CFST柱-RC環扁梁節點試驗研究

楊 芳,季 韜,戴益華

(1.福建工程學院,福建福州 350108;2.福州大學土木工程學院,福建福州 350108,3.福建建工集團總公司,福建福州 350003)

CFST柱-RC環扁梁節點試驗研究

楊 芳1,2,季 韜2,戴益華3

(1.福建工程學院,福建福州 350108;2.福州大學土木工程學院,福建福州 350108,3.福建建工集團總公司,福建福州 350003)

文章對鋼管混凝土(CFST)柱-鋼筋混凝土(RC)環扁梁中節點(JF-1、JF-2)這2個節點在靜載和低周反復荷載作用下的試驗結果從承載力和變形能力兩方面進行分析,并對環扁梁節點在破壞形態、延性、耗能能力等方面進行研究。試驗研究結果表明,在地震區推廣應用采用CFST-RC環扁梁節點結構體系具有較強的可行性。

環扁梁節點; 靜載; 低周反復荷載; 破壞形態; 延性

在高層建筑結構中,采用鋼管高強混凝土柱具有滿足柱軸壓比限值,減少柱截面尺寸、增大建筑使用面積,提高結構延性等優點[1]。在鋼管混凝土柱高層建筑中采用鋼筋混凝土樓蓋具有很好的經濟效益。解決好鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的連接是這種結構體系的關鍵技術之一[2]。可采用的連接形式有雙梁 -抗剪環連接、環梁-抗剪環連接、雙梁 -環形牛腿連接和環梁 -環形牛腿連接等[3-4],其中,環梁 -抗剪環連接的形式簡單、方便施工,已有學者對其受力性能開展了一些研究[5-11]。但是,迄今為止,還未見采用CFST-RC環扁梁節點的工程實例,國內外學者對這類節點性能的研究也極其少見。

CFST-RC環扁梁結構體系同時具有鋼管混凝土柱結構體系和鋼筋混凝土扁梁結構體系的優點,有較廣泛的應用前景。文獻[12]設計制作了兩個鋼管混凝土(CFST)柱-鋼筋混凝土(RC)環扁梁中節點(簡稱環扁梁節點),節點試件編號為JF-1、JF-2,JF-1和JF-2是相同配筋、截面尺寸和材料強度的節點試件。對環扁梁節點分別進行了靜載試驗和低周反復荷載試驗,其中JF-1進行靜載試驗,JF-2進行低周反復荷載試驗。本文對環扁梁節點在靜載試驗和低周反復荷載作用下的試驗結果從承載力和變形能力兩方面進行分析,并對環扁梁節點在破壞形態、延性、耗能能力等方面進行研究,為這種新型結構體系在今后的工程應用奠定一些基礎。

1 靜載試驗和低周反復荷載試驗結果比較

靜載試驗柱頂用加載能力為 600 kN的液壓千斤頂;扁梁自由端用加載能力為1000 kN、1000 kN的液壓千斤頂并聯安裝以保證同步加載,用液壓千斤項在每一扁梁自由端加荷,同時在柱頂施加豎向荷載起穩定作用。試驗過程中,柱頂保持550 kN的豎向荷載(軸壓比0.091),梁端荷載從0開始分級加載,全部過程由荷載控制,每級加荷步長為 5 kN。在每一荷載等級時,持荷 2到 10分鐘,觀察試件裂縫開展。在某一梁肢達到破壞荷載后,將油壓減為零,切斷該梁肢上千斤頂油路繼續進行另一梁肢的試驗,油壓從該梁肢破壞前的等級開始逐級增加[13]。試驗過程中,位移計和應變片的數據采集方案為手動采集。

圖1為JF-1靜載試驗加載裝置圖及尺寸。

圖1 靜載試驗加載裝置圖及尺寸

低周反復荷載試驗采取柱端施加水平低周反復荷載方案。試驗裝置在柱底模擬固定鉸支座,柱頂采用可水平移動的 60 t油壓千斤頂施加軸向壓力。梁反彎點處用上下兩個可滾動的鋼輪夾住,使梁端在反彎點處只承受剪力,梁在柱頂水平位移作用下可左右移動,不能上下移動。柱頂水平低周反復荷載由美國MTS電液伺服系統作動器施加,作動器額定加載能力為±500 kN,最大行程為±250mm。作動器往西移動為正向加載,往東移動為負向加載。鋼筋應變采用IMP應變采集系統采集。

圖 2為低周反復荷載試驗加載裝置圖及尺寸。

圖2 低周反復荷載試驗加載裝置圖及尺寸

圖3 JF-1與JF-2的荷載-位移曲線比較圖

圖3為JF-1和JF-2靜載試驗和低周反復荷載試驗下荷載—位移曲線比較圖,JF-2柱端施加的水平荷載換算成扁梁自由端施加的荷載。從圖 3中可以看出,靜載試驗的承載力高于低周反復荷載試驗的承載力。

因為靜載試驗給結構施加靜力荷載,測定結構的工作性能,確定結構變形、內力、承載能力等變化規律,施加在結構上的荷載不引起結構動力反應(如慣性力、加速度等);低周反復荷載試驗給試件施加低周反復作用的力或位移,來模擬地震時結構的作用,并評定結構的抗震性能和能力[14]。施加在結構上的反復荷載使結構不斷劣化。靜載試驗條件較低周反復荷載試驗對試件的破壞程度來得小,所以靜載試驗的承載力高于低周反復荷載試驗的承載力。

由圖 3可知,對于環扁梁節點,達到峰值荷載時,低周反復荷載作用的變形能力大于靜載作用下的變形能力,說明在地震荷載作用下,環扁梁節點的耗能能力較好。

2 環扁梁節點試驗結果研究

2.1 破壞形態

2.1.1 靜載下的破壞形態

JF-1在交界處形成塑性鉸,并向環扁梁延伸;從JF-1的鋼筋應變[12]分析可知,JF-1環扁梁縱筋先屈服,這也說明了塑性鉸的位置;最后破壞形態的裂縫形態中,JF-1以彎曲裂縫為主。

由圖3可知,JF-1東向極限荷載為145 kN,西向極限荷載為 155 kN。試件靜載試驗的荷載-位移曲線中,最大荷載附近的平臺段比較大,試驗中因扁梁自由端力加不上去而停止試驗,顯示出較好的延性。根據壓力機的表盤讀出的荷載等級,在達到極限荷載的三分之二時,扁梁與環扁梁交界處已出現明顯的裂縫,破壞前預兆較為明顯。節點破壞主要發生在扁梁與環扁梁交界處,扁梁及環扁梁的縱筋在破壞前已部分屈服,環扁梁及扁梁的破壞都為延性破壞。試件的極限承載力接近或超過設計荷載的200%(設計荷載為55 kN),這說明試件承載力設計滿足要求,并具有較大的抗彎承載潛力。

從JF-1靜載試驗的荷載-位移曲線可以看出,JF-1具有較好的變形能力。這是因為 JF-1在交界處形成塑性鉸。

2.1.2 低周反復荷載下的破壞形態

低周反復荷載試驗條件下節點的破壞形態可以歸結為兩類:扁梁端形成塑性鉸和環扁梁形成塑性鉸。試件發生哪種破壞類型與扁梁尺寸、環扁梁尺寸、環扁梁箍筋、環扁梁環筋及扁梁縱筋的相對配筋量有關,即與環扁梁和扁梁的相對承載力有關。

JF-2在環扁梁上形成塑性鉸[12]。JF-2的裂縫較多,破壞比較嚴重,有大面積剝落,說明JF-2的材料強度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力較好。

表 1分別從塑性鉸形成位置、混凝土剝落情況、扁梁裂縫類型及環扁梁裂縫類型這四個方面對環扁梁節點在靜載和低周反復荷載試驗條件下的破壞形態進行了比較。

從 JF的靜載試驗和低周反復荷載試驗的破壞形態可以得出以下三點結論:

(1)靜載試驗和低周反復荷載試驗中,斜裂縫均從交界處延伸到環扁梁中;

(2)在靜載試驗中,在環扁梁形成撕裂裂縫,JF-1撕裂明顯,因為斜裂縫由扭矩引起。環扁梁高度小,受的扭矩較大,且在環扁梁 45°處,所受扭矩最大,所以撕裂裂縫只出現在環扁梁上;

(3)在低周反復荷載試驗中,JF-2的裂縫較多,破壞比較嚴重,有大面積剝落,說明JF-2的材料強度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力較好。

2.2 等效粘滯阻尼系數

試驗結果[12]表明,環扁梁節點可以實現“強節點,弱構件”的抗震設計概念,塑性鉸在環扁梁上,環扁梁節點有比較大的變形能力和良好的滯回特性;由于破壞始于扁梁或環扁梁的縱向鋼筋的屈服,試件的耗能能力是比較好的。

JF-2的的等效粘滯阻尼系數[12]隨位移的增加而增加,這是因為節點屈服后,節點進入彈塑性狀態,因此所耗散的能量也越多,此時滯回環隨柱端水平位移的加大而更趨飽滿。圖4為JF-2節點試件的柱端荷載-位移滯回曲線。

圖4 JF-2節點試件的柱端荷載-位移滯回曲線

由圖 4可知,JF-2的滯回曲線比較豐滿且穩定,呈現出梭形,這說明環扁梁節點的滯回曲線基本上不出現捏縮現象,滯回曲線飽和,滯回環所包圍的面積大,抗震性能好。

總結JF-2的最后破壞形態:JF-2的塑性鉸在環扁梁上,試件的主要耗能機制是環扁梁塑性鉸的變形;環扁梁與扁梁交界處、環扁梁表面混凝土大面積剝落。JF-2的裂縫和混凝土剝落較為嚴重,說明JF-2的材料強度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力好。

2.3 延性系數

反復荷載作用下鋼筋混凝土結構或試件的延性,反映了結構或試件進入破壞荷載階段后,在其承載力無顯著降低的情況下的塑性變形能力。在抗震設計中,延性和強度占有同等重要的地位,它是評價結構或試件抗震性能優劣的一個重要指標。結構的延性越大,表示其耗散地震能量和承受非彈性變形的能力越強,其抗震性能越好。

本文采用位移延性系數[12]來反映試件的延性。試驗結果[12]表明,環扁梁節點的延性良好,JF-2的延性系數為 5,滿足抗震要求。

3 結 論

(1)靜載試驗的承載力高于低周反復荷載試驗的承載力。達到峰值荷載時,低周反復荷載作用的變形能力大于靜載作用下的變形能力,說明在地震荷載作用下,環扁梁節點的耗能能力較好;

(2)靜載試驗條件下,JF-1在交界處形成塑性鉸,并向環扁梁延伸。低周反復荷載試驗條件下,JF-2在環扁梁上形成塑性鉸;

(3)靜載試驗中,環扁梁形成撕裂裂縫,JF-1撕裂明顯。低周反復荷載試驗中,JF-2的滯回曲線比較豐滿且穩定,滯回環所包圍的面積大,抗震性能好;

(4)環扁梁節點的塑性鉸在環扁梁上形成,環扁梁與扁梁垂直方向尺寸較大,JF-2的延性系數為 5,滿足抗震要求,環扁梁節點的延性較好。

[1] 廖旺青.鋼管混凝土柱在民用建筑中的應用[J].國外建材科技,2006,26(4):135-137

[2] 高力人,方鄂華,錢家茹.高層建筑結構概念設計[M].北京:中國計劃出版社,2005

[3] CECS 28-90鋼管混凝土結構設計與施工規程[S]

[4] DBJ 13-51-2003鋼管混凝土結構技術規程[S]

[5] 錢稼茹,周棟梁,方小丹.鋼管混凝土柱-RC環梁節點及其應用[J].建筑結構,2003,33(9):60-62,72

[6] 方小丹,李少云,錢稼茹.鋼管混凝土柱 -環梁節點抗震性能的試驗研究[J].建筑結構學報,2002,23(6):10-18

[7] 周棟梁,錢稼茹,方小丹,等.環梁連接的RC梁-鋼管混凝土柱框架試驗研究[J].土木工程學報,2004,37(5):7-15

[8] 李少云,方小丹,楊潤強.廣州市翠湖山莊工程鋼管混凝土柱節點足尺靜載試驗研究[J].土木工程學報,2001,34(6):11 -16

[9] 黃漢炎,梁宇行,李曦新,等.鋼管混凝土柱、RC梁板節點擬靜力三向加載的試驗研究[J].建筑結構學報,2001,22(6):3 -13

[10] 凌育洪,宋欣.實用可靠的鋼管混凝土柱環梁節點[J].哈爾濱工業大學學報,2004,36(10):378-1381

[11] 戎長軍,吳正民,蘇亞武,等.鋼管混凝土柱新型梁柱節點 -環梁節點[J].施工技術,2004,33(4):28-30

[12] 楊芳.鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土環扁梁中節點抗震性能的研究[D].福州:福州大學,2007

[13] 宋欣.鋼管混凝土柱環梁節點設計方法研究[D].華南理工大學,2000

[14] 王天穩.土木工程結構試驗[M].武漢:武漢理工大學出版社, 2002:28,85

TU378+.9

A

2010-02-08

福建工程學院科研發展基金資助項目(GY -Z0770)

楊芳(1972～),女,講師,在職博士研究生,主要從事建筑工程減隔震研究