新型钢管混凝土梁柱结点的试验

新型钢管混凝土梁柱结点的试验研究［摘要］本文在总结国内外钢管混凝土节点研究与应用的基础上，提出了一种新型的开大孔钢筋贯通式节点，该新型节点形式与已应用到工程中的开小孔钢筋贯通式节点相比，具有施工方便的优点。通过试验研究，对这两种节点的力学性能进行了对比分析研究，探讨了新型开大孔式节点的力学性能。［关键词］钢管混凝土节点承载力位移延性近几年随着我国高层建筑的大量兴建，钢管混凝土结构也得到越来越广泛的应用。其中钢管混凝土梁柱节点是连接梁与柱的关键部位，在框架中起着传递内力﹑分配内力和保证结构的整体性等许多重要的作用[1]。但是实际应用中的对于钢管混凝土节点形式的设计及力学性能方面的研究尚不完善。在已有的文献资料中，研究过的有两种钢筋贯通式钢管混凝土节点：一种为开小孔钢筋贯通式钢管混凝土节点，另一种为钢管在楼层处断开钢筋贯通式钢管混凝土节点。所谓开小孔钢筋贯通式节点，是在钢管壁上开小孔，使梁的纵筋穿过，孔径比梁的纵筋稍大，同时设加强环、加劲肋对开孔处予以补强，这种节点形式力学性能虽然好，但是施工较为麻烦，而且用钢量和焊接工作量都比较大；而钢管非贯通式节点连接形式的特点是：钢管混凝土柱的钢管在节点区断开，楼层混凝土框架梁贯通节点区，在节点区设置芯钢管、密排环形箍筋和竖向短钢筋或设置扩大环梁和环筋连接上下钢管，以保证钢管混凝土柱在节点区的连续性，提高节点的强度和刚度，这种节点形式由于在节点区钢管断开，影响了节点承载力，并且存在上下楼层钢管的对中问题，施工较为复杂。本文根据开小孔钢筋贯通式钢管混凝土节点的构造形式，并受钢管非贯通式节点的启发，提出了节点区钢管开大孔的新型钢筋贯通式钢管混凝土节点。这种节点形式的特点是：在节点区混凝土梁钢筋穿过的节点区上下两端各开两个大孔，孔宽为梁两边纵筋之间的外包距离，且孔宽不宜超过梁轴线对应圆心角60º的范围，孔高度为上下纵筋间距的1/3，梁的纵筋从孔中直接通过。对于开孔造成的削弱，采取如下加强措施：在钢管外壁开孔区上下各焊接一环形加强板，两孔之间的钢管壁亦焊接环形加强板，此外，在开孔的两侧焊接竖向加强板，这些加强板一起弥补由于开孔造成的承载力和套箍能力的削弱。这种节点形式不仅使梁的钢筋在节点区连续，而且使钢管内外的混凝土连成一体，提高了节点的整体性和刚度，同时传力路径明确，构造形式相对简单，突破了现有的节点形式。为了进一步验证这种新节点形式的可行性，本文对开小孔式节点和开大孔式节点这两种节点形式进行了反复荷载下的拟静力试验比较。1试验概况本试验对两个节点进行低周反复试验，其目的在于观察两种节点形式的工作性能和破坏形式，并比较两种节点形式的位移延性，以验证开大孔式新型节点的可行性。试件设计钢管试件在河海大学机械加工厂制作，节点试件的制作、节点的钢材和混凝土的材料性质试验和节点试件试验是在河海大学结构试验室完成的。按照比例制作了两个不同节点类型的钢管混凝土梁柱中间节点试件，编号依次为：J1（开大孔式节点）、J2（开小孔式节点）。试件取自承重框架梁柱反弯点之间的一个平面组合体，承受柱顶和梁自由端竖向荷载，边界条件易于模拟，同时框架梁的变形为弯曲变形，控制剪跨比>3。材料强度及试件其他参数见表1，尺寸及构造见图1及图2试件参数（mm）sampleparameter表1芬试件编号遣坑钢管谁D×t×H稿恨梁截面仇b×h筑躁混凝土冻茂梁纵筋均暂梁箍筋饶示开孔面积隆芹J1薯273×7闲×1100拿20双0×200街巧（紧36.96眨）技4竿10戏壤Φ野8容135洲×40晨绞孔（叉368P44酱8垃）闭 拐（挎460P58里1嗓）养首（疏345P42页4垃）佳J2抄273贸×7×110年0农200×2片00搏位（移36.96跨）货4饶10波巩Φ悲8免圣待（恰368P44荣8押）伞马预彻视悄（睁460P58非1佩）洗席（纺345P42左4剃）注：表中括号内数字为材料的实测强度（MPa），混凝土为立方体强度；钢材或钢筋为屈服强度P极限强度；D为管外径；t为管壁厚；H为管高度；b为梁宽；h为梁高。1.2试验设计根据试验室的实际条件，在柱顶放置千斤顶，梁自由端采用四个千斤顶施加反复荷载的加载方式，试验设备装置如图3所示。梁自由端加载采用四个200kN的单向手动千斤顶同步施加反复荷载，其数值通过荷载传感器接入计算机读出。柱顶采用一个1000kN的千斤顶对钢管混凝土柱施加竖向荷载，千斤顶直接放在柱顶上，千斤顶的数值通过压力表读出。为使钢管壁与混凝土共同变形，在钢管柱顶焊接一带孔盖板，盖板上留有直径为100mm圆孔以利于混凝土浇注。为保证上、下柱反弯点处为不动铰支承的边界条件，制作了一个钢框架，在框架上用四个千斤顶和四个弧形契块将柱顶和柱底固定，加载装置图如图4所示。1.3试验现象及破坏过程在J1试件柱顶施加300kN的轴向荷载，在试验过程中保持柱顶荷载不变。在梁自由端施加反复荷载。在力控制阶段，梁节点端相继出现两条裂缝和一些细小的裂缝，当加载至13.5kN时，梁节点端出现第三条裂缝，而已有的两条裂缝在原来的基础上沿梁的高度继续发展，同时梁节点端的细小裂缝数量继续增加，梁节点端的受拉钢筋屈服，此时的位移定义为屈服位移。之后，加载为按位移控制，梁节点端不断出现新的裂缝，并且原有的裂缝图1节点J1开大孔节点thejointJ1withbigholes糊页孟喉坡图知2伪节点槽J2妄开小孔式节点栋惭thej杯oint缴J2鸦w氧iths雪mall毕holes蛋不断延展，裂桨缝的宽度不断练加大，裂缝出位现的位置也向年远离梁节点端惑的方向发展。光加载至欣4悲时，梁节点端侍主裂缝的宽度两已达孟3mm巴左右，梁节点蠢端混凝土梁与寻钢管壁的接触口部分已经裂开冤，在加载的过溪程中听到梁混觉凝土渣粒掉落馒的声音，在梁卫端部出现了许糠多交叉的裂缝否，在痒4休时，承载力已半有下降，虽未版降至极限承载事力的短85药％，方但是框架梁的躲倾角已经很大颠，加替载已无法再继量续进行，试验巴中止。节点蝇J1递梁端的几条主理裂缝严重开裂私而导致试件破桃坏。形在挪J稻2才试件柱顶施吨加指320kN(切0.某2玩的轴压兴比防)叮在加载过程中拜保持不变。在墨力控制阶段，练梁相继出现三读条裂缝。当加掉载涉至误13.5k啦N喇时，出现第四碍条裂缝，梁的榜纵筋屈服。随懒后改为按位移葱控制加载敏。流5粒后，节点处混拳凝土梁与钢管讽柱接触面的裂剃缝贯通，同时瓣在梁节点端的推垂直贯通裂缝搜也增加，最根螺部的裂缝宽度绒达唱2mm煤，并且混凝土证出现脱落现象贱，承载力下降藏，试验结束。室节舞点袄J稻3井以梁端裂缝的愁不断开展扩大采而告破坏。货芳竞试验架装置图漏3test疗appar淘atus孔胳chart磨吴全猜病加载装置图曲4齐晚charge艰rchat哨2辛区试验结果及节朴点受力性能分介析走阵试验得到的主罪要指标列于表雨2喊中。绒各种状态下的抗荷载、位移值割the拥克displa掌cement庭andl待oadqu趟antity矛of苦捞variou悄scond背ition夫散削运表略2俊指标睬节点相屈服状态摄极限状态巷破坏状态详0.85档（破坏荷载）咬(通kN)仪(控mm)宁(膜kN)喷(税mm)跃(艇kN)友(屈mm)政(拨kN)询试验值密J1甩13.5尼13.34防34.61梅44.81斥30.621洗63.1逗29.41浴J2烟13.5底13.1慧25.14雾38.8悔22.64笑62.34咸21.34铜从楼表载2买中可得到，节真点哪J贺1倦所承受的最大蚁荷载吗为训34.61k繁N碰，相应的位移睁为暴44.81m秋m舰,棍而按挽0.85琴计算的破坏荷靠载跑为析29.41k前N圈，节救点释J横2庄按卷0.85价计算破坏荷载踏分别鸦为桶21.34k疮N馒，显然节蔬点尾J败1恋在达到破坏状斯态时仍有较高撤的承载力，说交明节押点暮J裂1罢有好的延性水逃平，抗震性能谋好睁。我命位移延性是反擦应构件经受较肥大的变形避免业倒塌的能力，缠是衡量构件抗掏震能力的主要铺指标之一，以迷极限位移与结鼓构的第一次屈郊服位移之比来彻表示供[4]拿：尊傲篮枯桑恶尺凡糟候延性反映结构涨、构件或材料补的非弹性变形狡能力，对于位练移延性系数的载要求，在结构掌物设计中，一妻般不直接规定沸位移延性的具劈体数值，而是馒隐含在其他设贫计参数中，文衬献解[4]喊中给出了基于慈混凝土结构塑傻性影响系数的召位移延性要求首，一般大于于限2袄。而试验得到留两个节点的延匆性系向数值都大停于撇4靠，满足要求。叉其中节岁点潜J煮2肿的延性系数大纷，节狗点直J叹1显的延性较节嘱点胞J孕2述降低不是很多变，说明节勇点赚J广1缎的延性还是比品较好的。属激边摘编舞位移延蛮性缎di芝splace起mentd睡uctili喇ty蛮卸辟迅表梁3加汗试件编号通(掌mm)融(坑mm)披试构验捎值戒J1货13.34俭63.1淡4.73发J2映12.68雁62.34道4.91研究存在问题顶（算1主）本文新型钢允管混凝土节点航所做的试验数臭量有限同时在锄制作试件时存捧在的振捣不实箩的质量问题，邀试验分析的结帽果还有待于大流量的试验数据快加以验证；同卧时框架的节点行按位置可分为陷中间节点、边粘节点、角节点魔等，其受力性窗能存在差异，士本文仅对中节新点进行了研究俘，其它节点尚浑待进一步的理安论与试验研究样。动（动2汉）框架结构的稳受力实际上是根三维空间的受栗力，本文所研球究的节点是平贯面节点、单绝向受力，因此介，空间节点的头双向受力有待浓研究，以更加忧接近实际。聪（专3访）本文在抗震愉性能研究中，劳只是进行了新野型节点拟静力执试验的分析与四研究，这与实矩际情况下结构未的非线性地震设反应还有一定摆的差异。4结论锄（勤1票）该新型节点猫传力路径明确睁，梁节点端的宿弯矩以力偶的钥方式通过钢管歼内外成为一体庆的钢筋混凝土瞒直接有效地传商递到钢管柱，牵剪力传递与普唉通的钢筋混凝刘土节点类似从敌梁节点端直接仗传递到柱上，叛这种节点形式孝减少了加劲肋咐与加强环在传纱递梁端力时对杏钢管壁的局部锹撕裂作用。育（物2严）新型节点在季梁自由端单向戏荷载作用下（疼柱顶无轴向力匆），其破坏时叶承载力比开小码孔式节点降低荒不多，说明了仔新型节点虽然坟由于开孔造成磨柱套箍能力的器削弱，但在梁夸自由端单调荷勇载作用下仍有秩较高的承载力装。面（而3虹）抓新型节点在反筹复荷载作用下撇，具有较好的浓延性，位移延抬性系数够>吩3嫩，满足规范对脉刚节点的延性弓要求。参考文献托[1]肉叨韩林海著．钢狐管混凝土结出构孩[M史]赌．北京：科学梳技术出版社泪，母200仪0招。差Steel幼PipeC午oncret恨e蒜struct烫ure才[2]丛末钟善桐著．钢晒管混凝土结构芳［简M热］．北京：清感华大学出版社斩，堆200苦3析。音Steel万PipeC谎oncret罩e拔struct笔ure阅[3]而遗国家建筑材料暴工业局标准，鸟钢管混凝土试嫂件与施工规程委（域JCJ01-陵8贿9犯）摇［幼S福］．上海，同缓济大学出版社灶，限198娘9喷。慎T助hesa渡mplea盼ndco肥nstruc女tionr钢uleso贱fStee逝lPipe稀Concr焰ete财struct渠ure盈[4]疗蚁唐九如，钢筋个混凝土框架节苏点抗震敬［咱M乌］．南京：东册南大学出版社拾，吴198刃9肆。摸E概arthqu艘aker妥esista住ntbe永haviou淘rof疯reinf宴orced福concre邮tefra梦mestr酿ucture煮[5]晴匪李杨．钢管混刃凝土柱的几种浊常用节点形式贤［里J急］．建筑技术碎，浩200渗3勤，浸3峰4虏（尊8插）帜：伴60乳0猛－鼠60岸1蛛。围S获everal库commo惊njoin栗tsof赏steel保pipec表oncret筐ecolu炭mn捉[吨6圣]栽村欧谨，孙伟民渴，黄伟淳等．英新型钢管混凝乘土节点的试验云研究与应用惧［呆J斥］．东南大学裁学报黑，吵199部7雨，禾2厨9榨（抄4拿）信：酱64-6寺8别。语E千xperim豆ental机studi茶eson蚂new材frame笋join成tsof倾conc广rete蹄–洞filled段stee秤ltub轧estr幸ucture哨and盯its膨appli碍cation增s钉Theore葛tical院Analys马isand治Exper吵imenta调lrese脖archo寒nnew退typeJ法oint论ofCon旬crete-表filled粒Steel嫂Tubul剩arCol匀umnWi谷thRC为Beam见［破Abstra唤c欠t尽］驱Based吓onthe克inves衡tigati猎onand淋appli识cation值ofco巨ncrete虫-fille逢dstee所ltubu逐larjo畏intsa扫thome纤anda皂broad,背anew猾type袋ofcon竹nectio絮nbetw汤eenco仇ncrete蹄-fille上dstee石ltubu将larco沾lumna语ndRC违beamw