造形式基本满足规范a i s c l r f d ( 1 9 9 9 ) 中的抗震设计要求。通过在螺 栓连接分离t 形板式节点的梁翼缘加强螺栓孔，可以防止螺栓孔的伸长和撕裂，从面减 小滑移和滞回曲线的捏缩。焊接节点由于几何形状的突变，容易产生应力集中，而使梁 翼缘发生撕裂，为了减小应力集中和避免撕裂现象的发生，其建议采用带有锥形翼缘板 的构造形式。s h i m 等进行了钢管混凝土拄与h 型钢梁节点的静力及滞回性能的试验研 究，结果表明，内加强环板使节点核心区具有良好的刚度和耗能能力；内加强环板开圆 孔试件的强度和塑性变形能力比开方孔的试件要好，研究还发现，即使内加强环板的开 口率达到5 0 ，试件的强度几乎不会降低，如果加强环板的厚度为钢梁翼缘厚度的一半， 应使内加强环板的开口率低于5 0 ，以保证其稳定性。钟立来等进行了钢管混凝土柱一 h 咧钢梁螺栓连接式梁柱节点的试验研究，该类节点的梁端设有端板，以螺杆栓接在钢 管混凝土柱上，混凝土抗压强度达到设计值后，对螺秆施加预应力，粱端加焊翼缘扩板 及加劲垂直三角板，以增大梁端弯矩，使塑性铰远离焊缝，经一系列的试验研究，在刚 度、强度、韧性及耗能能力等方面，均反映出优良的抗震性能【2 1 。 ( ： ) 方钢管混凝土节点研究存在的问题 6 ! ! 查型垫盔兰堡主堂垫堡壅 堕堡 由于钢管混凝土梁柱节点与空钢管节点的受力机理有所不同，在进行钢管混凝土的 节点设计时，其构造措施应保证钢管和混凝土的共同工作，且需要验算钢管和混凝土之间 的粘结力，钢管和混凝土的粘结问题一直是一个未完善的领域，有待进一步的研究。节 点的计算理论还不够完善，且对于节点的多样性有待进一步研究。方钢管混凝土结构工 程中的节点型式虽比较多，但关于节点的试验和理论研究严重滞后于实际工程的应用。 1 2 2 方钢管混凝土研究存在的问题 方钢管混凝土的研究开展的较晚，各方面的理论还不够成熟和完善，有些问题还需 要进一步的深入研究，归纳一下，主要有以下几方面： ( 1 ) 高强方钢管混凝土的研究资料仍然很少，需要进行大量的研究。当今的设计方 法都是针对普通钢管混凝土( 包括方钢管混凝土) 的。 ( 2 ) 薄壁方钢管混凝土的研究还不够深入。对于薄壁方钢管来说，其承载力是极不 稳定的，因为它对于局部缺陷很敏感，当有残余应力存在时，影响则更大。在方钢管中 灌注混凝土形成方钢管混凝土构件后，钢管保护了混凝土，延缓了混凝土受压时的纵向 开裂，而混凝土则大大延缓了薄壁钢管的局部失稳。薄壁钢管和混凝土互相弥补了彼此 的弱点，而且充分发挥了彼此的长处，使薄壁钢管混凝土的承载力大大高于二者单独受 荷时的承载力之和。相对于厚壁方钢管混凝士，采用薄壁钢管混凝土的主要优点是：可 以节约钢材，降低造价，且可以提高构件的耐火极限。 ( 3 ) 钢管混凝土结构在火灾后的性能研究。目前，对方钢管混凝土火灾下的性能研 究主要集中在基本构件方面，而对由方钢管混凝土柱和钢或钢筋混凝土等形式的梁组成 的框架结构火灾下的性能研究则很少涉及。在火灾情况下，由于方钢管混凝土柱与钢或 钢筋混凝土等形式的梁柱互相约束，将使框架结构产生内力重分布，从而可能危及结构 的安全。因此，应开展这方面的研究工作，并提供合理的方钢管混凝土框架柱的耐火设 计方法，便于工程设计应用。 ( 4 ) 方钢管混凝土框架结构的抗震性能研究。目前，对方钢管混凝土抗震性能的研 究主要集中在基本构件方面，而对由方钢管混凝土柱和钢或钢筋混凝土等形式的梁组成 的框架结构的抗震性能则很少涉及。今后应开展这方面的研究工作，并在充分考虑结构 空间作用的基础上，提供合理的方钢管混凝土框架柱和节点的抗震技术参数，便于工程 应用。 ( 5 ) 方钢管混凝士在收缩、徐变、温度等影响下的材料自身性质还需做系统全面的 研究。复杂受力状态如弯、剪、压、扭共同作用时构件的计算方法还没有完全确定，造 7 i l j 享科技大学欢士学位论文绪论 威设计时只能简单地忽略构件的受扣和受剪，并加大构件承载力的富裕度来处理； ( 6 ) 方钢管混凝土结构的力学性能有必要进一步研究与探索。寻求钢管与混凝土之 间相甄作辟j 而产生的效应，进而计算不同标号材料组成的构件，在不同荷载形式下的极 阳承载力，同时确定实用计算方法和设计理论，通过试验验证而用于实际工程设计1 2 ”。 1 3 本文的研究背景 本文是基于山东科技大学和山东莱钢建设集团合作开发新型方钢管混凝土节点项目 的譬础上进行的研究。由于方钢管混凝土结构节点的设计形式多样，开发前景广阔，目 前f 霸内尚没有统一的节点形式，这就为开展新型节点的理论研究和在实际工程中的推广 应用提供r 契机。本次研究中，抗震试验所用的试件由山东莱钢建设集团加工制作，试 验在青岛理工大学结构试验室完成。通过对新型钢管混凝土框架结构外隔板节点形式的 研究，旨在设计开发一种合理可行的节点形式，便于在今后的钢管混凝土结构的施工中 推f + 和使用。 1 4 本文的主要工作 在总结有关方钢管混凝土节点研究的基础上，本文主要进行了如下工作： 首先，对方钢管混凝土梁柱外隔板节点试件进行了试验研究，设计了一种新型的方 钢管混凝土柱与h 型钢梁连接的外隔板节点，并进行了节点的结构试验，试件共分为中 柱军“边柱两种形式，共四个。对试件分别进行了柱顶施加恒定轴力、柱端施加水平低周 往复荷载的拟静力试验，以研究节点的抗震性能。 其次，在总结前人研究的基础上，针对方钢管混凝土外隔板节点的具体情况，用 a n $ 1s 7 0 对节点进行了结构分析，建立了考虑非线性因素的有限元分析模型，对钢材采 用了v o n m i s e s 屈服条件和运动强化模型，对混凝土采用了w i l l i a m w a r n k e 五参数破坏 准f ! f c 和弹塑性本构关系，采用三维实体单元对以钢材和混凝土组成了节点进行了三维建 模，模拟分析了节点在单调加载和低周反复荷载作用下的受力性能，通过合理的单元选 取和嘲格划分，较为准确的分析了节点区的应力分布，并将理论曲线与实际曲线进行r 比较。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 全文共分为五章，各章主要内容如下： 第一章绪论介绍了课题的研究背景、目的和意义，以及国内外方钢管混凝土节点 研究的现状。 第二章方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究以结构试验为背景，制定了节点 试件的抗震试验方案，记录了试验过程和破坏特征，整理分析了试验结果，进行了节点 强度、变形和抗震性能指标的计算及评价。 第三章非线性有限元的理论分析对有关弹塑性理论进行了说明，建立了钢材和混 凝土的弹塑性本构模型。 第四章计算机程序模拟利用a n s y s 程序建立起非线性三维节点的实体模型，选取 了合理的钢材单元和混凝土单元，对试验中的中柱、边柱节点进行了单调加载和低周反 复加载的模拟分析，并与试验结果进行了对比。 第五章结论及展望总结了本文的试验和理论研究，提出了今后需要进一步解决的 问题。 1 5 本文的创新点 首先，本文研究的对象是全新的，在此之前，大多数方钢管混凝土节点型式主要为 内隔板或贯穿式，外隔板的型式比较少见，本文所研究的是方钢管混凝土柱与h 型钢粱 通过外隔板连接的节点型式，这种节点型式是通过参阅大量的国内外文献，同时经过理 论分析设计出来的。 其次，本文的试验是全新的，在此之前，大多数方钢管混凝土的结构试验主要集中 在单个构件，而本试验是柱梁的联合试件，试件庞大，约束条件较为复杂，能较好的模 拟实际情况，从试件加工至试验完成，历时数月，收集了宝贵的试验数据，为今后对此 类节点进行更深一步的研究和应用提供了有价值的技术资料并积累了丰富的经验。 最后，本文对节点的研究方法是新颖的，不仅通过结构拟静力试验来检验它的抗震 性能，同时利用a n s y s 软件首次建立三维实体模拟钢管混凝土外隔板的节点，通过试 验的数据和理论的分析证明了该节点具有较好的延性和抗震性能。 9 方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 2 方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 2 。1 试验研究的目的及内容 2 1 试验研究目的 对于方钢管混凝土结构梁柱节点的研究，主要集中在梁柱内隔板节点的研究上，方钢 管混凝土柱与钢梁的外隔板节点形式研究还较少，为进一步开展这方面的工作，山东科技 大学与莱钢建设集团共同开发一种新型方钢管混凝土节点形式。 2 1 2 试验研究内容 本次研究的节点试件按尺寸和形式分为2 组共4 个，其中中柱节点2 个，边柱节点 2 一，均采用柱顶施加1 3 0 0 k n 恒定轴向力，柱端施加水平往复荷载的拟静力试验方案， 以湖完成以下内容： l 、测定边柱和中柱两种形式梁柱节点在低周反复荷载作用下的滞回性能、延性指 标，观察和记录破坏过程及特征。 2 、对两种形式梁柱节点抗震性能试验结果进行分析。 3 、为节点有限元理论分析提供有关的试验数据，并比较有限元理论分析的结果。 2 。2 试件及试验装置 2 21 试件设计 四个节点试件的制作全部在莱钢建设青岛分公司加工制作，钢材为q 2 3 5 b ，手工焊条 e 4 3 型，摩擦型高强螺栓m 1 6 ，1 0 9 级，其它为普通螺栓。方钢管柱内混凝土在加工车 间浇筑并养护，混凝土设计标号为c 3 0 。试件截面尺寸见表2 1 。 节点主要构造特征：在方钢管混凝土柱侧焊接t 型隔板，h 型钢梁的翼缘与隔板焊 接连接，h 型钢梁腹板与焊于柱壁上的外伸钢板使用高强螺栓连接。细部尺寸见节点详 图( 图2 1 图2 2 ) 。 妇东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 扩一 卜卫_ r j 固 l 广i 甘 斟l 1 1 下 p 褥 + 一叫 l l + 。1 鹫 i 。、j f 1 印屿卜j 虬乒毁 上 图2 1 中柱节点详图 f i g 2 1d e t a i ld r a w i n go fc o n n e c t i o n 乒盟乒_ j 照j 匕羔 图2 2 边柱节点详图 f i g 2 2d e t a i ld r a w i n go fc o n n e c t i o n 表2 1 试件截丽尺寸 t a b l e 2 1s e c t i o n a ld i m e n s i o no f s p e c i m e n 试件柱截面尺寸粱截面尺寸( m m ) 备注 编号 ( m m ) 翼缘厚翼缘宽 腹板厚 粱高 b z l3 0 0 唪3 0 0 丰481 5 062 0 0 柱内砼c 3 0 b z 23 0 0 * 3 0 0 * 681 5 062 0 0钢材q 2 3 5 b z z l3 0 0 * 3 0 0 * 4 8 1 5 062 0 0 z z 2 3 0 0 * 3 0 0 * 6 81 5 0 62 0 0 2 2 2 试验装置 节点试验在青岛理工大学结构试验室进行。试验采用较先进的电液伺服程控结构试 验机系统，液压加载设备采用1 5 0 0 k n 油压千斤顶。由千斤顶施加柱顶恒定轴向荷载 l3 0 0 k n ，并由2 5 0 k n 电液伺服作动器施加柱顶水平低周往复荷载，试验台的水平承力系 l l 舟塑r 锇1 蒲杖 ，i即 i 山末科技大学硕士学位论文 方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 统为梯形钢筋砼反力墙。试验数据由7 v 1 4 c 数据采集仪和c m 1 a 3 2 应变仪同时采集。 节点试件加载装置见图2 3 及图2 4 所示。 。户 匝 8 | l 7 l | i | 卫 8 悱苇斡1 i o 睡。三丑主丑担13 l 匡= d 4 2 风习 2 1 及力墙2 及力槊3 反力桨4 试件5 i 试件黎嘲竞零 6 试件柱底单故7 抽压千斤顶8 1 l 俏撩嘴謦9 拉压电禳司麒作动誉1 0 禳轴支座1 1 侍惑嚣1 2 基础| i ll & 位移计 a 中柱试验 图2 3 试验加载装置简图 f i g2 3t e s td e v i c eu n d e rl o a dt e s t b 边柱试验 c 柱顶千斤项施加竖向力d 梁端支承 1 2 山东科技大学硕士学位论文方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 e 柱底铰支座f 测点图 圈2 4 部分试验装置照片 f i g 2 4p a r tp h o t o so f t e s td e v i c e 2 2 3 测点布置 中柱节点试件应变片7 0 片，位移计2 个，电子倾角仪4 个；边柱节点试件应变片 5 8 片，位移计2 个，电子倾角仪3 个，其布置位置见图2 6 和图2 7 。 2 2 4 材性试验结果 钢材材性试验按照金属拉力试验法g b 2 2 8 。8 7 的规定，制作出如图所示的板状试 件，各种厚度的钢板试样均取自与构件同一批材料，其单向拉伸试验结果的平均值见表 2 2 。 试件钢管内混凝土设计标号c 3 0 ，现场搅拌并一次性浇注，浇注过程中随机取样并 制作边长为1 5 0 m m 的标准混凝土立方体试块3 个，并按规定进行养护，在节点试件开 始试验前，测试混凝土试块强度。 表2 2 材性试验结果平均值 t a b l e 2 2t h er e s u l to f m a t e d a lt e s t 村试件试样尺寸( m ) 数 屈服极限抗拉强度 料tl * b l1h 量( n m m 2 )( n m m 2 ) 钢 41 4 0 2 06 05 04 03 2 9 2 4 2 2 材 61 9 0 3 09 07 55 033 0 24 3 8 l 砼c 3 01 5 0 * 1 5 0 * 1 5 03 立方体抗拉强度平均值：2 3 3 5 n m m 2 2 25 各试件的设计轴压比 各试件的设计轴压比可按下式进行计算 兰变型堡奎兰竺主兰些丝圣 nn 2 瓦2 丁巧万i 方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 其中，一方钢管混凝土柱设计轴压比 一柱子轴力 帆一方钢管混凝土柱的轴压设计承载力 ，正一分别为柱子截面钢材、混凝土的抗压强度设计值 4 ，4 一分别为柱子截面的钢材和混凝土的截面面积 表2 3 各试件设计轴压诧 t a b l e 2 3a x i a lp r e s sr a t i oo f s p e c i m e n s ( 2 1 ) 试件 b z lb z 2z z lz z 2 设计轴压比0 4 60 4 0o 4 60 4 0 2 3 试验加载制度及测试内容 2 31 试验加载制度 本试验根据建筑抗震试验方法规程，采用拟静力试验方案，对方钢管混凝士柱在 桂顶施加低周反复水平荷载。各试件的加载制度如图3 1 所示，柱顶水平荷载p 推为正， 拉为负，柱顶垂直方向：旌加竖向恒定轴向压力n 1 3 0 0 k n 。柱顶水平方向：采用控制力 和控制位移的混合加载方法，根据屈服荷载、屈服位移来确定水平荷载的具体加载方案， 具潍步骤：屈服前，按照估算的屈服荷载p ，分三五步单循环加至p ，即p a 曲线出现 拐点。进入屈服以后，以屈服位移ay 进行控制，按照1ay 、2 a y 、3 a y 、4 a y 、5 ay ， 分缀加载，每级循环3 次，直至试件破坏。试验加载控锗示意图见图2 5 。 图2 5 试验加载控制示意图 f i 9 2 5a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo fl o a d - c o n t r o l 1 4 山东科技大学硕士学位论文 方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 节点试件的计算屈服荷载p y 为柱边梁端截面翼缘外边缘的应力达f y 时的柱端水平 简载的估算值，试验值以此为参考值并结合应变片的数值现场决定或调整加载步骤，同 时从荷载一位移滞回曲线的变化情况来判断节点试件的屈服点。试验结束后，再对荷载一 位移滞回曲线进行分析并确定节点试件的屈服点。 23 2 试验的测试内容、方法及目的 试验测量分为三部分：应变测量、位移测量、转角测量。 应变测量：应变花及应变片布置见图2 6 位移测量：柱顶及梁端分别安置位移计，测量每一层的绝对位移，其布置见图2 7 。位 移与水平力的关系形成p a 曲线。 转角测量：梁柱的绝对转角采用电子倾角仪测出，其相对转角通过计算得出。倾角 仪布置见图2 7 。 lii 三 嚣k 曼 譬童 lli 图2 6 节点应变片布景图 f i g 2 6 a r r a n g e m e n t p l a n o f s t r a i n g a u g e 山东科技大学硕士学位论文 方钢管混凝土外隔板节点的抗震试验研究 位移诂 陵角仪h 幽 曩口 号日i 罡口、 l 、瓶角倪 田 四 图2 7 倾角仪及位移计布置图 f i g 2 7a r r a n g e m e n tp l a no f i n c l i n a t o r sa n dd i s p l a c e m e n tm e t e r s 2 4 试验过程及破坏形态 2 4 1 试验过程及破坏特征 本试验采用控制力和控制位移的加载方法，通过分级加载，加至试件屈服，然后根据 试，牛屈服位移的倍数进行循环加载，每一位移量级循环三次，直至结构破坏，即出现 1 5 h 2 0 的卸荷。 各项试验准备工作就绪后，按节点z z l ，z z 2 ，b z l ，b z 2 的顺序进行循环荷载试验， 试验叫，先在柱顶施加1 3 0 0 k n 恒定竖向荷载，记录一次在恒定轴压作用下的应变数据， 然后开始按各试件的循环荷载步数施加水平循环荷载，并由7 v 1 4 c 采集仪和c m l a 一3 2 采集仪采集数据。 2 r 1 1 1 中桂z z l 节点试件试验过程 根据试验荷载估算，该试件柱边梁端截面上下翼缘达到屈服极限f y 的柱顶水平荷载 p y 约为6 0 k n ，试验分五步单循环加至p y ，此时柱顶位移为7 m m ，此后以ay 的倍数控制 进行循环加载，直至试件破坏。试验过程中，在力控制过程中，未出现异常情况，其p 一曲线呈线