钢管混凝土柱混凝土环梁节点抗震性能试验研究

钢管混凝土柱混凝土环梁节点抗震性能试验研究

目前，我国房屋建筑中连接钢管混凝土柱、混凝土梁的主要形式有：上下环板牛腿型、双梁式、梁端局部延伸型、黑色牛腿式、黑色牛腿和环梁[2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15]。这些节点形式各有优越性和不足,都已有一定的试验研究。钢筋混凝土环梁节点的构造如图1所示。在环梁高度范围内,沿钢管周圈贴焊一道(或两道)钢筋作为抗剪环,无需穿心牛腿等构件;钢管内、外不用加劲环,不影响钢管内混凝土浇注;环梁钢筋笼无方向性,在地面绑扎,高空就位方便。一、梁节点压力引擎1.钢管抗剪和静摩擦力框架梁梁端剪力传递到钢管混凝土柱,主要通过三个途径。途径之一为通过环梁混凝土与抗剪环之间的局部承压作用力,将剪力由环梁传递到抗剪环上,并通过抗剪环与钢管间的焊缝将剪力传递到钢管上,由于抗剪环钢筋直径一般不大,由剪力引起的对钢管壁的局部弯矩很小;途径之二为环梁混凝土与钢管之间的粘结作用;途径之三为梁端弯矩引起环梁上(或下)端挤压钢管混凝土柱而产生的静摩擦力。一般情况下,静摩擦力很大,可以满足抗剪要求;粘结作用力虽然也很大,但在地震作用下难以保证,一般不予考虑,仅作为安全储备;抗剪环的作用力可以保证,设计时以抗剪环的作用力为主进行抗剪验算。2.剪力墙结构的分配框架梁端弯矩作用于环梁上,使环梁产生扭矩。当框架梁端为负弯矩时,环梁下端挤压钢管混凝土柱,其反作用力将产生对环梁的抵抗扭矩,这将大大降低对环梁的抗扭要求。楼板在平面内对环梁上部有很大的约束作用,减小了扭转产生的环梁与柱之间的相对脱离,由变形与内力关系可知,环梁的扭矩也会进一步减小。框架梁端为正弯矩时,略为不利,因为没有楼板的约束作用。对环梁传递弯矩的机理更为简明的解释是:框架梁的梁端负弯矩分解为环梁上部和下部的一对拉力和压力,拉力由环梁上部环筋与楼板共同承担,压力由环梁下部的混凝土承担并传递扩散至钢管混凝土柱上。试验证明,这一设想与实际受力情况基本吻合。二、钢管混凝土柱-环梁节点现场试验研究为了研究环梁节点的受力特性、抗震性能和设计方法,进行了一系列钢管混凝土柱-环梁节点的试验研究。主要研究环梁配筋、框架梁配筋、环梁尺寸、框架梁尺寸以及楼板对节点受力性能的影响。1.钢管混凝土柱-环梁节点先后完成了两批共37个节点试件单调加载试验,第一批试件的钢管直径以ϕ300为主,第二批钢管直径以ϕ500为主;结合实际工程,完成了一个足尺节点试验。足尺节点的钢管直径1600mm,壁厚20mm,框架梁截面为600mm×800mm(宽×高),配筋为14⊥○32;环梁截面尺寸为600mm×800mm(宽×高),上部配筋为10⊥○32。楼板宽4600mm,厚150mm,双向配筋为⊥○12@150。试验结果表明:钢管混凝土柱-环梁节点的抗弯能力和变形能力与环梁混凝土强度、截面尺寸、配筋量、节点形式、楼板、环梁宽度与外径比等因素有关;环梁的环向钢筋和箍筋对传递框架梁端的弯矩及纵筋的锚固起重要作用,配箍不足可能导致框架梁钢筋锚固失效;环梁环筋对传递框架梁弯矩起重要作用,配筋不足可能导致环梁截面开裂较大;框架梁的分布对节点控制截面内力影响较小,这有利于环梁节点与多根任意角度的框架梁连接;现浇楼板能大大提高节点的承载力和刚度,大幅度减小环梁承受的扭矩、剪力以及轴力;节点的破坏形态和框架梁纵筋与环梁环筋的配筋量比值有关,环梁配筋量相对较大时,节点破坏主要发生在框架梁端与环梁交接处,以框架梁破坏为主,环梁配筋量相对较小时,节点破坏主要发生在框架梁端的环梁内,可能形成两条主要裂缝;合理的截面尺寸和配筋可以使破坏发生在环梁范围以外的框架梁端,实现“强节点、弱构件”的抗震设计概念。图2,3是一个典型试件的框架梁端的裂缝图及荷载-位移曲线。2.节点的变形能力为了研究环梁节点的抗震性能,完成了14个钢管混凝土柱-环梁节点在反复荷载作用下的试验。图5是两个试件的水平力-转角滞回曲线。试验结果表明,塑性铰无论是在框架梁端还是在环梁内,节点都有比较大的变形能力,承载力下降至最大承载力的85%的节点试件,其钢管混凝土柱的转角达1/60左右;试件达到最大承载力之前及达到最大承载力时,大部分试件钢管混凝土柱的转角达1/120或更大,滞回环比较饱满,捏拢现象不明显;达到最大承载力后,由于框架梁、楼板、环梁混凝土开裂,钢管与环梁之间局部脱离,出现缝隙,在裂缝闭合前位移增大快而荷载增加慢,滞回曲线出现不同程度的捏拢现象。由于节点具有梁柱相对独立的特点,节点的破坏不影响钢管混凝土柱的完整性,基本不影响钢管混凝土柱的承载力,容易实现强柱弱梁的抗震设计概念。3.反复加载试验足尺节点试件完成静力加载试验后,进行钢管与环梁界面的抗剪试验。千斤顶贴近钢管混凝土柱置于环梁上加载,在环梁上产生近似冲切的作用力。限于千斤顶加载能力,最大荷载加至5300kN,试件仍未破坏(弯曲试验中,在环梁处产生的总剪力最大为2700kN,且此时环梁与钢管混凝土柱之间存在很大的静摩擦力)。还完成了3个反复加载破坏后试件的钢管与环梁界面的抗剪试验,图4为其中一个试件的实测荷载(即界面剪力)-环梁与钢管间相对滑移的关系曲线。试验结果表明,即使环梁已经破坏,钢管与环梁之间已有缝隙,由于抗剪环的作用,钢管与环梁的界面有足够大的受剪承载力,通过抗剪环传递剪力是可靠的。即使环梁与钢管之间已有相对滑移,环梁也不会从钢管上滑脱。三、梁节点工程应用1.环梁、再框架梁、纵筋布置工程中,采用下述方法设计环梁节点:环梁的上表面与框架梁的上表面平,环梁比框架梁高50mm,以便环筋和框架梁钢筋在高度方向的布置;环梁宽度应满足框架梁纵向钢筋的锚固要求;环梁的环筋和箍筋数量根据框架梁纵筋数量确定,且箍筋应满足竖向抗剪的要求,环梁箍筋沿径向放射布置;在环梁底部和中下部各设置一道抗剪环,抗剪环直径以及抗剪环与钢管柱的焊缝高度,可通过混凝土的局部承压以及焊缝强度满足竖向抗剪要求确定,建议抗剪环上下两个角焊缝都施焊。2.环梁节点房屋建筑环梁节点最早于1997年用于昆明邦克大厦(8度抗震设防),以后陆续用于广东省电信枢纽综合楼、合银广场等20多幢房屋建筑,取得了良好的经济效益,表1为20幢采用环梁节点的房屋建筑简介。图6和图7分别为广州市中华广场和太原市数码中心的平面图。四、环梁节点位置验证(1)梁柱连接方式是钢管混凝土结构的关键,环梁节点具有受力合理明确、构造简单、施工方便、造价低廉等优点。(2)受力机理分析表明,环梁节点满足传递梁端剪力和弯矩的要求,试验结果验证了其受力机理。(3)试验结果表明,环梁节点可以实现“强节点、弱构件”的抗震设计概念,塑性铰在框架梁端或在环梁内,环梁节点都有比较大的变形能力和良好的滞回特性,通过抗剪环传递剪力是可靠的,即使环梁已局部破坏、