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    新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点拟静力试验研究.pdf

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    新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点拟静力试验研究.pdf

    6 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 第40卷第5期 2014年l0月 新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点拟静力试验研究 张兆强 ,姚 勇 1.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳621010; 2.长安大学建筑工程学院,陕西西安710061 摘 要以轴压比为主要变化参数,对两种类型共4个11足尺模型的新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点进行了拟静 力试验。试验观察了试件的受力过程和破坏形态,得到了梁端荷载一位移滞回曲线和骨架曲线,并对比分析了试件 的刚度退化、延性和耗能能力。结果表明两种节点破坏均属于延性破坏,破坏时C型钢梁发生平面外屈曲,形成 塑性铰,钢梁下翼缘、腹板与柱焊接处拉裂,钢管混凝土柱一空钢管梁节点还在空心钢管梁上出现塑性铰;随着轴压 比的增大,空钢管柱一空钢管梁节点初始刚度变化不大,而钢管混凝土柱一空钢管梁节点刚度有所减小,两种节点的 延性均明显降低,极限承载力也有所下降,其中钢管混凝土柱一空钢管梁节点下降幅度更大。至于钢管混凝土柱一 空钢管梁节点刚度则明显大于空钢管柱一空钢管梁节点,且滞回曲线较饱满,在极限承载力、延性和耗能指标等方 面均优于空钢管柱一空钢管粱节点。 关键词薄壁方钢管混凝土;新型梁柱节点;拟静力试验 中图分类号TU 398.9 文献标志码A 文章编号1008193320140500605 Research on a new type 0f beam-column joints for concrete-filled thin-walled square steel tubes by the quasistatic test ZHANG Zhaoqiang ,YAO Yong 1.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010,China; 2.School of Civil Engineering,Chang’an University,Xi’an 710061,China AbstractConsidering axial compression ratio as the main parameter,the quasistatic tests on four fullscale models of new joints between concretefilled thinwalled square steel tubular columns and hollow steel tubular beams were carried out.The loading process and the failure modes were observed,and the beamend loaddisplacement hysteresis loops and skeleton curves were obtained.Based on the experimental results,the stiffness degeneration,ductility and energydissipating capacity of the joints were analyzed.The results show that the two types of new joints both present ductile failure,when the joints are destroyed,the Cshaped steel beams occur outof-plane buckling and the plastic hinges are ed,the lower flange of steel beam,the welds between web and column occur tensile rupture,and for the concretefilled steel tubular columnshollow steel tubular beams jointsS-H joints,the plastic hinges still appear on the hollow steel tubular beams.With the increase of axial compression ratio,the initial stiffness of the hollow steel tubular columnshollow steel tubular beams jointsHH jointschanges little,while for the S-H ones,the stiffness is decreased,the ductility of both S-H joints and HH ones is obviously decreased.The ultimate bearing capacity of the two types of new joints decreases with the increase of the axial compression ratio.where the S-H joints decreases more.The stiffness of S-H joints is significantly larger than that of HH ones.And the loaddisplacement hysteresis loops for S-H joints is also much more plump than that of HH ones.In terms of ultimate bearing capacity. ductility and energydissipating capacity,the S-H joints are better than the HH ones. Key wordsconcretefilled thinwalled square steel tube;new type of beamcolumn joint;quasistatic test 收稿日期201443513 作者简介张兆强1981一,男,重庆永川人,讲师,博士研究生,主 要从事钢一混凝土组合结构方面的研究。 基金项目国家自然科学基金资助项目51308479;四川省科技厅 应用基础研究资助项目2010JY0174;四川I省教育厅资助项目 13ZB0179 Email52282843qq.con 0 引 言 近年来,随着国家经济的快速发展,钢材的品 种、规格和产品质量均接近和达到国际先进水平,轻 型钢结构房屋体系发展迅速,成为住建部在建筑业 中重点推广的十大新技术之一。在汶川特大地震 2014 No.5 张兆强,等新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点拟静力试验研究 7 后,出现了一种梁柱均采用薄壁方钢管的轻钢结构 体系,如图1所示。该体系具有整体性好、自重轻、 可采用工厂标准化生产、施工周期短、取材对环境影 响小等优点,符合可持续发展要求,具有很好的发展 与应用前景。在该结构体系中,梁柱节点一般采用 直焊方式。直焊操作简单方便,但反复施焊易造成 节点延性和刚度降低。因此,课题组提出了一种新 型梁柱连接节点,将纵向框架梁移至柱外表面焊接, 再将横梁焊接在纵向梁上,以减少对立柱管壁的施 焊次数,避免焊穿管壁引起柱承载力降低,缓解焊接 区域的脆性恶化,具体构造如图2所示。另外,由于 该体系中梁、柱所采用的钢管壁厚较薄,一般为1 3 ITlm,钢管空心柱在荷载作用下容易产生局部屈 曲,导致承载力降低,同时影响结构的整体稳定 性 J,不利于应用到轴向荷载较大的多层或高层房 屋中。为此,课题组考虑在前述节点的空心方钢管 柱中填充混凝土形成钢管混凝土立柱,以增强稳定 性,提高其竖向承载力,使其满足“强柱弱梁”的抗 震要求。为探究采用空钢管柱及内填混凝土钢管柱 的该类节点抗震性能的差异,本文通过拟静力试验, 研究其在不同轴压比下的破坏形态、滞回特性和耗 能能力等重要抗震性能指标,以期更清晰地了解该 类节点的抗震性能,为工程实践提供参考。 图1 薄壁方钢管梁柱结构体系 Fig.1 Thin-walled light steel structure system 图2节点构造示意 Fig.2 Schematic diagram of joints details 1 试验概况 1.1试件的设计与制作 选取11足尺模型的框架边节点为研究对象, 共2组4个试件,其中空钢管柱一空钢管梁节点2个 试件编号为KKXJD.1、KKXJD-2,钢管混凝土柱一 空钢管梁节点2个试件编号为SKXJD.1、SKXJD 2,主要参数见表1。方钢管柱内灌注混凝土,配合 比为水泥水砂碎石10.451.753.54,采用 自然养护法养护,实测边长150 mm的立方体试块 强度 . 为29.1 N/mm 。焊缝采用E43型焊条手 工施焊,钢材为Q235.B钢。为固定构件,在柱底部 焊接了尺寸为200 mm200 mm12 mm钢板 Q345.B钢,钢板与基座采用高强螺栓连接。钢 材性能指标见表2。 表1试件参数 Table 1 Parameters of the specimens 表2钢材的力学性能 Table 2 Mechanical properties of steel 1.2加载装置与方式 试验采用拟静力方法进行。柱顶轴力由电液伺 服加载系统施加,梁端低周往复荷载由固定在门型 钢架上的两个千斤顶实现。加载装置如图3所示。 门 图3试验加载装置示意 Fig.3 Schematic diagram of loading device 加载中,首先根据不同轴压比在柱顶施加恒定 轴力,然后在距柱内侧750 mm的梁端施加竖向往 8 四川建筑科学研究 第40卷 复荷载。柱顶轴力采用力控制施加。梁端往复荷载 采用力一位移混合控制进行加载,试件屈服前采用力 控制,每级荷载往复一次,屈服后采用位移控制,每 级位移也循环一次,直至破坏。 2试验现象及破坏形态 4个试件试验现象类似,均经历了弹性、C型钢 梁腹板屈曲、破坏等阶段。刚开始加载时,试件发出 “滋滋声”,这足由于钢材表面氧化层局部崩落导 致。刚开始加载时采用荷载控制,梁端位移与荷载 的增加基本呈线性关系,节点处于弹性工作状态。 刈 KKXJD一1、KKXJD一2试件,当向下施加荷载达到 6kN左右时,对SKXJD一1、SKXJD.2试件,当向下施 『JlI倘载达到8 kN左右时,C型钢梁腹板出现轻微鼓 曲现象, 开始进入塑性阶段。施Dii;t;H同位移时, 向上的荷载值明显大于向下的荷载,且位移越大,两 者的差距越大。如对SKXJD一2试件,当施加向上的 15 lllnl位移时,梁端荷载为14.4 kN,当施加向下的 15 him位移时,对应的梁端荷载为12.6 kN,相差 12.5%,当施加向上的18 mm位移时,梁端荷载为 16.7 kN,当施加向下的18 mm位移时,对应的梁端 荷载为12.1 kN,两者相差扩大至27.5%。随着加 载位移的增大,当施加向下位移时,C型钢梁的腹板 向外鼓曲程度加大,反向加载时,鼓曲程度有所减 小。对KKXJD 1、KKXJD.2试件,当施加向下的30 Into位移时,对SKXJD一2试件,当施加向下的27 mill 位移时,C型钢梁腹板与柱焊接处出现拉裂。继续 加载,对轴压比较大的KKXJD一2和SKXJD 2试件, 当施加向上的30 mill位移时,梁端荷载开始出现下 降,而施加向下位移时,承载力仍在继续增加。此 后,继续增大加载位移,C型钢梁的腹板向外鼓曲程 度继续加大,拉裂部位继续增加,梁端的残余变形也 继续增加。节点的最终破坏形式为C型钢梁发生 平面外屈曲,钢梁下翼缘和腹板与柱焊接处拉裂,塑 性铰在C型钢梁腹板处产牛,钢管混凝土柱一空钢 管梁节点还在靠近C型钢梁腹板的空心钢管梁上 出现塑性铰。各试件最终破坏形态如图4所示 SKXJD一1试件加载到向下25 mm时,由于试验室 停电,加载被迫终止。 3试验结果分析 3.1 滞回曲线 滞同曲线反映了拟静力试验中低周往复荷载与 位移之问的关系,体现了抗震性能,也是抗震设计的 fd} KJlJ一2 图4试件破坏形态 Fig.4 Failure pattern of specimens 重要依据 J。各试件的梁端P一△曲线如图5所 示。由图5可看出在加载初期,滞同环呈很细长的 梭形,卸载时残余变形很小,各试件基本处于弹性状 态;随着荷载的增大,滞回[}}1线逐渐向水平轴倾斜, 滞回环包围面积逐渐增大,显示每一-DH载循环试件 的耗能增加,而刚度出现退化,表明试件进入弹塑性 工作阶段。C型钢梁平面外屈曲后,按位移控制加 载,随着加载位移的增大,正、反向循环卸载后的残 余变形增大,滞回环的面积也不断增大,试件耗能能 力增加。对比4个试件滞回曲线,KKXJD一1与 KKXJD.2试件滞回曲线牛I{似,但有较明 的“捏缩” 位移/ram aKKXJD一 一 一 一 一 _, . 一 20 堇10 垂。 一l0 302010 0 10 20 30 50 3O l0 IO 30 5O 位移,mm f 移/ram cSKXJD一1 dSKXJD一2 图5试件滞回曲线 Fig.5 Hysteretic loops of specimens 张兆强,等新型薄壁方钢管混凝土梁柱节点拟静力试验研究 9 现象;SKXJD.1与SKXJD 2试件滞回曲线也相似, 且呈较为饱满的梭形。说明钢管混凝土柱一空钢管 梁节点比空钢管柱一空钢管梁节点的耗能能力更强 一些。 3.2 骨架曲线 图6为各试件的骨架曲线。从图中可以看出 -一KKXJD-1 一KKXJD.2 一SKXJD-1 ●一SKXJD.2 I I 一70 40 -JU 2U 50 U 位移,mm 图6骨架曲线 Fig.6 Skeleton curves 1试件的骨架曲线大致经历了弹性、弹塑性和 破坏阶段,其中,两个空钢管柱一空钢管梁节点在负 向加载时,绝大部分仍处于弹性阶段,主要原因是梁 下端受较强的约束,节点域变形对梁端位移贡献较 小所致。 2在加载初期,4个试件的加载曲线均为直线, KKXJDl与KKXJD-2试件还显示出较好的重合性, 说明其弹性性能受轴压比的影响并不明显;而钢管 混凝土柱一空钢管梁节点随轴压比的增大,刚度有所 减小。 3从骨架曲线上提取的各试件极限承载力见 表3。从表3可看出,同种类型的节点,随着轴压比 的增大,节点极限承载力均有所下降,其中钢管混凝 土柱一空钢管梁节点的下降幅度较大,而空钢管柱一 空钢管梁节点下降幅度相对较小,主要原因是钢管 柱中填充混凝土后,使得节点得到加强,塑性铰部分 外移,出现在了空心钢管梁上导致承载力下降明显; 但钢管混凝土柱一空钢管梁节点较同条件下空钢管 柱一空钢管梁节点的承载力提高明显,如SKXJD-2 试件较KKXJD一2试件正向承载力提高约37%,负向 承载力提高达43%。 表3试件极限承载力 Table 3 Ultimate bearing capacity of specimens 3.3 刚度退化 采用割线刚度 来反映试件在反复加载过程 中的刚度变化规律,割线刚度又称等效刚度,即原点 与某次循环的荷载峰值连线的斜率。各试件的刚度 退化曲线如图7所示,可以看出 图7刚度退化曲线 Fig.7 Stiffness degradation curves 1试件的正负向刚度分布差异较大,特别是空 钢管柱一空钢管梁节点。SKXJD 1、SKXJD-2试件的 初始刚度较KKXJD.1与KKXJD-2大近2倍,说明往 空心钢管中灌人混凝土显著增强了节点刚度。 2KKXJD一1与KKXJD.2试件的刚度变化趋势 较为一致,在施加负向位移时,刚度曲线接近水平 线,保持在200 kN/m左右,没有出现明显的退化现 象;而在施加正向位移时,刚度随位移的增大而降 低,刚度退化较明显。 3SKXJD一1、SKXJD-2试件刚度退化明显。负 向加载时,刚度呈现出迅速降低而后有所减缓的趋 势;正向加载时,刚度退化速度较负向加载时总体来 讲要慢一些,SKXJD-2试件刚度退化呈现出先缓后 快的趋势,而SKXJD一1试件刚度则呈现出了先持续 增加而后快速减小的特点。 3.4延性与耗能能力 采用位移延性系数 来反映试件屈服后的变形 能力 ,其表达式为/.t△ /,4 ,△ 是极限位移取 荷载峰值对应的位移,△ 是屈服位移。全部试件 的位移延性系数见表4,其中,由于空钢管柱一空钢 管梁节点施加负向位移时几乎一直处于弹性阶段, 故只计算发生正向位移时的延性系数。同时,采用 表4位移延性系数 Table 4 Displacement ductility coefficient 10 四川建筑科学研究 第40卷 能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数h 训表5 来定量分析试件的耗能能力。 表5试件耗能指标 Table 5 Energy dissipation index of specimens 由表4中可看出,随着轴压比的增大,节点的延 性降低;钢管混凝土柱一空钢管梁节点延性好于空钢 管柱一空钢管梁节点。由表5可知,随着加载位移的 增加,各试件耗能能力不断提高,进入弹塑性阶段 后,由于累积损伤,荷载增长缓慢甚至出现下降,但 各试件的耗能指标E及h 仍继续增加。在相同轴 压比下,各相同位移加载循环,钢管混凝土柱一空钢 管梁节点的耗能指标E及h 明显高于空钢管柱一空 钢管梁节点。 4 结 论 1空钢管柱一空钢管梁节点和钢管混凝土柱一 空钢管梁节点在低周往复荷载作用下均经历了弹 性、弹塑性和破坏阶段,节点破坏均属延性破坏;破 坏形式为C型钢梁发生平面外屈曲,形成塑性铰, 钢梁下翼缘、腹板与柱焊接处拉裂;钢管混凝土柱一 空钢管梁节点还在空心钢管梁上出现塑性铰。 2随着轴压比的增大,空钢管柱一空钢管梁节 点初始刚度变化不大,而钢管混凝土柱一空钢管梁节 点刚度有所减小,两种节点的延性明显降低,极限承 载力也有所下降,其中钢管混凝土柱一空钢管粱节点 下降幅度更大。 3钢管混凝土柱一空钢管梁节点刚度明显大于 空钢管柱一空钢管梁节点,且滞回曲线较饱满,在极 限承载力、延性和耗能指标等方面均优于空钢管柱一 空钢管梁节点,适合在高设防烈度区的多层或高层 建筑中使用。 参考文献 [1]姚勇,褚云朋,邓勇军,等.低层冷弯薄壁型钢结构体系动静 性能数值模拟[J].建筑结构,2011,41241-45. 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