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套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

張莉若1  湯中發(fā)2  王明貴1

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院北京100013;2.北京科技大學(xué) 北京100083)

摘  要：本文提出了一種新型套筒式鋼管混凝土柱－H型鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)形式，并通過(guò)對(duì)兩個(gè)傳統(tǒng)加強(qiáng)環(huán)式梁柱節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)新型套筒式梁柱節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的抗震性能進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)比較，分析和研究了套筒式節(jié)點(diǎn)的承載能力及滯回性能。結(jié)果表明套筒式節(jié)點(diǎn)抗震延性好，能滿足設(shè)計(jì)要求，可用于多層或小高層住宅建筑中，并給出了這種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)構(gòu)造建議。

關(guān)鍵詞：套筒式鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)；試驗(yàn)研究；承載力；變形性能

Experimental Research on Concrete Filled Steel Tubular Column to Steel Beam Connections Using Sleeve

Zhang Liruo1   Tang Zhongfa2   Wang Minggui1

（1.China Academy of Building Research , Beijing 100013;2.Uiniversityof science and technology of Beijing , Beijing  100083）

[Abstract]  A new type of joint for concrete filled steel tubular column to H steel beam connections using sleeve is presented in this paper. Then we have carried out theoretic calculation and experimental research on the traditional reinforced ring connections and the new sleeve connection to analyze and study their load-bearing performance and deformation capability. The results show that the joint with sleeve has good anti-seismic ductility and meets the design requirements. This joint may be used in multi-story or sub-high-rise residential buildings with steel structure, and a detailed joint design is suggested for the new type.

[Key words] concrete filled steel tubular column to steel beam connections using sleeve; experimental research; load-bearing performance; deformation capability

鋼結(jié)構(gòu)中，當(dāng)采用鋼管混凝土柱與H型鋼梁結(jié)構(gòu)時(shí)，其梁柱節(jié)點(diǎn)常用環(huán)板式，如圖1所示[1]。但這種節(jié)點(diǎn)在住宅建筑中有時(shí)滿足不了建筑的需要，它不僅在室內(nèi)露下環(huán)板，而且外墻（尤其是墻板）也不便安裝。文獻(xiàn)[2]將邊柱和角柱的環(huán)板直接切除，這種做法未見到科學(xué)依據(jù)。對(duì)此，我們提出套筒式的節(jié)點(diǎn)，如圖2所

示。由于鋼管混凝土柱的管壁較薄，不宜直接焊接H型鋼梁，可選用一節(jié)鋼套筒來(lái)加強(qiáng)和保護(hù)柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)不被先拉壞，并通過(guò)套筒來(lái)承載和傳力。鋼套筒與鋼管柱要有可靠連接，除在套筒上下邊采用角焊縫外，還要在中間加一些塞焊點(diǎn)，然后將H型鋼梁與套筒進(jìn)行常規(guī)的栓焊混合連接。為了加強(qiáng)梁根部的受力能力，還應(yīng)在梁上下翼緣加蓋板,或部分削弱梁翼緣形成“狗骨”式以減少梁根部的應(yīng)力集中。我們經(jīng)計(jì)算分析和試驗(yàn)對(duì)比，研究套筒式和環(huán)板式這兩種節(jié)點(diǎn)的承載力和變形性能，并給出套筒式節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造建議。

1、計(jì)算分析

為了從理論上分析套筒式節(jié)點(diǎn)的可行性，我們用ANSYS程序計(jì)算了套筒式節(jié)點(diǎn)的受力情況，有限元計(jì)算網(wǎng)格劃分見圖3所示。混凝土采用單元庫(kù)中的實(shí)體8節(jié)點(diǎn)混凝土單元SOLID65，鋼管、套筒、鋼梁采用實(shí)體8節(jié)點(diǎn)單元SOLID45，這兩種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有三個(gè)自由度：沿x，y，z，方向的平移，滿足了在有限元分析中節(jié)點(diǎn)自由度的協(xié)調(diào)要求。由于套筒在受梁翼緣的拉力作用后，套筒與鋼管壁會(huì)發(fā)生脫離，在套筒與鋼管壁之間的接觸面上設(shè)置一個(gè)接觸對(duì)，來(lái)模擬兩者之間的相互作用。套筒與鋼管壁之間的目標(biāo)單元和接觸單元分別采用支持三維面-面接觸分析的TARGE170和CONTA174。采用手工單元網(wǎng)格劃分的方法使單元的劃分保持協(xié)調(diào)，即各組件在相鄰邊界處節(jié)點(diǎn)重合具有相同的坐標(biāo)值，但具有不同的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

鋼管柱采用Φ326mm×8mm，鋼梁采用H300×150×6.5×9mm。以梁柱節(jié)點(diǎn)為中心，鋼管柱上下各取層高的一半(Lc=1.5m)，鋼梁左右各取半跨梁長(zhǎng)(Lb=1.5m)，組成一個(gè)平面十字形模型，鋼材采用Q345B。鋼管內(nèi)澆注C40混凝土。材料力學(xué)性能取與表1試驗(yàn)值相同。

在柱軸向壓力1000kN及梁端反對(duì)稱荷載為0.8Py（注：計(jì)算模型的Py=141kN）的作用下，梁自由端的撓度為13mm， 節(jié)點(diǎn)區(qū)域的最大變形出現(xiàn)在套筒與梁受拉翼緣的焊接處，鼓出變形值為0.8mm。從節(jié)點(diǎn)區(qū)域的Mises應(yīng)力分布來(lái)看：各組件均處于彈性工作狀態(tài)，套筒的高應(yīng)力區(qū)主要集中在梁受拉翼緣焊接處，套筒在梁受壓翼緣處的應(yīng)力相對(duì)受拉翼緣處小。

保持柱軸向力不變，在梁自由端施加屈服荷載Py時(shí)，梁自由端的撓度為18.14mm，套筒的最大鼓出變形值為1.11mm。節(jié)點(diǎn)區(qū)域的Mises的應(yīng)力分布規(guī)律與上述情況一致，套筒在梁受拉翼緣作用下的高應(yīng)力區(qū)域向四周擴(kuò)散，此時(shí)鋼梁的受拉翼緣和受壓翼緣的平均應(yīng)力均已達(dá)到屈服應(yīng)力。套筒在梁受拉翼緣處的拉應(yīng)力區(qū)大部分已達(dá)到或接近屈服應(yīng)力，套筒在受壓翼緣處壓應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力小于受拉區(qū)的應(yīng)力。在梁受拉翼緣的位置沿套筒一周定義路徑P1，該路徑上套筒的環(huán)向應(yīng)力σθ的分布圖如4所示，在套筒與鋼管柱之間的角焊縫處沿鋼管一周定義路徑P2，在塞焊縫的位置沿鋼管一周定義路徑P3，這兩路徑上鋼管的環(huán)向應(yīng)力σθ的分布圖分別見圖5和圖6所示�？梢姡�鋼管仍處于彈性工作狀態(tài)，具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

當(dāng)梁端荷載繼續(xù)增加時(shí)，梁根部受拉翼緣兩側(cè)角點(diǎn)處的焊縫首先達(dá)到塑性狀態(tài)而被認(rèn)為破壞，其次是塞焊縫處達(dá)到塑性狀態(tài)，其他位置均處于彈性狀態(tài)。通過(guò)有限元的計(jì)算分析可知節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力的傳遞路徑：梁端彎矩和剪力通過(guò)焊縫和連接腹板傳遞給套筒，再通過(guò)套筒與鋼管之間的角焊縫和塞焊縫傳遞給鋼管混凝土柱。計(jì)算表明套筒式節(jié)點(diǎn)能滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

2、試驗(yàn)對(duì)比分析

為了比較套筒式節(jié)點(diǎn)和環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的受力性能，我們做了兩個(gè)套筒式節(jié)點(diǎn)試件和兩個(gè)環(huán)板式節(jié)點(diǎn)試件，試件尺寸和材料都相同，并與計(jì)算模型一致，試驗(yàn)加載裝置設(shè)計(jì)如圖7所示,試驗(yàn)試件見圖8、圖9所示。

2.1材料力學(xué)性能試驗(yàn)

制作試件的材料和實(shí)際工程中的材料一樣。鋼管內(nèi)澆注C40混凝土，混凝土自鋼管上口灌入，采用內(nèi)部振搗器搗實(shí)，試驗(yàn)取同等養(yǎng)護(hù)條件的150mm×150mm×150mm的混凝土立方體試塊測(cè)定其抗壓強(qiáng)度f_cu,k，并換算成混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_ck。鋼管、鋼梁等所用鋼材一律采用Q345B，用E50型焊條進(jìn)行手工焊接，試驗(yàn)前分別在鋼管和型鋼梁的腹板上取300mm×30mm(長(zhǎng)×寬)的板條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試件的材料力學(xué)性能見表1。

               鋼材與混凝土的力學(xué)性能(單位：MPa)                   表1                

2.2試驗(yàn)方案

鋼梁的材料采用Q345B，鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度采用試驗(yàn)值。則鋼梁的梁端翼緣達(dá)到屈服時(shí)，對(duì)應(yīng)在梁自由端施加的集中力為P_y。

P_y＝f_yW_n/（L_b-D/2）＝385×490/（1500－163）＝141kN              (1)

在考慮了柱的長(zhǎng)細(xì)比影響和偏心矩影響后鋼管混凝土柱的承載力：

N_u＝φ_lφ_eN₀＝0.91×0.204×5880＝1091kN                       (2)

綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備條件，確定在柱頂施加1000kN的豎向軸心壓力。

節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)采用力-位移加載制度。試驗(yàn)加載步驟為：(1)在柱頂施加1000kN的豎向軸心壓力，并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持恒定；(2)采用分級(jí)加載制度，根據(jù)梁端屈服荷載確定在梁自由端施加反復(fù)荷載的大小，每級(jí)荷載循環(huán)往復(fù)一次。在鋼梁梁端達(dá)到屈服以前用荷載控制，各級(jí)荷載分別為梁端屈服荷載P_y的20%，40%，60%，80%，90%。(3)達(dá)到屈服荷載以后用位移控制，位移級(jí)差為屈服荷載所對(duì)應(yīng)的梁端加載點(diǎn)的位移Δy，直至試件破壞，停止試驗(yàn)。為了考察環(huán)板式節(jié)點(diǎn)和套筒式節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變變化，在鋼管柱表面、加強(qiáng)環(huán)、套筒及鋼梁的翼緣上布置了若干應(yīng)變片。所有應(yīng)變片、百分表以及梁端的反對(duì)稱荷載的數(shù)據(jù)均通過(guò)YE2539靜態(tài)應(yīng)變儀自動(dòng)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，柱頂荷載數(shù)值直接由液壓機(jī)讀出。

2．3 承載力比較

保持柱頂荷載不變，在梁端施加循環(huán)往復(fù)荷載，當(dāng)在梁自由端施加的荷載很小時(shí)，結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作狀態(tài)，卸載時(shí)構(gòu)件基本能恢復(fù)到初始狀態(tài)。當(dāng)荷載逐漸增大直至梁端屈服時(shí)，卸載時(shí)梁自由端不能回復(fù)到初始位置。同一種的兩個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果基本一致：

1）環(huán)板式試件當(dāng)荷載達(dá)到0.8P_y時(shí)，梁自由端的撓度達(dá)到14mm，卸載時(shí)殘余撓度為1.9mm，環(huán)板和梁的翼緣均沒(méi)有明顯的變形。當(dāng)荷載達(dá)到屈服荷載P_y時(shí)，梁翼緣和環(huán)板間的焊縫應(yīng)變達(dá)到屈服，且有向外鼓出的現(xiàn)象，并逐漸增大。此時(shí)節(jié)點(diǎn)仍然具有很強(qiáng)的承載力，從應(yīng)變采集儀上讀出梁自由端的撓度Δy為19mm。此后加載以位移控制，當(dāng)位移以2Δy循環(huán)時(shí)，梁翼緣處的應(yīng)變繼續(xù)增加，節(jié)點(diǎn)仍具有一定的承載能力。當(dāng)位移為3Δy時(shí)，承載力降低很明顯，梁翼緣的平均應(yīng)變達(dá)到13000με，節(jié)點(diǎn)處的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大，梁自由端豎向殘余變形為44mm，梁翼緣和環(huán)板在其對(duì)接焊縫處的鼓出變形增大，鋼梁腹板和連接板產(chǎn)生凹凸不平的翹曲，對(duì)接焊縫處有開裂，呈現(xiàn)較為明顯的彎曲破壞形式。

2) 套筒式試件當(dāng)荷載達(dá)到0.8P_y時(shí)，梁自由端的撓度達(dá)到15mm，卸載時(shí)殘余撓度為1.9mm，套筒和梁的翼緣均沒(méi)有明顯的變形。當(dāng)荷載達(dá)到屈服荷載時(shí)，梁翼緣的平均應(yīng)變均達(dá)到屈服，套筒與梁翼緣連接處由于應(yīng)力集中導(dǎo)致環(huán)向拉應(yīng)變達(dá)到屈服，套筒在與梁受拉翼緣處略向外鼓出，鋼梁沒(méi)有明顯的變形，此時(shí)從應(yīng)變采集儀上讀出梁自由端的撓度Δy為18mm。此后加載以位移控制，當(dāng)位移以2Δy循環(huán)時(shí)，套筒在梁受拉翼緣處的鼓出很明顯，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)增大。當(dāng)位移為3Δy時(shí)，梁翼緣處的平均應(yīng)變達(dá)到12000με，節(jié)點(diǎn)處的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大，梁的自由端豎向殘余變形為36mm，套筒壁被受拉梁翼緣從尖角處拉裂。由于蓋板對(duì)梁翼緣的加強(qiáng)，梁的受壓翼緣并未出現(xiàn)局部失穩(wěn)的現(xiàn)象。

2．4節(jié)點(diǎn)的延性

兩種試件的荷載－位移(P~Δ)滯回曲線見圖10與圖11，從圖中可以看出，本次試驗(yàn)的4個(gè)試件的滯回曲線相當(dāng)穩(wěn)定，基本上沒(méi)有剛度退化的現(xiàn)象，曲線的形狀均飽滿呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的梭形，未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象，反映出加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)和套筒式節(jié)點(diǎn)均具有很好的抗震性能，節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)均在3~4之間。

4個(gè)節(jié)點(diǎn)試件在達(dá)到屈服荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)的初始剛度均相似于典型的梁端單調(diào)加載的情況，卸載后構(gòu)件基本上能恢復(fù)到初始的位置。試件屈服后，在對(duì)梁端施加2次循環(huán)荷載后，4個(gè)試件在達(dá)到3Δy時(shí)開始破壞，在梁端施加的最大荷載及節(jié)點(diǎn)的極限轉(zhuǎn)角θmax見表2所示。可以看出加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的角變形比套筒式節(jié)點(diǎn)略大，可以將套筒式節(jié)點(diǎn)視為剛性節(jié)點(diǎn)。

表2 兩種節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果                     

2．5 鋼梁的全塑性受彎承載力和極限受彎承載力的比較

試件的極限受彎承載力與梁的全塑性受彎承載力見表3所示。可見套筒式節(jié)點(diǎn)能滿足文獻(xiàn)[5]中公式8.2.8-1中所要求的M_u≥1.2M_p的規(guī)定。

表3 極限受彎承載力M_u與梁的全塑性受彎承載力M_p

3 設(shè)計(jì)建議與結(jié)論

為了保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，套筒的壁厚t建議取Max(1.2t_c，1.2t_f)，其中t_c、t_f分別為鋼管壁厚和梁翼緣厚；套筒的高度h建議取h_b+10t，其中h_b為梁截面高度。套筒兩端加工成內(nèi)倒角與柱壁形成V型坡口焊接，梁翼緣附近的塞焊孔也是必要的。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

(1) 環(huán)板式節(jié)點(diǎn)試件的實(shí)際抗彎承載能力是梁最大彎矩設(shè)計(jì)值的1.56~1.67倍，套筒式節(jié)點(diǎn)試件是1.48~1.52倍；而且節(jié)點(diǎn)的極限受彎承載力與梁全塑性受彎承載力均能滿足條件 M_u≥1.2M_p ，所以，在施工質(zhì)量有保證的前提下，套筒式節(jié)點(diǎn)是能夠滿足設(shè)計(jì)要求的；

(2) 套筒式節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角位移較小，節(jié)點(diǎn)的抗彎模量較大，節(jié)點(diǎn)為剛性；

(3) 在相同的幾何尺寸和軸壓比下，套筒式節(jié)點(diǎn)有很好的延性，抗震性能與環(huán)板式節(jié)點(diǎn)相當(dāng)；

（4）套筒式節(jié)點(diǎn)易于滿住宅建筑的某些要求，且結(jié)構(gòu)布置靈活，可在多層或小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中應(yīng)用。對(duì)高層或超高層建筑的應(yīng)用還有待研究。

參考文獻(xiàn)

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