钢管混凝土柱新型柱脚节点的试验研.doc

钢管混凝土柱新型柱脚节点的试验研究*摘要：对新型钢管混凝土柱脚节点进行了静力加载和低周反复加载试验研究。给出了静力荷载下的荷载-变形曲线、低周反复荷载下的荷载-变形滞回曲线以及关键部位的应变数据。试验证明：此型柱脚节点工作性能可靠，具有良好的耗能能力。关键词：钢管混凝土、节点、抗震随着建筑结构技术的发展，钢管混凝土结构在建筑结构中的应用越来越广泛。钢管混凝土结构具有良好的承载力和延性，因而具有良好的工作性能。影响钢管混凝土应用的主要因素是其节点构造一般比较复杂。钢管混凝土梁柱节点已经有很多研究，但柱脚节点的研究却不多见。本文介绍的节点，是梁启智教授在其梁柱节点的基础上设计而成。此节点应用锚拴连接钢管混凝土柱与基础，克服了插入式节点影响基础钢筋布置的缺点。节点形式构造简单，传力明确。1.试验概要图1 试件大样图本次试验共两枚试件，一枚用于静力试验，一枚用于低周反复荷载试验。试验目的：1.考察柱脚锚栓群应力水平；2.考察位置不同柱脚锚栓应力变化规律；3.考察节点是否可以看作刚性节点；4. 画出柱脚节点在低周反复荷载作用下的荷载-变形滞回曲线，考察节点在地震力作用下的吸能能力。试件钢管3257，材料为Q235-BF。钢管柱内混凝土按C40配制，试件进行混凝土浇注时同时制作边长150mm立方体试块，在与试件同等条件下养护，试验开始时测定试块强度。试块立方体强度48.8kN/mm2。柱脚底板、托板、肋板和锚栓采用弹性理论设计。材料Q235-BF ，底板、托板20mm厚，肋板10mm厚，尺寸见图1。 1.试件 2.固定装置 3.百分表4.测力传感器 5.横向千斤顶 6.滑动装置 7.竖向千斤顶 8.加荷架横梁 9.反力三角架 10.反力墙 图2 试验装置图（虚线部分只用于反复荷载） 试验装置见图2。试件与反力三角架均固定在两条地槽之间，试件以两条横梁固定。竖向荷载以安装在横梁上的1000kN千斤顶施加。单向加载试验横向千斤顶与测力传感器设置在反力墙上，低周反复加载横向千斤顶与传感器分别设置在反力墙和反力三角架。横向千斤顶的加载能力均为1000kN以反力墙上千斤顶施加的荷载为正向。图3 横向荷载-变形曲线2.试验现象及结果分析2.1单向加载轴力300kN，横向力以25kN的步长分级施加，荷载-变形曲线见图3。横向荷载施加到300kN时，柱脚底板与基座之间出现裂缝，宽度约0.3mm，随荷载增大，裂缝逐渐变宽，同时柱本身产生弯曲。最大横向荷载400kN。底板与基座之间裂缝最大宽度3.3mm，裂缝由X轴正向延伸过Y轴15mm，到X轴-100mm（即第二排锚栓）处（见图4）。极限荷载时钢管混凝土柱下端胀鼓，试件破坏为钢管混凝土柱压弯破坏。试件顶端最大横向位移40.04mm。试验中，没有测得位移-变形曲线的下降段。钢管柱达到极限荷载时，试件X轴正向第二（108mm处）和第三排（212.5mm处，见图4）锚栓达到屈服。图4 锚栓群应变变化图图5 托板环向应变变化图从锚栓应变图4中可以看出：锚栓群的中性轴在试件X轴-100mm（即第二排锚栓）附近，底板受压区扇形截面高度在横向荷载比较小时（150kN），大约和半径一致。随着横向荷载的增加，中性轴向外移动，但移动范围不大。横向荷载比较小时，锚栓群应变基本符合平截面假设，随着荷载的增加，螺栓群变形逐渐偏离平截面假设。这是由于肋板、托板以及底板变形影响的结果。图5显示：达到极限荷载时，托板最大受力处没有达到屈服。达到极限荷载时，受压区肋板的应变远大于受拉区肋板（见图6）。由于受压区肋板设计强度偏小，以至于底板环向应变比较大（见图7）。图7 底板受压区边缘应变变化图图6 肋板应变变化图图8 横向荷载-变形滞回曲线图2.2反复加载轴力600kN，横向荷载以荷载-变形控制。当横向荷载至300kN时，底板与基座之间出现裂缝，并且达到试件中轴，试件最大横向荷载394kN，试验达到极限荷载时裂缝宽度0.7mm。试件破坏为钢管混凝土柱压弯破坏。试件底部两侧均有胀鼓现象。荷载-变形滞回曲线有轻微的“捏缩”现象（见图8），这是因为当横向荷载达到一定水平时，边缘锚栓达到屈服，而使节点的横向刚度退化以及试件和固定装置之间的轻微滑移引起。3.结束语本节点设计时作为固定节点考虑，从试验结果可以看出：试件破坏形式为钢管混凝土柱压弯破坏，节点部分的应变水平远小于柱本身。可见节点刚度大于钢管混凝土柱，节点可以看作固定节点。锚栓群的变形在塑性阶段偏离平截面假设，在实际节点设计时应予以考虑。总的来说：节点设计是安全可靠的，具有良好的耗能能力。参考文献：1 王国周，瞿履谦。钢结构原理与设计。清华大学出版社，1993，112 骆伟。高层建筑钢管混凝土柱新型节点的试验研究及有限元分析。华南理工大学硕士学位论文，1999，33 邱元。高层建筑钢管混凝土新型梁柱节点的试验研究及有限元分析。华南理工大学硕士学位论文，