钢管混凝土框架梁柱刚性节点的实验研究.pdf

第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 钢管混凝土框架梁柱刚性节点的实验研究 许超 U.古林建筑工怪学院 卞延彬 长赛1 3 0 0 2 1 ) 摘要: 本文根据3 种常见的钢筋混凝土框架梁柱刚性节点的实脸研究， 进一步脸证了 刚性节点 传 力性能与工作机理， 并与浇灌混凝土之前的空钥管框架梁柱刚性节点的传力性能进行了比较， 给出了每种 形式 节点处复杂高应力区的范围。 关键词: 钥管混凝土; 框架; 刚性节点 1 试验概况 1 . 1试件的设计及制作 本试验试件为平面框架中梁柱刚性节点，模拟多 层框架结构中梁柱节点的受力情况， 设 计了三组3 种实际工程中常见的 不同的节点形式，每种节点柱子两侧与梁的连接方式都 不同，以作比较，每组制作两个试件，试件材料见表一: 表一 试件尺寸 众 T . L ( m m ) 截面 尺寸 ( 画2 ) 钥管强度 f y ( N / m m ) 含钢率 a明s / A c 钢管弹性棋 t E s 钢管泊桑 比 us 混凝土强 度 f c 0 ( N /画J ) 混凝土标模重E s ( N /回; ) 1 1 4 X4 X 2 0 0 0 1 2 8 23 0 1 . 30 . 1 5 71 . 9 8 9 X 1 00 . 2 8 22 6 . 72 . 8 6 8 又1 0 1 1 4 X4 X 2 0 0 0 1 3 8 23 0 1 . 30 . 1 5 71 . 9 8 9 X 1 00 . 2 8 2 2 6 . 72 . 8 6 8 X 1 0 1 1 4 X4 欠 2 0 0 0 1 3 8 22 8 0 . 7 0 . 1 5 71 . 9 8 9 X 1 00 . 2 8 22 6 . 72 . 8 6 8 X 1 0 1 1 4 X4 X 2 0 0 0 1 7 0 92 6 8 . 80 . 1 2 51 . 9 8 9 X 1 00 . 2 8 32 6 . 72 . 8 6 8 X1 0 作者简介:许超，男，1 9 5 7 . ，工学硕士，较授， 吉 林省教育厅基金资助项目， - 7 8 2- 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 1 . 2加载及测试方法 在试件没有浇灌混凝土之前，先对空钢管梁柱节点 进行弹性范围内的加荷试验。加荷 分四 种情况， 第一种情况:由压力机先对空钢管进行轴心受压试验;第二种情况:用千斤 顶对 L( 左) 侧钢梁加竖向 集中荷载，同时由 压力机对钢管柱施加一不变的轴向压力:第 三种情况: 用千斤顶对R( 右) 侧钢梁施加竖向集中荷载; 第四种情况:对空钢管柱施加竖 向 轴心荷载的同时用千斤顶对柱两侧的钢梁施加同 步对称竖向 集中荷载。 试件浇灌完混凝土并在自 然条件下养生4 0 天后， 对钥管混凝土试件( C F S T ) 进行试验。 前三种加载方式与空钢管试件相互对应， 第四种加载方式为在压力机对钢管混凝土柱逐级 施加轴心压力的同时， 对柱两侧的钢梁同时施加同步竖向 集中荷载直至钢管混凝土柱或钢 梁与柱的 焊缝破坏， 在每一级荷载的 作用下， 分别测出 工字型钢梁端部的位移。 2 试验结果及分析 2 . 1 钢管混凝土节点的应力实测与分析 钢管混凝土框架梁柱刚性节点在外荷载作用下， 通常受到弯矩、剪力和轴力的作用。 对于我们所设计试验的节点，取其中两种不利的加载方式进行分析。其一为对节点某一侧 钥梁施加一竖向集中荷载，模拟节点受弯矩与轴力共同作用的情况;其二为对节点两侧钢 梁同时施加竖向 对称集中 荷载，模拟节点受二个对称纵向 剪力与轴力共同作用的情况。 其 荷载形式与计算简图见图1 和图2 e 告 N守 N M= Ve 奉Nb) 十lsesese|十十 冲支门习书乃 Ne . ( a ( b ) 图1节点受弯矩和轴 力作用 ( a ) 图2 - 1 5 - 点受A个对称纵 l rt l 剪力 与轴力作用 空钢管与钢管混凝土试件在上述荷载作用下， 其节点附近各测点的 纵向 压应力可由 广义 虎克定律确定。 a 3 S ES ( e 3 + us x: 1 ) / ( I - u S s ) 式中 口 3 5 钢管的纵向压应力: us 塌管在弹性阶段的泊桑比; e l , e 3 分别为钢管的环向 拉应变和纵向 压应变的实测值; E S 钢管的弹性模量; - 7 9 3- 第十九届全国高 层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 空钢管与钢管混凝土I 、n , m组试件在节点处受弯矩和轴力共同 作用情况下， 节点 附近钥管外表面各截面的纵向 压应力与节点处受两个对称纵向 剪力作用情况下，钢管外表 面各截面的纵向压应力分布分别见图3 、图4 e . 心 m爪 ， 阁3 1 姐空钢甘L 侧加荷各截面实侧应力f 5田1 姐切管W 侧1 x t4 截IN l l l la 力分布 节点处受弯矩与轴力作用时， 空钢管试件所受最大纵向 压应力均在图1 , 图2 的I 一 I 、 II - I I 截面L( 左) 侧或R( 右) 侧， 该截面的 压 应力也较高， 这 样在节点附 近就形成了 一 个复杂的高 应力区，在外荷载作用下 此高应力区将首先达到或超过钢管的屈服强度而发生 局部屈曲 或破坏。因 此节点附近的复杂高应力区是节点设计中最敏感和特别需要加强的部 位。 但当钢管内有核心混凝土时， 其节点的受力性能大大改善。 从图 1 .图2中可以看出， 钢管混凝土试件除在I 一 I 截面与空钢管试件在L( 左) 或R( 右) 侧同一点处的纵向 压应 力大致相同外，节点附近其他截面各测点钢管壁所受到的纵向 压应力均小于空钢管各截面 上同 一点外的纵向压应力。说明 钢管混凝土试件节点所受的内 力 通过钢管壁与核心混凝土 间的 交界面已 经部分或大部分的 传给了 节点处核心混凝土， 使得节点处钢管表面复杂高应 力区的纵向 压应力减小.应力分布趋于均匀;此外， 核心混凝土在径向 支撑着节点处的钢 管壁， 增大了 节点的刚度，防止了节点处高应力区内 钢管壁的 局部屈曲， 从而大大的提高 了 钢管混凝土刚性节点的承载力。 同理，节点处受纵向剪力和轴力作用时，与受弯矩和轴力作用的同 种节点形式相比， 节点附近钢管壁受到的纵向压应力较小， 核心混凝土传力与受力 较均匀。由此可见，节点 两侧钢梁受对称荷载作用或节点两侧外荷载相差较小时， 对节点工作较有利，同时节点处 的复杂的高应力区也将减小。 通过上述计算与分析可知， 空钢管试件在节点核心区( 钢梁上下翼缘之间的柱段) 外部 I 一 I 、I I - I I 截面处的纵向 压力都较大，说明节点核心区 边缘应力较大且很复杂.对于核 心区内 部的 应力变化，我们在核心区内 所贴的 应变花进行了 计算与分析。 空钥管I 、I I 、 1u组试件节点核心区采用应变花测量。 由 计算结果 可知。由 空 钢管I .n 、 m组 试 件节点 核心区内 的 各 应变花计算得出的 主 压应力均小于 或等于核心区外I 一 I 、II 一 I I 截面的 主压应力。由 此可见，节点核心区内 应 变 化 处 的 主 压 应 力 对 节 点 的 破 坏 不 起 控 制 作 用 ， 因 此 对 钥 管 混 凝 土 节 点 试 件 在弯 矩、 剪 力 和轴力作用下， 对节点处柱子强度破坏起控制作用的是I 工 一 n 截面截面 . 7 9 4. 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 2 . 2 钢管混凝土节点处三种不同的内力 传递形式 当节点受弯矩和轴力共同作用时， 节点附近钢管各截 面的 纵向 压应力如图5 所示，其中柱子 R( 右) 侧的纵向 压应力为 r , L( 左) 侧的纵向 压应力为。 L , F 侧的纵向 压应力为。 F e 根据应力亚加原理列方程组， 求解出核心区混凝土所 受到的 纵向 压应力计算公式: 口 刀 =a 乙 iY t a 穿 O LO R O F - - J 图5 节点受弯矩作用时 钢管 R .L 处的应力 a C N 和口 v分别为 轴力与弯矩对核心混凝土产生的 压应力. 通过推导公式可知， 核心混凝土的压应力与含钥率的大小有关， 当含钢率在0 . 1 2 0 . 1 6 范围内， 核心区混凝土的 压应力为大于或等于0 . 8 倍的混凝土立方体抗压强度，节点处钢 管混凝土的传力方式和传力性能开始发生变化， 其传力特点为: ( 1 ) 当核心区混凝土的压应力小于0 . 8 倍的混凝土立方体抗压强度， 混凝土的泊桑比 小 于钢管的泊桑比，节点处的弯矩和纵向剪力主要靠钢管壁与核心混凝土交界面上的粘结力 来传递。 ( 2 ) 当核心区混凝土的压应力大于或等于于0 . 8 倍的混凝土立方体抗压强度， 混凝土的 泊桑比大于钢管的泊桑比，混凝土的体积发生侧向膨胀，钢管对核心混凝土产生紧箍力， 从而在钢管壁与核心混凝土的交接面上产生很大的与紧箍力垂直的剪切摩擦力。这种摩擦 力随荷载的增大而加大，这时节点处的 弯矩和纵向 剪力主要靠钢管壁与核心混凝土的交接 面上的摩擦力来传递。 根据上面推导的核心混凝土压应力计算公式， 可以 计算出 各级荷载作用下节点附 近各 截面上L ( 左) 侧和R ( 右) 侧核心混 凝土的 纵向 压应力， 并 绘出不同节点形式下柱子 两 侧 核心混凝土的 压应力变化曲线， 见图6 O . B f c - 1 1 . 3 6 N ( m m ) O . B i c = 1 1 .3 6 O . B i c - 1 1. 3 6 z ( m m )O . B f c = 7 1 . 3 6 ， .尸 一 吸 目i 曰9 U N / m 沁 ( a ) 1 组L 侧( b ) I 组R 侧 图6 杨U 区 棍 凝土 压 应力 变 化曲 线 3 结论 ( 1 ) 钥管混凝土框架梁柱刚性节点的弯矩、 剪力和轴力的作用下， 内力主要靠钢管壁于 7 朋 。 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 核心棍凝土交界面上的粘结力和摩擦力传递. 对于带加强环的 节点其内力还可由“ 颈缩” 现象直接传递。 剪切摩擦力传递内力与粘结力传递内 力相比， 前者能较快地将钢管内的 应力传给核心 混凝土， 使得钢管与核心混凝土的应力分布较快趋于均匀。但这两种传力形式，与加强环 产生 “ 颈缩”现象的 直接传力相比， 加强环形式又优于前二者。 ( 2 ) 对于不同形式的节点，复杂应力区的高度是不同的，在本试验范围内( 含钢率a = 0 . 1 2 - 0 . 1 6 , 钢管外径D = 1 1 4 m m 1 4 0 m m ) ， 节点 处的 复 杂高 应力区 域约为: ( i )节点弯矩作用 钢梁直接焊于钢管柱上的节点形式， 高应力区域在钢梁上下翼缘以 外约2 . 7 D 范围以内 ( D 为钢管外直径) 。 带穿心钢板的节点形式， 高应力区域在上下加强环板外约1 . 4 D 范围以 内。带加强环的节点形式， 高应力区域在上下加强环板外约1 . 1 D 范围以内。 ( i i )节点无弯矩作用 无加强环节点的高应力区域约在上翼缘上1 . 4 1 ) ， 下翼缘下2 . 2 D 范围以内。 有加强环 节点的高 应力区域约在上加强环上1 . 1 1 ) ， 下加强环下1 . 4 D 范围以内。 ( 3 ) 根据节点试验实测结果、 传力性能和工作机理以 及对节点处复杂高应力区域的分析， II 组试件R( 右) 侧节点形式传力性能优于I 组试件R ( 右) 侧节点形式， 同时高应力分布 区 域也小于I 组试件R( 右) 侧节点形式; M组试件R( 右) 侧节点形式的传力性能与高 应力区 域又优于I . I I 组试件R( 右) 侧节点形式，I II 组试件L ( 左) 侧由 于小牛腿可直接 承担部分剪力，传力性能 优于m组 R( 右) 侧节点形式。可见带加强环和小牛腿的节点 构 造形式( 即 I I I 组试件L( 左) 侧节点形式) 是3 种节点形式中最好的一种。因而，当节点 承 受的弯矩较大时，宜采用带加强环的节点形式.当弯矩较小时， 可考虑采用钢梁直接与钢 管 柱焊接或带有穿心钢板的节点形式。 I 组试件L( 左) 侧和I II 组试件R( 右) 侧钢梁腹板穿入钢管柱内4 0 m m 的 情况， 对节 点的受力性能无明显影响且施工麻烦，因而一般情况下不宜采用。 参 考 文 献 1 )钟善桐， 钥管混凝土结构. 黑 龙江科技H i 版社 , 1 9 8 7 . 2 7李至钧， 阎替章. 锅管馄凝土框架梁往节点加强环板的 试验研究， 中国钢协铆混凝土组合结构 协会第三次年会论文集，1 9 9 1 3 )翠名超， 王桂云等. 钢框架梁柱节点的反复循环荷载作用下的试验研究， 建筑结构学报， 1 9 9 0 . 2 4 ) H e l m u t K r v i a w i n k l e r , A . M . A S C E , V i t e i m o r , B e rte r o , M . A S C E , a n d E g o r P . P o p o r , F . A S C E S H E A R B E H A V I O R O F S T E E L F R A皿 J O I N T S . J o u r n a l o f S t r u c t u r a l D i v i s i o n , N o v. 1 9 7 5 s t l l 5 ) 周云， 钟善铜. 多层框架现浇梁与 钢管混 凝土 柱节点的 试验研究 ，中国 钢协 锅混 凝土组合结 构协会第三次年会论文集，1 9 9 1 . 6 l火力发电厂主厂房钥一混凝土组合结构设计暂行规定， D L G J 9 9 - 9 1 , 1 9 9 1 . 8 7 1 钥管混凝士组合构件基本性能 和 理论 计算的 研究 ， 研究 成果 报告， 哈尔滨建筑工程学院 。 1 9 9 1 . 1 0 - 7 8 6 -