钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研究

1、张大旭，张素梅（哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）摘 要：以往的节点试验很少在核心区发生破坏，针对这一现状设计了两组钢管混凝土梁柱节点试件，一组考察当梁端发生破坏时节点的动力性能，另一组考察在削弱核心区情况下节点核心区发生破坏时节点的动力 性能。试验结果证明钢管混凝土梁柱节点具有较高的抗剪承载力和良好的抗震能力。 关键词：钢管混凝土；梁柱节点；节点核心区；动力性能；滞回曲线中图分类号：TU398文献标识码：ADynamic behavior of joints between concrete-fiIIedsteeI tubes and beamsZHANG Da-x

2、u，ZHANG Su-mei(schooI of CiviI Engineering, Harbin Institute of TechnoIogy, Harbin 150090, China)Abstract：Describes the four specimens designed to check the dynamic property with faiIure happenedin beams, the dynamic and the joint core area because there were few tests faiIed in the core area of the

3、 joints between concrete-fiIIed steeI tubuIar coIumns and beams before and concIudes from the test resuIts that the beam-coIumn joints have high shear strength and good seismic behavior.Key words：concrete fiIIed steeI tubesg jointsg joint core areag dynamic propertyg hysteresis hoops0 引言随着钢管混凝土理论的日益

4、完善和工程的广泛应用，钢管混凝土柱与梁的连接节点成为钢管 混凝土结构研究和推广的关键技术问题之一。因此，进行对钢管混凝土梁柱节点动力性能开展深入的研 究将有助于推动其工程设计和应用1。在以往的钢管混凝土梁柱节点动力性能试验中，通常根据“强柱、 弱梁、节点更强”的原则设计构件。因此破坏大多数发生在梁端，从而无法真正获得节点核心区的性 能，只能定性的认为核心区的承载力高，动力性能好。为解决这一问题，真正获得节点核心区的抗剪承 载力、耗能性能以及其破坏形态，制定以下列内容为目的的钢管混凝土节点动力性能试验：1. 研究正常设计时梁柱节点在低周往复荷载作用下的动力性能。2. 研究节点核心区被削弱时节点核

5、心区的动力性能和抗剪承载力。1 试验概况1.1 试件的设计与制作 本次试验所选取的试件是平面框架中柱节点和边柱节点两种。边柱节点试件数量为两个，依轴压比不同编号为J-1，J-2。其设计的原则是“强柱，弱梁，节点更强”。 中柱节点试件数量为两个，依轴压 比不同编号为J-3，J-4。其设计的原则是“强柱，较强梁，弱核心”，即保证在梁，柱破坏之前，节点收稿日期：2000-08-21基金项目：国家教委优秀年轻教师基金资助项目；黑龙江省优秀留学归国人员基金资助项目作者简介：张大旭(1975-), 男，哈尔滨工业大学硕士.哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报第 34 卷22核心区首先发生剪切破坏。四个试件全

6、部采用加强环腹板式节点，试件的几何尺寸和材料强度指标详见表l。1.2 试件装置 根据实验室实验条件，在试件上柱端放置刀铰，下柱端放置球铰，左、右梁端 为自由端。试验采用液压加载，加载设备 如图l布置。1.3 试验量测表1 节点试件尺寸和材料强度指标Dimensions of specimen and strength of malenialTable 1试件编号J-l和J-2J-3和J-4尺寸 / mm!" / Nmm-2尺寸 / mm上下翼缘l50>6257288>4285!2l9>636860>6l50>8248284>4285!2l9>

7、636870>8梁腹板! / Nmm-2"根 据 研 究 目 的,确 定 量 测 内 容 如 下 ：规格!" / Nmm-2规格柱（l）将拉压传感器置于千斤顶和试件间，量测实际加载数值，数据由计算机系统自动 采集。（2）将位移传感器置于梁端，量测梁加强环!" / Nmm-2332248 端实际位移，接计算机自动采集数据。（3）在梁根部、节点核心区、柱子两端和柱子中部放置机电百分表（如图2所示）分别用于测量梁根部挠度、节点核心区剪切变形、柱子转角和试件刚体位移。（4）为量 测节点核心区应力分布，在节点核心区布置电阻应变片，与百点应变仪相连，由计算机自动采集。1

8、.4 加载制度柱子轴力1.4.1l.门架梁；2.铰支座；3.节点试件;4.铰装置；5.30t 拉 压 传 感 器 ;6.30t拉压千斤顶；7.球铰；8.200t千斤顶(a) 边柱(a) Side-cOiumn(D) 中柱(D) Middie cOiumn图l 试验装置Fig.l Test set upl.力传感器；2.位移传感器；3l4.机电百分表；l5.位移传感器图2 仪表布置图Fig.2 Arrangement Of measuring instruments第 1 期张大旭，等：钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研究23试验时，为了保持节点的稳定，首先在柱顶施加轴力N，并在整个试验中保持恒定

9、。各试件轴力大小和轴压比见表2。表2 施加在试件上的轴心压力Table 2Axial compressive load on specimen试件编号J-1J-2J-3J-4900 (n:0.4)核心区 (n:0.47)1300 (n=0.6)核心区 (n:0.68)轴力N / kN1300 (n:0.6)900 (n:0.4)梁自由端荷载1.4.21. 边柱采用30t拉压千斤顶在梁自由端施加反复荷载P1。力控加载阶段：按表3列顺序循环加载二三循环后，超载加荷，每次超载510kN，再循环。 位移控制阶段：屈服后每级位移以梁端屈服荷载对应的梁自由端位移!y的倍数控制，直至破坏。表3 边柱加载制度

10、Table 3Loading of side-columns顺序012345678P / kN066.5-66.599.75-99.75119.7-119.7133-1332. 中柱采用两个同步30t拉压千斤顶分别在梁自由端施加反复荷载P1和P2。力控加载阶段：按表4列顺序循环加载二三循环后，超载加荷，每次超载510kN，再循环。 位移控制阶段：屈服后每级位移以梁端屈服荷载对应的梁自由端位移!y的倍数控制，直至破坏。表4中柱加载制度Table 4Loading of middle columns顺序012345678P1 / kN035-3552.5-52.563-6370-70P2 / kN

11、0-3535-52.552.5-6363-7070试验现象及分析22.1 试验现象2.1.1 边柱荷载控制阶段，当荷载小于130kN时整个试件处于弹性范围内，梁端P-!曲线基本呈线性变化； 当荷载第二次达到130kN时，由于梁焊接变形的影响，梁身稍有些倾斜，所以梁上翼缘右侧首先发生 屈曲，反向加载达到-130kN时，梁下翼缘屈曲。进入位移控制阶段后，当变形较小时，铁屑开始脱 落，随荷载反复进行，受压屈曲的翼缘因受拉而恢复成平面。随着变形的逐渐加大，铁屑明显脱落， 梁整个截面完全进入屈服阶段，上下翼缘及腹板同时出现凹凸变形（图3），最后因梁端变形过大超过仪 器的测量范围而终止试验。2.1.2 中

12、柱 当荷载小于75kN时，整个试件处于弹性范围内，梁端P!曲线基本呈线性变化，节点核心区剪切变形很小；当荷载大于75kN时，梁端P!曲线出现拐点，节点核心区进入屈服阶段。随荷载进一 步加大，粉刷在节点核心区外皮的白灰开始脱落，但节点承载能力并未下降。直到荷载达到140kN 时，梁亦开始进入屈服阶段，由于梁端变形过大超过仪器的测量范围而终止试验。为观察到试件的最终破坏结果，将试件J-4部分测量仪器加大量程后继续加载。计划直接加载到 塑性阶段，但由于试件放置一段时间后，钢材发生时效硬化，荷载达到130kN时，试件仍处于弹性阶 段，梁端P!曲线呈线性变化，此时卸载并反向加载，梁端P!曲线从零点开始即

13、表现为圆滑上升 曲线。进入位移控制阶段，当荷载小于150kN，梁未出现屈曲时，节点承载能力始终上升。直到荷载哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报第 34 卷24等于150kN时，承载力不变而变形逐渐加大，梁整个截面屈服，此时用肉眼便可观察到节点核心区出现明显的剪切变形（图4），其中（a）为试验中持荷时的照片，（b）为试验后的残余变形。图3 边柱节点破坏后的照片Fig.3 Photos of side-cohumn joints after faihure用气焊将节点核心区割开，发现与普通钢筋混凝土节点破坏现象不同的是，一般来说普通钢筋混凝 土节点破坏时产生沿对角线方向少数几条宽度很大，长度很长且

14、完全贯通的斜裂缝，而本次试验中混凝 土表面产生沿对角线方向的交叉斜裂缝宽度较小，长度较短而且分布较为均匀（图5）。这说明在外面钢管 的约束下，内部混凝土受力较为均匀，整体受力性能好，从而可以提高其抗剪承载力和耗能能力。!"!试验现象分析(a) 持荷时(a) With sustained hoad(b) 试验后(b) After faihure图4 节点核心区剪切变形的照片Fig.4 Photoes of joint shear deformation图5 节点核心区剥去钢管后暴露出的混凝土表面交叉斜裂缝Fig.5 Joint cross-crack in concrete after

15、 removah of steeh tubes第 1 期张大旭，等：钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研究25!"!"# 边柱从节点试件梁端的!滞回曲线可以看出，滞回环非常饱满，接近钢结构试件的形状，试件的耗能 能力很强，出现拐点后仍能保持承载力不变，变形逐渐加大，是一种稳定的延性破坏。分析其原因主要在 于，节点试件的破坏发生在梁端，整个试验中节点核心区完好无损，仍处于弹性阶段，钢梁首先屈服，进 而屈服面积不断扩大，所以节点试件的动力性能主要为钢梁的滞回性能，滞回环饱满，耗能性能好。!"!"! 中柱 中柱试件的!滞回曲线呈梭形，曲线出现拐点后，承载力仍继续增

16、加，在钢梁屈曲之前始终没有下降段。分析其原因主要在于，节点试件的破坏首先发生在节点核心区，在钢梁屈服之前，节点 试件的动力性能主要表现为轴力作用下，钢管混凝土的剪切滞回性能。可以看出，在水平往复剪力作 用下，钢管内的混凝土首先产生微裂纹，但由于混凝土在三向受力的情况下，塑性性能有很大改善， 承载力始终上升，刚度逐渐减小。在钢梁屈服后，节点试件的动力性能表现为二者滞回性能的综合。试件J-3和J-4的区别在于轴压比的不同，分别是"=O.4(核心区"=O.47)和"=O.6（核心区"=O.68），从梁端!滞回曲线可以看出，轴压比较大的节点试件滞回环更加饱满一些

17、。 另外，本次试验还对中柱试件核心区的应力状态进行了测量，由于核心区受力状态复杂，应力集中现象严重，所以测量数据比较离散，规律不明显。但从个别测点可以看出，在荷载较大时主拉应变 基本是沿着对角线方向。3 试验结果分析滞回曲线$"#$"#"# 梁端!滞回曲线图6为本次试验节点的滞回曲线。总体观察可以看到，随着水平荷载的逐级加大，滞回环愈加丰 满，加载时的刚度逐渐在退化。卸载刚度基本上保持弹性，与初始加载时的刚度大体相同。大部分试 件的滞回曲线没有表现出捏缩现象，呈比较丰满的梭形，说明钢管混凝土梁柱节点的抗震性能是很好 的。随着轴压比的增大，对于试件J-1和J-2而言

18、，由于破坏发生在梁上，所以轴压比对滞回环的形状 基本没有影响，形状大抵相同。而对于试件J-3和J-4而言，由于破坏发生在节点核心区，在一定范围 内轴力对节点的抗震性能的影响是有利的，所以试件J-4比试件J-3的滞回曲线更饱满。! / mm! / mm! / mm! / mm图6 梁端滞回曲线Fig.6 Hysteretic curves Of beam ends! / kN! / kN! / kN! / kN哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报第 34 卷26!"$"# 节点核心区! "!滞回曲线本次试验的四个试件中，由于试件J-1和J-2边柱的节点核心区始终处于弹

19、性阶段而且测量误差较 大，因此这里主要分析J-3和J-4中柱试件节点核心区的滞回性能。图7为试件核心区所受剪力! 和转 角!的的滞回曲线。总体观察可以看到，随着竖向荷载的逐级加大，滞回环愈加丰满，加载时的刚度 逐渐在退化。除试件J-3反向卸载时刚度退化较为严重，卸载刚度基本上保持弹性，与初始加载时的 刚度大体相同。试件的滞回曲线没有表现出捏缩现象，呈比较丰满的梭形，说明钢管混凝土梁柱节 点核心区的抗震性能是很好的。由于试件J-4比试件J-3的轴压比大，所以试件J-4比试件J-3节点核心 区的滞回曲线更饱满，而且试件J-4节点核心区的抗剪承载力也略高于试件J-3。在整个试验过程中， 两个中柱试件

20、节点核心区的抗剪承载力始终呈上升趋势，没有下降段，说明节点核心区的延性很好。 这主要是因为：节点核心区进入弹塑性后，由于钢管对混凝土的约束作用，混凝土处于三向受力状 态，使混凝土这种脆性材料，表现出较好的塑性性能。! / rad! / rad! / rad! / rad图7节点核心区滞回曲线Fig.7 Hysterectic curves of jonit core zones! (#)! (#)图8 节点核心区骨架曲线Fig.8 Resiience curves of jonit core zones!"# 节点核心区骨架曲线图8给出了试件J-3和J-4节点核心区所受剪力! 和转角!的骨架曲线。从图中可以看出，两条曲线 都有较明显的屈服点A。在屈服点A之前，初始刚度没有显著变化，基本呈线性。在屈服点A之后，刚! / kN! / kN! / kN! / kN第 1 期张大旭，等：钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研究27度突然变小，但能维持这一刚度基本不变，直到变形很大无法进行加载时，仍无下降段产生。3.3 能量耗散与延性耗能比2图9表示了一个完整的滞回环，S1