方钢管混凝土框架内隔板节点抗震性能的试验研究_图文

1、第25卷第1期2005年2月地震工程与工程振动E ARTHQUAKE E NGI N EER I N G AND E NGI N EER I N G V I B RATI O N Vol .25,No .1Feb .2005收稿日期:2004-03-15基金项目:天津市建委重大科技项目(01-2-073作者简介:王来(1963-,男,教授,博士研究生,主要从事钢结构与组合结构的教学与研究.文章编号:100021301(20050120076205方钢管混凝土框架内隔板节点抗震性能的试验研究王来1,2,王铁成1,邓芃2(1.天津大学建工学院,天津300072; 2.山东科技大学土建学院,山东青岛

2、266510摘要:本文设计了一榀三层两跨的方钢管混凝土框架模型,梁柱节点采用内隔板节点型式。采用拟静力试验方法,对方钢管混凝土框架施加低周反复水平荷载,研究了方钢管混凝土框架内隔板节点的荷载-位移曲线、节点延性、节点破坏机制和破坏特点等抗震性能。研究结果表明,方钢管混凝土框架内隔板节点的抗震性能较好。关键词:方钢管混凝土框架;内隔板节点;延性;抗震性能中图分类号:P315.97文献标识码:AExper i m en t a l research on se is m i c performances of jo i n t re i n forcedw ith i n ner r i n g

3、sti ffener of concrete 2f illed square tubul ar fram eW ang Lai 1,2,W ang Tiecheng 1,Deng Peng 2(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Shandong University of Science and Technol ogy,Q ingdao 266510,China Abstract:A 32fl oor 22s pan concrete 2filled steel square tub

4、ular fra me model was designed .I nner diaphrag m j oints were used in the fra me model .The quasi 2static experi m ents were carried out .By exerting l ow reversed cyclic l oads on the concrete 2filled steel square tubular fra me,the seis m ic perf or mance was analyzed,including the l oad 2def or

5、m 2ati on curve of the inner diaphrag m j oints in the concrete 2filled steel square tubular fra me,the j ointsductility,the j ointsfailure mechanis m ,the failure characteristics,and s o on .The results indicate that the inner diaphrag m j oints in the concrete 2filled steel square tubular fra me h

6、ave good seis m ic perf or mance .Key words:concrete 2filled square tube fra me;inner diaphrag m j oint;ductility;seis m ic perf or mance引言对于钢管混凝土节点的抗震性能,国内外的专家和学者从不同的节点形式进行了大量的研究,取得了许多研究成果。在国外,1991年Yoshi m ura 1等进行了方钢管套箍钢筋混凝土短柱与钢梁组成的梁柱节点的拟静力试验研究。1993年Morino 2等通过拟静力试验研究方钢管混凝土柱与H 型工字梁组成的三维空间梁柱节点的抗震性能

7、。1994年Teraoka 3等通过拟静力试验研究未设加强环的方钢管混凝土柱和H 型钢梁组成的梁柱节点的延性和耗能能力。1988年Endoh 4等进行了方钢管混凝土无梁楼盖体系中板柱节点的拟静力试验研究。1991年Yokoya ma 5等进行了内加强环式方钢管混凝土柱和钢梁节点的拟静力试验研 究。1998年Oh Y .S .6等对带有穿过钢管的T 型加劲构件的方钢管混凝土梁柱节点进行了拟静力试验研究。在国内,1991年沈希明7等通过拟静力试验研究钢管混凝土柱与钢梁加强环式节点的承载力、刚度和延性。1994年李至钧8等对5个钢管混凝土框架梁柱刚性抗震节点进行试验研究。1999年欧谨9等对双梁夹柱

8、加承重销节点进行低周反复荷载试验,探讨其抗震性能。1999年杨润强10等研究钢管混凝土柱环梁节点在低周反复荷载作用下的受力性能以及低周反复荷载作用对节点抗剪能力的影响。此外,2001年张大旭11、吴发红12对4个钢加强环钢管混凝土节点的模型进行了试验,研究其在低周反复荷载作用下的承载力、破坏形态和抗震性能。向黎明13,张素梅14等也进行了类似的研究。以上研究大都建立在单个节点模型试验的基础上。本文设计了一榀三层两跨的方钢管混凝土组合框架,通过低周反复荷载试验,研究了具有加强内隔板的方钢管混凝土框架节点的抗震性能。1试验模型设计以“天津市钢结构住宅体系”方钢管混凝土结构住宅试点工程为原型,按比例

9、缩小设计出一榀三层两跨的方钢管混凝土框架试验模型,如图1所示15。框架柱均为方钢管混凝土柱,方钢管截面尺寸为150mm ×150mm ×6mm ,钢材为Q2352B 。方钢管由4块钢板采用坡口的对接焊缝焊接而成,内部浇注C40混凝土。框架梁采用普通工字钢I 18,材料采用Q2352B 。方钢管混凝土梁柱节点采用了目前常用的节点型式内隔板节点。即工字形梁上下翼缘与柱子的连接采用坡口对接焊缝连接,腹板与焊接于柱子上的竖向钢板采用6M16高强螺栓进行连接(8.8级。在方钢管混凝土框架柱内部,与梁上下翼缘对应位置设置2块内隔板,沿框架平面方向与柱子坡口对焊。框架节点连接型式如图2所

10、示。内隔板节点的传力机理为:内隔板用于传递梁端弯矩,连接板传递梁端剪力 。2试验方法试验采用拟静力试验方法,对方钢管混凝土框架结构在边柱顶部与上层梁交汇节点处,利用固定在反力墙上的500k N 拉压千斤顶施加低周反复水平荷载。在框架柱的顶部施加竖向集中荷载,通过千斤顶上部与反力梁之间的滚轴装置保证柱顶端可产生自由水平位移。本试验框架模型边柱和中柱的轴压比分别为0.25和0.4,即边柱和中柱所施加的竖向轴力分别为300k N 和500k N 。加载装置如图3所示。本试验水平荷载的加载采用荷载-变形混合控制的加载方法。在加载的第1阶段,即荷载控制阶段,按每50kN 一级增加,取50kN,100kN

11、 ,直至结构屈服。屈服位移y 根据绘制的P -曲线上出现较为明显的拐点来确定。在第2阶段,即结构屈服后进入位移控制加载阶段,按顶层屈服位移的倍数作为加卸载控制点,每一位移量级循环3次,直至结构破坏(荷载下降到最高荷载的80%85%,且不低于屈服荷载时。加载程序见图4。771期王来等:方钢管混凝土框架内隔板节点抗震性能的试验研究 试验实测材料的应力-应变关系曲线见图5和图6 。 图7框架顶层P -骨架曲线3试验主要结果及其分析3.1基本情况在试验中,框架在竖直恒定荷载和水平低周反复荷载的作用下,经历了弹性、屈服、最高荷载和极限荷载而破坏。整个试验过程经历了13次反复循环达到破坏(见图7。第1循环

12、,正向加荷至P =50kN,反向加荷至P =-50k N;第2循环,加至设计荷载±100k N,各个梁柱均处于弹性阶段。第3循环,当加荷至P =150kN (0.68P max ,反向加至P =-158k N (0.78P max 时,在P -曲线上出现明显的拐点(A 及A 点,说明框架已经屈服。此时,对于正向加载和反向加载,1、2层个别梁端形成了塑性铰。框架屈服后刚度较初始刚度有明显下降,在滞回曲线上,荷载增加速度减慢而变形增长迅速。贴在柱端钢管上的横向应变片读数增长幅度较大,说明混凝土的膨胀引起的钢管横向应力加大,即钢管对内部混凝土的约束力不断增长。卸载段基本呈直线,卸载刚度与初

13、始刚度基本相同。第6循环,正向加荷至P =226k N ,反向加荷至P =-212kN,此时达到最高荷载点B 和B 。此后,随荷载反复循环,变形迅速增加而荷载开始缓慢下降。第12循环,正向加荷至P =203kN,反向加荷至P =-162k N ,此时荷载下降到极限荷载点C 和C 。相应的位移延性系数=4.61和=4.29,此值为衡量框架延性的重要指标。最后框架位移过大,试验停止。87地震工程与工程振动25卷 3.2柱端转角柱子转角测量装置如图8所示。实测框架一层中柱节点柱端的荷载-转角骨架曲线如图9所示。从图中可以看出,在框架屈服以前,P -曲线基本呈直线变化,而且柱端转角很小,发展缓慢。屈服

14、荷载点之后,随着荷载的逐步增大,转角增长较快。柱端转角延性系数根据试验的实测值,得到如下结果:=6.66(正向加载,=7.30(反向加载。在达到极限荷载时,柱端没有局部凸出的现象发生,说明框架柱还有一定的塑性转动储备 。3.3 梁柱相对转角图10底层中节点柱端P -骨架曲线通过梁端架设的水平倾角仪和柱端两侧安置的百分表的读数可以测得梁柱的相对转角,实测框架一层中柱节点柱端的P -(其中为梁柱相对转角骨架曲线如图10所示。从图中可以看出,在框架屈服之前,P -图基本呈直线,梁柱相对转角很小,在达到屈服荷载之后,相对转角的增长明显并快于荷载的增加。从破坏过程中可以发现,在达到2倍屈服位移的第2循环

15、时,中柱柱脚的塑性铰形成,在3倍屈服位移第1循环时,边柱柱脚形成塑性铰。这样由于柱脚塑性铰的出现,使框架位移增长变快,同时也是梁柱相对转角突然快速增加的原因。3.4梁柱节点强柱弱梁关系为了提高框架的抗震能力,关键是控制好柱子出现塑性铰的位置和顺序,并使塑性铰具有足够的变形能力。框架结构的延性与塑性铰的分布有关,若梁中先出现塑性铰形成梁铰机构,则塑性铰分布比较均匀,每个塑性铰所要求的非弹性变形量也比较小,而且梁铰机构的延性较好。为此,模型设计必须满足“强柱弱梁”条件,即使梁中的塑性铰先出现、多出现,尽量减少或推迟柱中塑性铰的出现,特别是要避免在同一层各柱的两端都出现塑性铰。本次试验的模型设计中校

16、核了“强柱弱梁”,保证了塑性铰先出现在梁端而不是柱端。试验证明,梁柱节点的塑性铰大都出现在梁端。3.5节点破坏机制及特点(1破坏机制。从试验时记录的框架梁端和柱端所布置的应变片的结果可以看出梁、柱端塑性发展的过程。首先在第3循环,即P =150k N 时,1、2层边节点部分梁端塑性铰已形成;其后,当第46循环(由位移控制,达到1倍屈服位移的第2循环时,绝大多数边节点梁端形成塑性铰,部分顶层柱端也开始出现了塑性铰;第6循环(2倍屈服位移第1循环以后,部分中柱柱端和柱脚及顶层梁端陆续形成塑性铰;第9循环以后,大部分节点柱端陆续形成塑性铰,最后由于框架变形过大而中止试验。在试验过程中,框架第3层中柱

17、及第3层边柱柱端过早出现塑性铰,主要因为框架顶层柱端所受弯矩较大,而梁端弯矩相对较小,同时,水平加载装置会使边柱顶部形成局部应力集中。试验表明,框架模型的破坏机制基本上是梁铰机制,基本实现了梁端先形成塑性铰,待梁端塑性铰发展一段时间,消耗部分能量后,柱端971期王来等:方钢管混凝土框架内隔板节点抗震性能的试验研究 图11节点梁端焊缝开裂情况再屈服的预想,在设计上满足了强柱弱梁的要求。但是与其它框架一样,方钢管混凝土框架在柱脚形成塑性铰是不可避免的。由于柱子所承受的轴向力很大,柱脚一旦形成塑性铰,其发展比梁端塑性铰要快。试验中,当柱脚塑性铰出现后,梁端塑性铰的转动开始减弱,框架的耗能工作以梁铰的

18、转动为主逐渐转化为由柱铰来承担,塑性转动逐渐集中到3个底层柱脚。随着塑性铰增加,加之N -效应增加,导致框架变形过大而破坏。(2破坏特点。在破坏的过程中,大部分梁上下翼缘与柱子的连接焊缝发生断裂。柱子出现了不可恢复的明显的弯曲变形。在本试验中,虽然反映了强柱弱梁的结构特点,塑性铰先在梁端产生,然后发生在柱端,但此后有些梁端的焊缝开始开裂,而且断裂的响声很大。通过分析梁端塑性铰的开裂发展情况,可知焊缝开裂主要是由于梁端的塑性铰开展后,对有些有缺陷的焊缝产生了应力集中,致使焊缝发生脆性开裂,从而影响了节点和结构塑性变形的发展。节点破坏情况如图11所示。4结论通过对方钢管混凝土框架内隔板节点的试验研

19、究,可得出以下结论:(1方钢管混凝土组合框架采用内隔板节点,构造简单,传力明确,节点刚度较大,承载力高。(2延性系数大于4,说明方钢管混凝土内隔板节点延性较好。(3框架模型的破坏机制基本上是梁铰机制,从而使得强柱弱梁的要求得到满足。(4内隔板节点需要进行内部施焊,焊接困难,焊缝质量不易保证,而且隔板的存在也影响混凝土的浇筑,在实际工程中必须保证节点的施工质量。(5由于节点的焊缝较多,导致节点焊缝附近钢材塑性下降,脆性增加,从而影响了结构塑性的进一步发展。参考文献:1Yoshi m ura K,Kikichi K,I ur okiM.Seis m ic shear strengthening m

20、ethod f or existing R /C short columnsA .Pr oceedings of the Third I nterna 2ti onal Conference on Steel 2Concrete Composite StructuresC .Fukuoka,Japan,1991.677682.2Morino S,Kawaguchi J,Yasuzaki C,et al .behavi or of concrete filled steel tubular three 2di m ensinal sub asse mblagesA .Composite Cons

21、truc 2ti on in Steel and Concrete IIC .Pot osi,M iss ouri,1993.726741.3Teraoka M,Morita K .Experi m ental study on structural behavi or of concrete 2filled square tubular column in steel H 2bea m connecti onswithout dia 2phrag m A .Pr oceeding of the 4th ASCCS I nternati onal Conference on Steel 2co

22、ncrete Composite StructuresC .Kosice,sl ovakia,1994.190193.4Endoh K,Kosugi K,M itsui Y .Strength of R /C flat slab 2t o 2concrete filled steel tubular column connecti onA .Pr oceedings of the I nternati onal Specialty Conference on Concrete Filled Steel Tubular StructuresC .Harbin,China,1998.246252.5Yokoya ma Y,Morita K,Kawa mata Y,et al .Structural behavi or of steel 2bea m t o concrete 2filled square tube column connecti ons reinf orced withinner ring stiffenerA .Pr oceedings of the Third I nternati onal Conference on Steel 2Concrete composite StructuresC