新型组合结构梁柱节点的试验研究.doc

新型组合结构梁柱节点的试验研究
摘要：提出了一种新型的端板螺栓连接的钢混凝土组合梁、连续复合螺旋箍混凝土柱节点。这种节点的构造为：组合梁混凝土中的负钢筋贯通节点核芯区，而组合梁的钢梁部分靠带肋板的端板、长杆高强螺栓连接，节点核芯区设立钢板箍代替普通的箍筋。此节点构造简单、便于施工。为了研究其抗震性能和破环机理，对这种节点进行了足尺的拟静力试验和模拟节点核芯区的试验。介绍了试验情况，对节点的强度、延性、滞回性能进行了分析。结果表明该节点属于典型的梁铰破坏，具有较好的耗能能力。根据实验提出了构造建议与核芯区承载力公式。
关键词：节点 端板 组合梁 连续复合螺旋箍 抗震性能 拟静力试验
中图分类号: TU398+.9 文献标识码: A
Study on a new type of composite structure joint
Abstract: A new type of endplate bolted connection of Steel-Concrete composite beam and Continuous Compound Spiral Hoop reinforced concrete column is presented, such joint detailing is that the rebar in the negative moment zone in the composite beam is linked up and the steel beam part of the composite beam is connected by the end-plate with stiffener plates and long shank bolts, and in the core zone of the joint the steel plate hoop replaces the normal hoop reinforcement. The joint is simple and convenient in the construction. In order to study seismic behavior and failure mechanism of the joint, the quasi-static tests are carried out on the full-scale specimen and simulating core zones specimen. The detail of test is introduced, the results indicate that the failure of the joint belongs to typical beam hinge failure and the joint has a good consuming energy capability. The configuration and the bearing capability formula of the core zone are presented according to the test.
Keywords: Joint Endplate Steel-Concrete Composite beam Continuous Compound Spiral Hoop
　　　　　Seismic capability Quasi-static test
1 前言
　　随着科学技术的进步和发展，许多高层建筑采用了技术先进的钢管混凝土结构、型钢混凝土结构等组合结构形式。本文提出应用高强复合连续螺旋箍约束钢筋混凝土柱(简称CCSHRC柱)、钢与混凝土组合梁和组合节点所组成的组合结构。此体系与一般的混凝土结构体系相比，不仅使用功能好，而且施工快捷，与钢框架体系相比具有造价低的优点。尤其在我国建筑钢材产量逐年递增的时候，组合梁－连续复合螺旋箍柱体系的提出符合建设部提出的建筑产业化及大力发展建筑用钢的要求。钢与混凝土组合梁经清华大学聂建国等研究，其成果已经列入规范或规程；复合螺旋箍柱经西安建筑科技大学系统的研究，分别应用在西安、成都、北京、福建等地的工程。如今CCSHRC柱、组合梁结构体系的关键问题是需要解决梁柱节点的构造和设计计算。本文介绍了一种适用于此体系的端板螺栓连接的组合梁、CCSHRC柱的节点和相关的实验研究情况。
2 端板螺栓连接的组合梁、CCSHRC柱节点试验研究
2.1 试件的概况
　　梁柱试验试件采用1：1模型，节点的构造如图1所示。另外为研究高轴压比情况下节点核芯区的工作性能，又分别设计了模拟核芯区受力的补充节点试件LJDB01，如图2所示。各试件的概况列入表1，具体尺寸及配筋见图1、图2。
表1 节点试件概况
Table 1 Specimen general situation
试件编号
跨度
(mm)
层高
(mm)
SPRC柱
SC梁
节点核芯区
截面尺寸
(mm)
主筋配筋率(%)
箍筋配筋率(%)
（宽×高）mm
螺栓8.8级
LJD01
3300
3250
400×400
3.68
1.0
380×450
8M30
LJDB01
——
——
150×150
2.01
——
——
4M20

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　图1 试件LJD01 (Figure 1 Configuration of Specimen LJD01)　　　图2 试件LJDB01 (Figure 2 Specimen LJDB01)
2.2 加载装置、测点布置与加载制度
　　实验采用电液伺服结构试验机进行低周反复循环加载—拟静力试验方法。采用柱端加载方式，如图3所示。为测定构件在受荷过程中的变形和节点核芯区的转角延性、剪切延性、曲率延性布置如图4所示的位移计和百分表。本试验采用力-位移混合控制加载。参考《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101-96）制定本节点的加载制度如图5所示[①][②]。

　　　　　　　　　　图3 实验装置图 　　　　　　　　　图4 位移计及百分表布置图 　　　　　　　图5 力-位移混合控制加载图
　Figure 3 Test setup Figure 4 Arrangement of displacemeters ＆ gauges Figure 5 Force-displacement mixed control loading law

3 足尺梁柱节点试件试验结果
3.1 加载破坏过程
　　试件LJD01做了两次实验，首先研究试件LJD01在不受轴力作用，而仅受柱端横向力作用时的性能，然后对柱子施加1200KN的轴向力，再研究柱子在此情况下受往复循环水平力作用时的受力性能。
　　在试件LJD01的第一次试验中，参考山田裕等人做的有关钢梁混凝土柱螺栓连接节点的试验[③][④]，我们对螺栓施加较小的预拉力，使螺栓的拉应变在200微应变左右。当柱顶水平作动器内力达到推85kN时，承受负弯矩作用的一侧梁的混凝土出现了与组合梁轴线垂直的第一道裂缝。在后面的荷载循环过程中，出现了组合梁的钢翼缘在受压时发生轻微屈曲、受拉时又重新被拉直的现象，同时组合梁两侧的钢腹板也出现了轻微的屈曲现象。试件LJD01在不受轴力作用下试验情况如图6所示。

　　在试件LJD01的第二次试验中，考虑到本文的外伸端板和钢板箍减小了节点区混凝土的局部压力，另外为了避免端板在水平荷载较大的情况下，出现与柱表面的张开，我们对螺栓施加较大的预拉力，使螺杆应变保持在800微应变左右。在施加1200kN轴力、及50kN的水平循环荷载过程中，未见原组合梁的混凝土裂缝的张开。当柱顶水平作动器内力达到推110kN时，承受负弯矩作用的一侧梁的混凝土原有的与组合梁轴线垂直的裂缝重新张开。当柱顶横向力达到180kN时，组合梁出现了明显的钢翼缘在受压时屈曲、受拉时又重新被拉直的现象，同时组合梁两侧的钢腹板也出现了明显的屈曲现象。当柱顶横向水平力达到225kN时梁一侧的端板加劲肋出现了焊缝的撕裂，此时组合梁上被压碎的混凝土大片剥落，梁中被压屈的钢翼缘也不能被拉直。在后面的荷载循环中，梁的混凝土剥落使梁的主筋被暴露（如图7所示）。最后组合梁的下翼缘被拉裂（如图8所示），柱头有很大的水平位移，停止本次试验。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7 试件LJD01的破坏图　　　　　　　　　　　　　　图8 试件LJD01钢梁的拉裂
　　　　　　　　　　　Figure 7 Failure of specimen LJD01　　　　Figure 8 Fracture of the lower flange in specimen LJD01
3.2 柱顶水平力与层间位移的荷载位移滞回曲线
　　试件LJD01在受1200kN轴力作用下的柱顶荷载与层间位移的滞回曲线如图9所示，曲线是相当饱满的。
　　层间位移延性系数为： ；
　　层间位移为h/26，h为层高；
　　实验中梁的塑性角发生在半倍的梁高范围内，在距节点400mm处梁截面的转角延性系数为：；

　　节点的能量耗散系数为：E＝43/22=1.95
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9 柱顶荷载与层间位移的滞回曲线(有轴力)
　　　　　　　　　　　　　Figure 9 load-deflection hysteresis loops (under axial compression)
4 模拟节点核芯区试验结果
　　当水平荷载为100kN时，试件LJDB01在弹性阶段变化。当水平横向荷载达到200kN时，钢板箍有压屈现象（如图10所示）。螺栓的存在限制了钢板箍的屈曲，核芯混凝土处于三向受压状态，构件的滞回曲线非常饱满，呈理想的梭形（如图11所示），具有良好的耗能性能。当横向位移变大时，荷载没有下降。

　　　　　　　　　　　　　　　　图10 试件LJDB01破坏图 　　　　　　　　　图11 试件LJDB01的荷载位移滞回曲线
　　　　　　　　　Figure 10 Failure of Specimen LJDB01 Figure 11 load-deflection hysteresis loops of Specimen LJDB01
5 实验结果分析及建议
5.1节点核芯区抗剪承载力计算值与实验值对比
　　对于端板螺栓连接的节点，根据模拟核芯区试件的抗剪试验与足尺试件试验结果，实测钢板箍应变分布中间大而两边小，高强螺栓通过端板施压于核芯区混凝土。钢板箍与高强螺栓施压都对混凝土侧向产生约束，提高了混凝土的受压承载力，综合考虑二者作用，体现在计算公式的系数与约束混凝土强度 ，据此提出端板螺栓连接的组合梁、复合螺旋箍混凝土柱节点抗剪承载力公式如（1）式所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)
　　式中 、 为节点的宽度和高度；N为柱子的轴力，实际工程设计时，当 时取 ，当N为拉力时，取N＝0； 为约束混凝土的强度，按式（2）计算：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　式中1.4是考虑螺栓预拉力对混凝土和钢板箍的约束作用； 为钢板箍的体积配箍率； 、 分别为钢板箍与混凝土的强度。
　　将实验中对试件的节点核芯区所施加的剪力及按公式（1）计算的节点核芯区的抗剪承载值列入表2，对于足尺试件：按式（1）计算的抗剪承载力较实验值大0.5％，这是合理的，因为足尺试件试验中发生的梁铰破坏，并非节点核芯区的剪切破坏，故足尺试件节点核芯区实际承剪值比实验所测值还要大；对于模拟节点核芯区试件：由于实验中试件基座发生破坏，真正的实验所测抗剪承载力值还应该增大，接近式（1）计算值。
表2 抗剪承载力计算值与实验值对比
Table2 Comparison between calculation value of shear capacity and test value of shear capacity
试件名
实验所测S(kN)
按公式（1）计算值T（kN）
T值/S值
LJD01
1434.2
1441.7
1.005
LJDB01
272.9
292.2
1.07

5.2构造建议

　　本试验梁端的混凝土部分非封闭箍筋采用 ，出现了梁混凝土压碎与剥落、梁的负钢筋露出且被压弯的现象，故梁端接近节点区的梁箍筋应封闭、加密,建议采用 。节点核芯区分为有钢板箍约束部分和无钢板箍约束部分，对于有钢板箍约束的核芯区混凝土部分，不需要另外设置构造箍筋，其本身有较强的承剪能力；对于无钢板箍约束的核芯区混凝土部分，建议设置以下的抗剪构造箍筋，沿柱轴线方向设置 的复合箍，复合箍的形式同柱箍筋，材料为高强钢丝。
6结语
　　1. 试件的层间位移延性系数达到4.0，能量耗能系数达到1.95，充分说明端板螺栓连接的钢－混凝土组合梁、连续复合螺旋箍混凝土柱节点有较好的耗能与延性。 2. 模拟节点核芯区实验表明：钢板箍能充分发挥其约束作用，且节点核芯区有较好的耗能性能，由于基于实验的节点核芯区承载力公式中约束混凝土的抗剪系数较一般节点高，说明节点核芯区有较强的抗剪承载力，容易设计出“抗震规范”要求的强节点。
参考文献:
--------------------------------------------------------------------------------
[①]中华人民共和国行业标准. JGJ101-96. 建筑抗震试验方法规程[S]. 北京:建筑工业出版社. 1997
[②]邱法维, 钱稼茹, 陈志鹏. 结构抗震实验方法[M]. 北京:科学出版社. 2000
[③]山田裕, 中野和久, 西村泰志, 南宏一. 長締め高力ボルト引張接合にょる混合構造の柱はり接合部の彈塑性舉動, 日本建築學會大會學術演講梗概集[J], 1705～1706, 1994.9
[④]山田裕, 西村泰志, 南宏一. 長締め高力ボルト引張接合にょる混合構造の柱はり接合部の彈塑性舉動, コンクリ—ト工學年次論文報告集［J］. 1879～1880, 1994.2
第一作者：马宏伟 男 1973年10月出生 博士 讲师, 收到日期:2003.3.20.