混凝土主梁与钢次梁组合节点试验研究.pdf

4 8 低温建筑技术 2 0 1 2年第 l 2期 ( 总第 1 7 4期 ) 混凝土主梁与钢次梁组合节点试验研究 陶磊 ， 余江滔 ， 陆洲导 ， 周运瑜 ( 1 同济大学结构- r 程与防灾研究所。 上海2 0 0 0 9 2 ； 2 上海万科q ,t3 。 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘要】 对一种新型混凝土主梁与钢次梁组合节点的性能进行试验研究， 共设计制作 2 组试件 4 个组合 节点进行静力试验。采用液压加载装置对试件逐级施加荷载直至试件破坏， 研究混凝土主梁截面高度与钢次梁 端部点焊锚筋对节点性能的影响。试验表明主梁高度越大则其对钢次梁的嵌固越有效， 节点也越： 陵近于固接， 而 钢次梁端部的点焊锚筋对节点受力性能影响不大。选择合适的混凝土主梁截面高度可以改变节点的破坏模式， 改善节点的受力性能。 【 关键词】 混凝土主梁； 钢次梁 ； 组合节点； 静力试验 【 中图分类号】 T U 3 1 7 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 4 8 0 3 钢 混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结 构基础上发展起来的一种新型结构。常见的钢一 混 凝土组合结构 能够充分发挥钢与混凝土两种材料 各 自具有 的材料性能优势， 可显著改善结构受力性 能。目前对钢一 混凝土组合结构的研究和运用变得非 常广泛 】 。当节点中包含混凝土与钢材两种材料， 且 二者存在相互作用时即为组合节点。钢一 混凝土组合 节点是组合结构中的重要组成部分， 是影响结构性能 的关键因素。钢 混凝土组合节点按不同组合方式有 型钢混凝土节点 、 端板连接节点 、 钢管混凝土节 点 等。目前， 在工业厂房结构 中应用较多的一 种组合节点形式为钢梁- 钢筋混凝土梁节点， 其中钢梁 为次梁 ， 钢筋混凝土梁为主梁。钢结构次梁与钢筋混 凝土主梁 的连接方式多种多样。当主梁为现浇结构 时， 可采用将钢次梁直接插入混凝土主梁的连接方 式。这种连接方式经济实用、 施工简便。本文对这种 节点形式进行试验研究 ， 分析了钢次梁一 混凝土主梁节 点的受力和破坏机理， 研究结果对指导工程应用具有 参考价值 。 1 试验设计 1 1 试件制作 本试验模型以混凝土框架梁、 柱体系中截取出的 一 段混凝土主梁和钢次梁结构作为研究对象。共制 作 2 组试件， 混凝土主梁截面尺寸 3 2 0 ra m X 6 0 0 ra m编 号S J 1 ， 截面尺寸 3 2 0 m m X 9 0 0 m m编号 s J 2 。混凝土主 梁配筋为上部纵筋4 2 0 ， 下部纵筋4尘2 0 ， 箍筋 1 2 2 0 0 ， S J 1 混凝土主梁腰筋 6尘1 0 ， S J 2混凝土主梁腰筋 8 尘1 0 。钢梁尺寸统一采用 H 4 0 0 X 2 2 0 X 1 0 X 1 2 ， 为便 于将钢梁插入混凝土梁 内， 钢梁端部翼缘宽度缩进为 1 0 0 m m， 插人主梁深度 1 4 0 m m。试件混凝土等级采用 C 3 0 ， 钢材采用 H P B 3 3 5 。实测混凝土棱柱体抗压强度 为 2 1 5 MP a ， 弹性模 量 为 2 3 51 0 MP a ， 钢材 屈 服强 度为 3 5 0 MP a ， 弹性模 量 为 2 0 61 0 MP a 。为研 究锚 筋对节点性能的影响， 试件 s j 、 S J 2一端焊有 2 + 1 4锚 筋， 分别为 J D 1 1 节点和 J D 2 1 节点。所有试件 同批 浇筑。两组试件 4 个节点模型的不同变量对比如表 1 所示。试件尺寸和配筋、 节点详图见图 1 图3 。 表 1 节点模型变量对比 试件编号 S J 1 S J 2 D + 混凝土板 1 6 圆柱头烯 坚 卜 ； 叫 厚8 0 ra m钉高度6 O 【n Il1 ： 一 口 3 0 0 l ； i 可 l - ， ， i 一r 。 ，喜 一凸 H 卜 一 t o t i 1 I I 釜 6 0 0 5 0 0 0 1 6 0 0【 图1 S J 1 、S J 2 试件尺寸和配筋 1 2 试加载方案和测试内容 采用反力架和液压加载装置对试件进行集 中力 静力加载， 试验中通过两个液压千斤顶 ， 两根分配梁， 分4个集中荷载点对试件逐级施加荷载 ， 并在加载过 程中保证各个加载点荷载相同。每级荷载取 2 0 k N， 每 级加载后保持荷载 5 ra i n 。试验加载至试件发生破坏 为止。当试件跨中挠度达到 1 0 0 r o s a ， 或钢筋和钢梁任 一 应变达到0 0 1时停止试验。 试验中通过布置应变片与位移计记录钢筋的应 陶磊等： 混凝土主梁与钢次梁组合节点试验研究 4 9 钢 粱 腹 板 开 孔 ： 。 。 L 一 1 l l ： 孔直径瑚晴 耀 离 蘑骊舷 钢聚懂扳 开孔， 纵翰 ! -j 出 l1 错 嗣 越 巷 1 1 图2 J D 1 1 节点详图 n 胆 I 1 孔直径- N筋直径 檀 趣 饿 饼； 摩 托铜 雕 钢粱腹板开 孔， 窃 l 【 、 謇 框架横粱懈 一 1： ： 【3 2 0 2 - 2 图3 J D 2 2 节点详图 变、 钢次梁的应变及挠度、 钢筋混凝土主梁 的挠度。 同时记录试件中各构件裂缝的出现时间和位置。 2试验 结果分析 2 1 试验现象 S J 1 试件在加载初期试件整体挠度很小， 荷载 P 加载到4 0 k N时， 楼板在与混凝土梁连接处 出现细微 裂缝， 板底与板跨中出现细微缝； 荷载 P加载到 6 0 k N 时， 楼板与混凝土梁连接处裂缝逐渐向中间延伸， 楼 板板底与板面裂缝逐渐增多 ， 裂缝宽度有所增大； 荷 载 P加载到 8 0 k N时， 楼板在与混凝土梁连接处的板 面与板底裂缝贯穿， J D 1 - 2节点在混凝土主梁 内侧 出 现细微斜向裂缝 ； 荷载 P加载到 1 0 0 k N时， J D 1 1节点 在混凝土主梁内侧出现 4 5 。 细微斜裂缝。荷载 P加载 到 1 2 0 k N时， J D 1 - 1 、 J D 1 - 2节点在混凝土主梁外侧面出 现斜向细裂缝 ， S J 1 试件钢次梁弯 曲变形逐渐增大； 荷 载 P加载到 2 4 0 k N时， J D 1 - 2节点在混凝土主梁内侧 的斜裂缝逐渐延伸至混凝土梁底部， 楼板裂缝增多， 宽度加大； 荷载 P加载到 4 4 0 k N时， J D 1 1 、 J D 1 2节点 在混凝土梁底面跨中出现弯曲裂缝 ， 在钢次梁与混凝 土主梁连接处部分混凝土发生脱落 ， 位于钢次梁翼缘 下的节点受压区部分混凝土被斜向压碎并鼓胀掉落， 节点 J D 1 - 1 、 J D 1 - 2在混凝土主梁内侧面的斜裂缝宽度 超过 1 5 m m， J D 1 - 1 、 J D 1 - 2节点处的混凝土主梁达到受 剪承载能力极限状态， 试件发生节点核心区斜压型剪 切破坏； 继续加载荷载 P到4 9 0 k N时， 钢次梁挠度过 大， 发生受弯破坏 ， 此时停止试验。 S J 2试件在加载初期与 S J 1相似， 荷载 P加载到 2 0 0 k N时 ， J D 2 - 2节点在混凝土主梁内侧出现细微斜裂 缝； 荷载 P加载到 2 2 0 k N时， J D 2 - 1 节点在混凝土梁内 侧出现斜裂缝， J D 2 1 、 J D 2 2节点在混凝土主梁底面出 现弯曲裂缝； 荷载 P加载到 2 8 0 k N时， J D 2 1 、 J D 2 - 2节 点在混凝土梁内侧斜裂缝延伸至梁底； 荷载 P加载到 3 4 0 k N时， 钢次梁与混凝土梁连接处裂缝增大， 混凝土 开始脱落； 荷载 P加载到 5 4 0 k N时， 钢次梁弯 曲变形 较大， 钢次梁受弯破坏， 停止试验。 Z 辎 挺 5 0 0 4 o o 3 o o 2 o o 1 o o O o o5 1 l _ 5 2 2 5 位移 ram 图4 混凝土主梁跨中荷载一 挠度曲线 2 2 混凝土主梁跨中荷载 一 挠度曲线 J D 1 1 、 J D 2 1节点混凝土主梁的跨中荷载 挠度曲 线如图4所示， 在加载初期， 二者挠度相差不大， 随着 荷载不断增大 ， J D 1 1曲线的挠度增大速度大于 J D 2 1 曲线。J D 1 1 、 J D 2 - 1节点处混凝土主梁梁高不同， 梁的 刚度差异较大。当荷载 P加至 1 0 0 k N时， J D 1 1节点 处混凝土主梁开始产生斜裂缝， 并进入非线性状态 ； 对于 J D 2 1 节点 ， 当荷载 P加至 4 0 0 k N时其混凝土主 梁才出现斜裂缝 ， 在此之前则能够较好地保持弹性状 态。两种试件在极限状态时的破坏模式也不相同， S J 1 试件的破坏为节点核心区混凝土主梁的受剪破坏 ， S J 2 试件的破坏为钢次梁的受弯破坏。 6 D 0 曩 伽 牲 2 0 0 0 O 2 0 4 0 印8 0 1 0 0 位移 r m n 图5 钢次梁跨中荷载一 挠度曲线 2 3 钢次梁跨 中荷载 一挠度曲线 S J 1 、 S J 2试件钢次梁的跨中荷载- 挠度曲线如图 5 所示。在加载初期 ， 不同试件的钢次梁跨 中挠度相差 不大， 钢次梁的初期刚度 S J 1 试件较 S J 2 试件略小 ， 随 着荷载不断增大， S J 1曲线的挠度增大速度明显大于 J D 2 - 1 曲线 ， 且 S J 1 试件钢次梁较早进入屈服阶段。结 果表明 S J 2试件中对钢次梁的嵌固作用比 S J 1 试件更 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 2 期( 总第 1 7 4 期) 加有效， 说明在组合节点中， 混凝土主梁截面高度越 大， 其对钢次梁的约束则越有效。 2 4 钢次梁端部荷载 转角曲线 S J 1 、 S J 2试件带点焊锚筋的钢次梁端部荷载一 转角 曲线如图 6 、 图 7所示 ， S J 1 、 S J 2试件无点焊锚筋的钢 次梁端部荷载一 转角曲线如图 8 、 图9所示， 图6与图 7 对比混凝土主梁梁高不同时钢次梁端部荷载- 转角曲 线的不同。在加载初期 ， 对应于同一荷载， 混凝土主 梁梁高不同的节点转角值相近， 随着荷载不断增大， 对应于同一荷载， J D 1 1曲线的转角值大于 J D 2 - 1曲 线 ， J D 1 2曲线的转角值大于 J D 2 - 2曲线。结果同样表 明相 比于 S J 1 试件 ， S J 2 试 件中混凝土主梁对钢次梁端 部的约束更强。从荷载一 转角曲线的变化规律可以推 断， 随着组合节点中混凝土主梁梁高不断增加， 节点 受力性能将从类似于铰接逐渐过渡为类似于固接。 6 o 0 蚕 4 o 0 挺2 0 0 O 6 0 0 暴 釉 挺 抛 O 5 1 1 5 2 转角，( a) 钢次粱端部荷载一 转角曲线 0 0 0 5 1 1 3 2 转角 ( 。 ) 图7 钢次梁端部荷载一 转角曲线 1 ) 2) ( S J 1 ) ( S I 2 ) 图8与图9对比钢次梁端部有无锚筋构造时的荷 载一 转角曲线。图中曲线形状基本吻合， 表明钢次梁端 部有无锚筋对节点受力性能不产生明显影响。实际 当节点的转动较大时， 钢次梁端部的点焊锚筋能够与 混凝土耦合工作 ， 但对改善节点的受力性能作用有限。 3结语 ( 1 ) S J 1 试件( 节点混凝土主梁高度 6 0 0 m m) 破 坏时的极限荷载为4 4 0 k N ， 破坏模式为节点核心区斜 压型剪 切破 坏 ； S J 2试 件 ( 节 点 混凝 土 主梁 高度 9 0 0 m m) 破坏时的极限荷载为 5 4 0 k N， 破坏模式为钢次 梁受弯破坏。 ( 2 ) 混凝土主梁截面高度对钢次梁的挠曲变形 影响显著， 主梁高度越大则其对钢次梁的嵌 固越有 效 ， 钢次梁 的变形也越小 。 6 0 0 4 0 0 镉 枢2 o o O 6 0 0 z 4 0 O 鞯 招 2 0 0 0 0 05 1 1 5 转角 度 图8 钢次粱端部荷载一 转角曲线 ( c ) 0 05 l l _ 5 2 转角 度 图9 钢次粱端部荷载一 转角曲线 ( d ) ( 3 ) 混凝土主梁截面高度会显著影响节点的受 力性能， 随着混凝土主梁梁高不断增加， 节点将从接 近于铰接逐渐转变为接近于固接。 ( 4 ) 钢次梁端部的点焊锚筋对节点的受力性能 影响不大， 构造锚筋可部分参与节点工作， 但其作用 可忽略不计。 参考文献 1 聂建国， 余志武 钢一 混凝土组合梁在我国的研究及应用 J 土木工程学报 1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 38 2 赵鸿铁 钢与混凝土组合结构 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 1 3 J o h n s o n R C o m p o s i t e r u c t u r e s o f S t e t d a n d C o n e ， V o l u m e l B e a m s ， s l a b s ， C d u m n s a n d F r a m e s f 0 r B u i l d i n g M 2 n d E d Ox f o r d：Bl a c k we N S c i e n ti fic ， 1 9 9 4 4 陈丽华， 李爱群， 赵玲 型钢混凝土梁柱节点的研究现状 J 工业建筑， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 ) ： 5 6 5 8 5 王元清， 张一舟， 等 端板连接半刚性： 声 点对多层钢框架设计 的影响 J 青岛理工大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 ) ： 3 3 3 7 6 纪维刚 ， 杨丽， 等 半刚性钢一 混凝土组合节点抗震性能研究 概述 J 青岛理工大学学报， 2 0 1 0 ， 3 1 I = 1 ) ： 1 2 3 1 2 8 7 夏鹏， 王丽华， 王强 钢管混凝土结构的节点设计 J 建筑结 构 2 0 1 0， S 1 8 尧国皇， 黄用军， 郑小鹰， 等 新型钢管混凝土柱 一 钢筋混凝 土梁节点试验研究 J 工业建筑， 2 0 1 1) ， ( 7 ) 9 孔玲云， 罗鸿平 禹州电厂一期工程钢一砼组合结构施工 J 平原大学学报， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 1 0 ) ： 1 4 1 5 收稿日期 2 0 1 2 0 8 0 1 作者简介 陶磊( 1 9 8 7一) ， 男， 甘肃酒泉人， 硕士， 研究方 向： 工程抗 震， 结构检测与加固技术 。 6 图 0