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第 3 3 卷第 6 期 ( 2 0 1 4 0 6 )( 行业论坛) 部分包裹混凝土柱与钢梁节点的抗震性能 王姗 秦 明珍 内蒙古科技大学建筑与土木T程学院 摘要 ：随着新型建筑结构的不断发展 与研 究 ，部 分 包裹混凝土柱 ( P a r t i a l l y E n c a s e d Co n c r e t e )以高承载力、中耐火性能的优越特 点在建筑工程 中被广泛使 用。在某油田储 油库的建造 过程 中，截取 4 组部分包裹混凝土拄与钢梁外伸端板连接点作为试件 ，通过试验研究试件的结构 强度及抗震性能。通过有限元分析 可以看出，端板是耗散地震能量的主要部位，增大端板厚度 可以有效增加节点承载力 ；背垫板能够明显改善结构的各类性能，设置背垫板等 支撑 可以明显 提高节点性能，是改善节点刚度的有效措施。 关键词：储油库 ；部分包裹混凝土柱 ；节点 ；加载 ；抗震性能 d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 6 - 6 8 9 6 2 0 1 4 6 0 0 6 随着新型建筑结构的不断发展与研究 ，部分包 裹 混 凝 土 柱( P a r t i a l l y E n c a s e d C o n c r e t e ， 简 称 P E C )以高承载力、中耐火性能的优越特点在建筑 T程中被广泛使用。这是一种集钢结构和混凝土优 良性质的组合结构 ，对该种新型结构柱 已做过相关 研究 ，并得 考虑了含钢率 、轴压比、剪跨 比等 对设计参数的影响：含钢率提高，构件变形能力提 高；轴 力增大 ，柱的变形能力降低 ；剪跨 比影响 曲线形状 。节点作为传递弯矩 、剪力、轴力的重要 部分 ，是结构设计控制的重点。 欧洲规范中按框架的转动刚度和有无侧移将节 点分为刚性节点 、半刚性节点和柔性节点。而半刚 性节点的协调关系最为优越 ，既融合 了刚性和柔性 节点的优点 ，又使结构保持稳定和耗能较低。这种 优越的结构性质 ，对于提高储油库的安全 、抗震和 防火性能具有重要意义。 1 试验概况 在某油 田储油库的建造过程 中，截取 4 组部分 包裹混凝土柱与钢梁外伸端板连接点作为试件 ，通 过试验研究试件的结构强度及抗震性能 。 1 1 试件设计 根据节点形 式设计 了 4 组试验 ，编号为 J D 一 1 J D 一4 。所有均为 Q 2 3 5 一B钢材 ，试件梁长均为 1 1 0 0 mm，截面为 I 2 0 a 。柱子采用部分包裹 混凝 土组合柱，且上下贯通，高度为1 8 0 0 m lT l 。梁和柱 采用高强螺栓通过外伸端板连接 ，端板和钢梁之间 采用双 面角焊缝 连接 。柱翼缘采用 系杆将两侧拉 结 ，这样不仅能保证柱翼缘和混凝土有效拉结 ，还 能抵御一部分外荷载，起到双重保险作用。翼缘两 侧填充 C 3 0 混凝土即可。 1 2 加载装置及位移控制 采用托压千斤顶和电业伺服作动器 J f 1 载 水 平放置于地上 ，柱端用水平限位梁限制其位移 ；托 压千斤顶一端与反力墙连结 ，另一端同钢梁铰接 ， 在梁端施加轴 向荷载。试验加载制度采用荷载一位 移双控制1 2 1 的方法 。试件屈服前应采用荷载控制 i - 分级加载 ，逐级递增 ，4 个试件的加载步长均取极 限荷载的 1 0 ( 大约 6 k N) ，每级循环 2次 ；当试 件屈服后 ，南于力很难继续保持稳定存一 个数值 上 ，改用位移控制模式。 位移控制 同样也采用分级加载的方式 ，加载步 长取试件屈服时最大位移值 的0 2 5 倍 ( 大约6 m m) ， 每级循环 3 次。 1 3 测量内容以及测点布置 试验测量的主要参数为梁端施加荷载 、梁端部 位移大小和节点区域应变数据。 荷载可 以通过压 力传感器进行测量 ；梁端位 移 、梁 中部位移 、端板位移采用位移汁测量 ；节点 区域应变数据可 以通过电阻式应变片和 自动采集系 统进行统计 。 2 试验结果及分析 2 1 试验现象 J D 一1 试件 ：在加载到 4 2 k N拉第 1 次时 ，翼 缘处的柱内横向系杆屈服，柱 内对应梁翼缘混凝土 出现竖向裂缝 。继续加载至 5 4 k N时梁达到屈 服。 此后 由位移控 制 ，当加载到0 5 时柱翼缘屈服 ； 继 续加载柱翼缘 与混凝土裂缝增大 ，继续加载 至 2 2 5 端板拉裂 ，混凝土被压碎。 J D 一2试件 ：在加 载 到 4 8 k N时横 向系杆 屈 服 ，继续加载至 5 4 k N梁进入屈服阶段 。此后用位 1 2 油气田地面工程( h t t p ： www y q t d mg c c o rn) 第 3 3 卷第 6 期 ( 2 0 1 4 0 6 )( 行业论坛) 移控制 ，达到 1 y时 ，端板 屈服 ，柱翼缘与混凝 土有微小裂缝 ，并逐渐延伸 ；达 到 1 7 5 时 ，梁 翼缘 现鼓曲，端板焊缝出 微小裂缝并扩展；达 到 2 5 A y时，端板被拉裂 ，混凝土被压碎 ，螺栓孔 有较大变形。 J D 一3 试件 ：在加 载到 4 8 k N时横 向系杆达到 屈服 ，达到5 4 k N时梁达到屈服状态 。此后用位移 控制 ，达 到 1 5 A y时 ，端板 鼓 曲变形 ；达 到 2 2 5 时 ，混凝 土与柱翼缘缝 隙继续扩展 ，端板裂缝 也继续开展 ；达到2 5 y时，端板变形过大 。 J D 一4 试件 ：这是 4 个试件 中最强 的试件 ，其 承载力、变形能力 、延性、刚度、耗能能力都达到 最佳状态。加载至 6 0 k N时横 向系杆屈服 ，加载至 6 6 k N时 ，端板 达到屈 服应 变 ，但 各处 变形 不 明 显 ，原 因是背垫板增加了节点 的刚度 ，加强了该处 的强度。加载至 0 5 A y时 ，梁下翼缘屈服 ，混凝土 和柱翼缘之问的裂缝 扩展 ；J J 口 载至 1 2 5 时荷载 下降 ，这是 由于端板与梁焊接处形成 了裂缝 ；加载 到 2 时 ，焊缝上 的裂缝基本贯通 ，试验停止。 2 2 滞回曲线 滞回曲线是反应结构抗震性能优劣的简单客观 图形。由各试件滞回曲线可 ，试件在加载初期 ， 残余变形较小 ，为弹性阶段- - ；在进人位移控制加 载阶段后 ，各个试件存在着此消彼长的状态 。 ( 1 )各个 图形 的承载力不一样 ，J D 一4由于背 垫板 和竖向加劲肋的作用 ，其承载力最好。 ( 2 )各个试件 的滞 回曲线较为饱满 ，呈现出良 好的抗震性能 ，说明部分包裹混凝 土柱和钢梁外伸 端板连接节点是一种 良好的半刚性节点 。 ( 3 )随着端 板厚度 的增加 ，曲线所 围面积越 多 ，节点的耗能性能越好 。这是 由于端板越厚 ，耗 散地震能量的能力越大 。其极限荷载 由5 2 3 8 k N提 高到了 7 9 2 4 k N，说 明端板厚度的增加对试 件抗震 性能及变形能力有明显改善。 3 有限元分析 3 1 模型建立 采 用 A B A Q U S建立 4 组 试件 的有 限元分析 模 型 ，采用与试验相 同的试件 寸。本文中型钢梁采 用四节点减缩积分格式的壳单元 ( S 4 R ) ，其他组 件采用八节点一阶线性减缩积分格式 的三维实体单 元 ( C 3 D 8 R) 。有限元分析模型见 图1 。钢材本构关 系采用 四阶段模型 ；混凝土材料本构关 系为普通 的应力应变关系 ；螺栓的本构关系则采用两阶段模 型，强化段的模量可取值为 0 0 1 E 。 图 1有限元模型 3 2 试验结果与计算结果对比 选取部分包裹混凝 土柱与钢梁外伸端板连接节 点滞 回性能 中的骨架 曲线进行对比。由对比结果可 以看 出，在两个加载作用下 ，有限元模拟的结果与 试验结 果吻合 良好 ，荷载 的最大差值 为 2 0 9 k N； 位移 的最大差值为 1 2 0 7 mm。因此 ，该模拟能够较 好地反应试件 的受力状态。 3 3 节点中端板受力性能分析 由于部分包裹混凝土柱与钢梁外伸端板连接节 点是研究 的重点 ，因此将各试件节点中端板的应力 云图取出 ，进行进一步对 比分析 。通过Mi s e s 应力 云网分析可知，端板在上下两侧的两排螺栓 中部所 受应力最大 ，加设竖向加劲肋端板受力 明显减小 。 4 结论 在某油田储油库建筑建造过程中，通过对4 组 包裹混凝土柱与钢梁试件的性能分析得出 ：这种连 结方式是一种典型的半 刚性节点 ，能够吸收地震能 量 ；通过有限元分析 ，可 以看出端板是耗散地震能 量的主要部位 ，增大端板厚度可以有效增加节点承 载力；背垫板能够明显改善结构的各类性能 ，设置 背垫板等支撑可 以明显提高节点性能 ，是改善节点 刚度的有效措施 。采用这种包裹形式 的结构组件 ， 可 以提 高油 田储 油库建筑 的抗震 性能 ，降低维 护 率，提高使用期限，是油田地面1 二 程中值得推广和 使用 的优 良技术。 参考文献 1 赵根田，李鹏宁H型钢部分包裹混凝土组合短柱抗震性能的 试验研究 f J 1 内蒙古科技大学学报 ，2 0 0 8 ，2 7( 4 ) ：1 2 1 5 2 王金昌，杨森大型L N G 全容罐抗震隔震设i f J 油气!x t 地面 工程 ，2 0 0 9，2 8( 1 0 ) ：5 3 - 5 5 3 陈绍蕃 ，顾强钢结构 M 北京：中国建筑 T ： 业 版社 ，2 0 0 3 4 韩林海，杨有福现代钢管混凝土结构技术 M J 北京：中国建筑 T业 出版社 ，2 0 0 7 第一作者简介 王姗：内蒙古科技大学建筑与土木 工程学lIg g ,l ；K，主要从事钢结构理论与设计研究。 1 3 9 0 4 7 2 4 9 7 0、z h i l i n 6 8 1 9 6 2 1 6 3 c o m ( 栏 目主持杨军) 油气田地面工程( h t t p ： v w y q t d mg c c 。 m) 一1 3