T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究.pdf

Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.3Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.20232023年6 月Vol.45,No.3工程抗震与加固改造第45卷第3期文章编号1002-8412(2023)03-0015-08D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.003T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱一钢梁框架抗震性能研究徐红玉,李奕昂,王新武,刘欢欢”,孙海栗,LlYoungJang（1.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳47 10 2 3；2.洛阳理工学院河南省新型土木工程结构国际联合实验室，河南洛阳471023；3.武汉理工大学，湖北武汉430 0 7 0；4.金乌国立工科大学土木工程学院，韩国龟尾39 17 7）【提要为研究T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁组合框架的抗震性能，设计了一榻由T型件与单边螺栓相连的1：2 缩尺的组合框架，并通过拟静力加载试验对框架的承载能力、滞回性能、刚度退化、耗能能力和延性性能进行了分析，并与一榻T型件单边螺栓连接方钢管柱-钢梁框架进行了对比分析，结果表明：两试件滞回曲线均较为饱满，无明显捏缩，方钢管混凝土柱-钢梁组合框架要比方钢管柱-钢梁框架的承载力高，且初始刚度要高出19%，但其耗能能力和延性均有所降低，两试件加载后期承载力下降均较缓慢，且水平位移达到了层间位移角1/30，表明两试件均具有良好的抗震性。【关键词单边螺栓；T型件；方钢管混凝土柱：抗震性能；拟静力试验中图分类号TU398*.9;TU352.1*1文献标识码 AStudy on seismic behavior of concrete-filled square steel tubular column steel beam framewith T-shaped unilateral bolt connectionsXu Hong-yu,Li Yi-ang,Wang Xin-wu,Liu Huan-huan,Xun Hai-su,Ll Young Jang(1.School of CivilEngineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,China;2.Luoyang Institute of Science and Technology,Henan International Joint Laboratory of New Civil Engineering Structure,Luoyang 471023,China;3.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;4.College of Civil Engineering,Kumoh National Institute of Technology,Gumi-si 39177,Korea)Abstract:In order to study the seismic behavior of concrete-filled square steel tubular(CFST)column steel beam frame structure withT-shaped members connected by unilateral bolts,a 1:2 scale composite frame composed of semi-rigid beam column joints connected byT-shaped members and unilateral bolts is designed and tested under horizontal low cyclic loading.Based on the measured data and testphenomena,the seismic performance indexes of the specimen structure,such as hysteretic performance,skeleton curve,stiffnessdegradation,energy dissipation capacity and ductility,are analyzed,and compared with the test data of a group of T-shaped one-sidedbolted square steel tubular column steel beam frames,The results show that:the hysteresis curves of the two specimens are relativelyfull,with a certain pinch effect;the bearing capacity of concrete-filled square steel tubular column steel beam frame is higher than thatof concrete-filled square steel tubular column steel beam frame,and its initial stiffness is 19%higher,but its energy dissipationcapacity and ductility are reduced;the bearing capacity of the two specimens decrease slowly after loading,and the horizontaldisplacement reaches 1/30 of the inter story displacement angle,indicating that both specimens had good seismic resistance.Keywords:unilateral bolt;T-shaped parts;concrete filled square steel tubular column;seismic performance;pseudo-static testingE-mail:收稿日期2022-11-06基金项目国家自然科学基金（516 7 8 2 8 4）中原科技创新领军人才（2 142 0 0 510 0 0 2）河南省高校科技创新团队（2 1IRTSTHNO010）河南省科技厅科技攻关（2 12 10 2 310 9 6 9）河南省高等学校重点科研项目（2 1B560010）随着我国建筑工业化的不断发展和推进，迫切需要研究适应于装配式施工、抗震性能优越的新型组合结构体系。方钢管混凝土柱由钢管与核心混凝土协同受力，能充分发挥钢材与混凝土两种材料的长处，具有承载力高、塑性及韧性好等特点，可以发Jun.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023162023年6 月工程抗震与加固改造挥出优越的力学性能。T型件连接是我国建筑抗震设计规范（GB50011一2 0 10)1中建议的一种节点连接方式，T型件连接的梁柱节点全部采用高强螺栓连接，一方面可降低工程安装难度，提高施工效率；另一方面也能有效克服焊接所引起的热影响区的不利影响。有研究表明，T型件连接钢框架具有良好的抗震性能，符合抗震设计要求 2-4。为充分发挥方钢管混凝土柱与T型件的优越性能，本文将单边螺栓引人，形成装配式钢管混凝土组合框架。该框架可以充分发挥钢管混凝土柱优越的竖向承载力、T型件连接节点的转动变形能力以及单边螺栓装配化连接能力，实现结构各部件的优势最大化，符合国家装配式钢结构建筑的发展理念。国内外学者对此做了许多有益的研究，Mourad5.6采用了静力加载和循环加载的方式研究了2 种单边螺栓端板连接的节点力学性能。Hossein Agheshlui等 7 对其混凝土方钢管柱中的单个锚固单边螺栓进行了拉伸试验和数值模拟分析，研究了单个锚固单边螺栓的拉伸性能。LiGQ等 8 对方钢管混凝土柱中双螺母锚固单边螺栓的拉伸性能进行了试验和分析，提出一种新的DHABB螺栓T型件连接钢梁-方钢管混凝土柱节点。TahirMM等 9 对单边螺栓连接的端板空心截面钢柱-工字梁柱节点进行了试验与有限元分析。李德山等 10 对方钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点进行有限元分析，通过轴压比、钢管强度等，研究了其对节点承载力的影响。王静峰等 11 对圆钢管混凝土柱高强单边螺栓T型件的初始刚度提出了计算方法和研究。郏书朔等 12 通过静力试验和数值模拟的方法研究对比单向螺栓和常规高强螺栓T型连接节点的破坏模式及抗拉极限承载力。但目前对于T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁半刚性节点及框架研究较少，本文设计了一种T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁框架，通过拟静力试验分析研究其抗震性能，为实际应用提供一定的参考。1试验概况1.1试件设计本文框架模型以多层装配式组合框架中底层的一榻框架作为研究对象。考虑结构试验室的加载能力和场地条件，试件采用1：2 缩尺设计，其试件原始柱距为7 0 0 0 mm，层高为36 0 0 mm，缩尺后柱距为3500mm，层高为18 0 0 mm。方钢管柱内设置内隔板，并在其中心留设直径10 0 mm孔洞，以便浇筑混凝土，柱内混凝土设计强度等级为C30。梁柱节点采用T型件与高强螺栓将方钢管混凝土柱与H型钢梁进行连接；其中T型件腹板与H型钢梁翼缘采用10.9级M16高强螺栓进行连接；T型件翼缘与钢管混凝土柱壁连接采用10.9 级M16嵌套式单边高强螺栓进行连接。本文所使用的嵌套式单边高强螺栓由于外套筒的原因，其标准螺栓孔孔径为2 3mm，连接件开孔孔径远大于常规高强螺栓；在前期研究过程中发现，由于T型件翼缘的螺栓孔径过大，螺栓垫片和螺栓帽会在受力过程中被挤压进入螺栓孔内，导致使T型件过早地进人塑性状态，降低了节点强度。为改善这一状况，将方钢管柱按标准孔径2 4.5mm开孔，而T型件翼缘按螺杆直径开17 mm孔，将外套筒切割与柱壁同厚，从而形成异孔的形式。各构件截面尺寸参数如表1所示，试件整体尺寸如图1所示。表1试件参数Tab.1Specimen size构件类型截面尺寸（mm）材质柱20020010Q235B梁HN250 x12569Q235BT型件210170914Q235B1.2试件材性在试验前，根据国家相关规范 13 对钢材各相应部分截取3支拉伸试样，进行材性试验，材性试验结果取其平均值，如表2 所示。方钢管柱浇筑混凝土时分次预留3个边长为150 mm立方体标准试块，试验当天实测立方体抗压强度平均值f.=36.3MPa。表2钢材材料性能Tab.2Material properties of steel取样t(mm)f,(MPa)f.(MPa)E(GPa)A(%)柱1032846620930628044219635梁925244019932930646320731T型钢1426944719733注：t为厚度；f,为屈服强度;f.为极限强度；E为弹性模量；A为伸长率。1.3试验加载装置与制度通过地锚螺栓将试件固定在试验区刚性地面Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.317徐红玉，等：T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究第45卷第3期HN250 x12569TN2101709143220口2 0 0 2 0 0 1010.9S级M160081单边螺栓3500(a)试件尺寸图M16单边螺栓O柱梁加肋板T型件瓷异孔90705025397239.25210(b）T 型件节点连接图图1试件尺寸（单位：mm）Fig.1Dimension of specimens(Unit:mm)上，在两柱底之间放置一个钢梁以限制柱底滑移；左右柱顶各以2 0 0 t液压伺服作动器施加50 0 kN的轴向压力，轴压比为0.2 4；框架右侧布置了一个10 0 t的作动器，通过4根丝杠和一块加载工字钢相连用来传递水平荷载，水平荷载以推为正；在H型钢梁跨中处安置了一套平面限位装置以防框架出现平面外失稳现象。试验装置如图2 所示。竖向作动器水平限位装置作动器西东图2加载装置Fig.2Loadingdevice在试验开始前进行预加载，用于检测调试系统，在保证采集仪器、作动器、位移计、应变片等均正常后，再进行正式加载。根据规范标准要求 14，采用荷载-位移控制混合加载制度，试验开始后，先由柱顶上方布置的作动器施加50 0 kN的轴向荷载，待框架整体稳定后开始施加水平荷载。实时监测各构件应变的发展趋势，当某一构件首先达到屈服应变后，记录此时屈服位移为，屈服力为F。将荷载控制转为位移控制，以该位移的整数倍作为级差递增加载，每级循环3次，直至试件发生破坏、框架层间位移角达到1/30 或承载力下降至极限承载力的85%以下时，可结束试验，加载制度如图3所示。12+949+746+5+33+14+0.25F+0.75F0AAAA-0.25F-075F-1-3-34-6-5-7-9-9-12力控制位移控制图3加载制度Fig.3Loadingsystem1.4试验测量方案根据研究内容，在框架柱两侧各放置一个与水平作动器中位线等高的位移计（量程2 0 0 mm）来监测框架的整体水平位移；在西柱脚放置一个位移计（量程50 mm）以监测柱脚是否存在滑移，以便及时处理；两侧梁柱节点下方各布置了一个拉线位移计来测量梁柱的相对转角。试件梁柱节点域处布置的应变片主要集中在T型件腹板翼缘交界处与梁翼缘上，同时在柱脚处也布置了应变片，均用来记录构件的应变发展，应变布置如图4所示。为了测量单边螺栓的应变发展情况，对螺杆根部进行铣削处理，在铣削的平面上沿螺杆方向贴上应变片，再涂上环氧树脂进行保护，防止应变片在安装试件和浇筑混凝土时受到损坏，如图5所示2试验现象与试验结果2.1试件现象（1）当位移加载至1=13.3mm时，西上T型件腹板率先达到屈服应变，其余构件暂无明显变形（2）当位移加载至2=2 6.6 mm时，T型件翼缘与柱壁间出现细小缝隙，高强螺栓经摩擦产生了轻Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.2023182023年6 月工程抗震与加固改造XZ8XL5DL5#DZ1位移计位移计拉线位移计DZ4位移计(a)整体测量布置L4L3AY1Y2Y3Y4Y5F3F2F1L2L1AT型件翼缘T型件腹板梁翼缘(b)T型件应变片图4应变测点布置Fig.4Arrangement of strain measuring points图5螺栓应变片布置Fig.5Bolt strain gauge arrangement微的相对滑移。（3）当位移加载至3=39.9 mm时，西柱节点域T型件与梁翼缘产生明显相对滑移，滞回环所围成面积增大明显，试件耗能增强。（4）当位移加载至4=52.2 mm时，东下T型件腹板端部附近梁翼缘内侧屈曲出现起皮见图6（a）,西上T型件腹板出现明显弯曲，梁北侧翼缘出现屈曲见图6（b）、图6（c)。（5）当位移首次加载至5=6 6.5mm时，西侧梁端腹板鼓曲约为15mm，西上T型件腹板和梁翼缘塑性变形明显加剧见图6（d),右柱脚侧面柱壁明显鼓曲，约为6 mm见图6（e），柱脚处出现裂纹。（6）在加载至5第三圈负向过程中，试件发生巨响，西柱柱角裂缝断裂见图6（f)，长度为9.5mm，柱内混凝土有少量掉落。试件承载力下降至最大荷载8 5%以下，且位移计测试数据已超框架层间位移角的1/30，试验停止。2.2应变分析根据试验应变数据可分析试件实时的应变发展趋势，选取了部分应变数据如图7 所示。由图7（a）分析可知：在试验加载过程中，节点处的T型件在传递弯矩时主要受拉压荷载，因此T型件腹板首先达到屈服，随着加载位移增大，T型件腹板处应变增大趋势明显，翼缘应变增长速率缓慢，加载位移至3A时，T型件腹板应变明显增大，塑性发展趋势明显大于其他部位，T型件腹板端部处梁应变增大速率加快，加载位移至4A时，梁翼缘处应变逐步增大，T型件腹板与梁翼缘处开始产生塑性变形，加载位移至5A时，梁翼缘处应力持续增加，T型件腹板和梁翼缘处塑性变形加剧，柱脚侧面柱壁逐渐鼓曲，符合强柱弱梁设计准则。由图7(b)可知，在加载初期，梁端应变较小，但随着加载位移的增大，梁端翼缘的应变迅速增大，且与T型件腹板连接处外侧开始出现塑性铰，避免了由于连接件破坏导致结构的倒塌，符合强节点弱构件的设计原则。由图7（c）可知，单边螺栓均未达到屈服应变，螺栓松弛现象不明显，说明在柱中填充混凝土，也可在一定程度上起到约束螺栓的作用。2.3试件塑性破坏机构通过分析试验采集数据与观察描述试验现象可知，在试验过程中试件塑性机构的发展过程表现为：T型件腹板开始产生屈服变形，梁端应变较小，但随着加载位移的增大，梁端翼缘的应变迅速增大，且与T型件腹板连接处外侧开始出现塑性铰；当加载水平位移至6 4mm级时，T型件腹板变形加剧，梁端与T型件腹板连接处外侧的塑性铰逐渐向周围发展；框架柱脚因加载位移的增大，承受的弯矩随之增大，因此，在加载后期，框架柱的钢材开始屈服和内侧混凝土被压溃产生塑性铰，表明试件具有良好的延性和耗能模式。3试验结果及其分析为了更好分析方钢管混凝土柱一钢梁框架的抗震性能，本课题组在同等条件下完成了一榻纯钢框架试验与其进行对比分析。为了方便表述，方钢管Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.319.徐红玉，等：T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究第45卷第3期十(a)梁翼缘起皮(b)T形件腹板弯曲(c)梁翼缘屈曲(d)塑性变形加剧(e)柱脚底面鼓曲(f)柱脚撕裂图6 试验现象Fig.6Experimental phenomenon混凝土柱-钢梁组合框架编号为试件1,对比的纯钢框架试件编号为2，试件2 的破坏模式为当试件2加载至5A负向时柱脚明显撕裂，试验停止。试验数据如表3所示。表3试验数据Tab.3Experimental data屈服荷载屈服位移峰值荷载峰值位移编号(kN)(mm)(kN)(mm)1261.613.352264.62236.414.445972.73.1滞回性能根据实际测量数据得出水平荷载-位移滞回曲线如图8 所示。两试件滞回曲线均为梭形，正、负方向较为对称，无明显捏缩现象，且在同级同向加载时，两试件的3次加载曲线基本重合，说明两试件的强度与刚度退化不明显，滞回环曲线也较为饱满，说明两试件均表现出良好的耗能能力。对比两试件的滞回曲线可知，加载初期两试件的滞回曲线基本重合，但随着荷载的增大，试件2 的层间侧移增加更加明显，说明钢管内填充混凝土可有效提高框架抗侧刚度，增强框架的承载能力。随着加载位移的不断增大，两试件的滞回环的面积也逐步增大，但试件2的滞回环面积要大于试件1，其原因在于：钢管混凝土柱中的混凝土与钢管互相作用，能有效增强框架的抗侧刚度，使其承载能力有较大程度提升，但也相应地降低了变形能力，导致其耗能能力弱于纯钢框架。在加载后期，随着加载位移的增大，试件1的柱脚承受弯矩也越大，导致其柱脚钢材撕裂，不能继续承载耗能，所以为进一步提升该组合框架的抗震性能，在设计时应适当增强框架柱的钢材强度。3.2骨架曲线由试件水平荷载-位移滞回曲线可得相对应的骨架曲线，能够直观反映试件在加载过程中力学性能的发展历程。通过分析图9 可知，试件1和试件2 的骨架曲线发展趋势相似，都有其明显的弹性段、塑性发展阶段；在同级加载位移下，试件1的承载能力一直优于试件2；在极限状态时试件1的极限承载力比试件2 提升了16.2%，说明方钢管柱内浇筑混凝土增强了试件的侧向刚度，使得其承载力提升；当试件1的水平荷载加至0.7 Fmax（Fma x 为峰值荷载，即水平荷载的最大值）、试件2 加载至0.82Fmax附近时，两试件开始进人弹塑性变形阶段，随着加载位移的增大，两试件的塑性变形也逐渐增大，各构件的抗侧刚度逐渐减小，其骨架曲线斜率增幅逐渐变缓。两试件的骨架曲线在加载后期均未出现明显下降，表明两试件具有较好的抗震延性。JunEarthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023202023年6 月工程抗震与加固改造5000西下F2西上F2西下Y2西上Y2-5000-10000-15000-2000023454/4y(a)T形件应变4000西上L1一西下L1-一西下L2一西上L3西下L2一西上L320000-2000-4000-6000-800023454/4,(b)梁应变2000LS1-LS2-LS3150010005000-500-1000-1500-200023454/4y(c)螺栓应变图7应变图Fig.7Strain chart3.3刚度退化刚度退化反映了结构在试验加载中的损伤程度，是研究结构抗震性能重要的指标。采用割线刚度K，来评估试件的刚度退化，按式（1）计算。I+F,I+1 F,!KI+4,1+I-A,I(1)式中：F，为第j级加载时对应加载循环点的正负向600一试件1一试件24002000-200-400-60080-60-40-200204060804(mm)图8滞回曲线Fig.8Hysteresis curve600厂一一试件1一一试件2400200(N0-200-400-60011-80-60-40-200204060804(mm)图9骨架曲线Fig.9Skeleton curve水平荷载峰值；，为第j级加载时对应加载循环点的正负向侧移峰值。试件1和2 的刚度退化曲线如图10 所示。从图10 可知：试件1、试件2 的初始刚度分别为2 0.3kN/mm、17.1k N/m m，试件1的初始刚度比试件2 提高了19%，试件1、2 的整体破坏刚度分别为8.0 kN/mm、6.2 k N/m m，试件1较试件2 的整体破坏刚度提高了2 9%，由此说明在方钢管柱内浇筑混凝土可有效增加框架的抗侧刚度，试件1和试件2 每级间刚度退化速率分别为2 4.4%、18.2%、19.2%、2 1.1%和2 1.7%、2 3.6%、2 2.1%、2 1.9%,数据显示两试件的刚度退化趋势相似，刚度退化曲线速率较为平缓，表明试件1和试件2 均有良好的延性。3.4耗能能力本文通过累积耗能、等效黏滞阻尼系数来对试件耗能能力进行评价。从累积耗能图11（a）可知，在加载初期，两试件均处于弹性工作阶段，耗能较2023Vol.45,No.EarthquakeResistant Engineeringand Retrofitting21徐红玉，等：T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁框架抗震性能研究第45卷第3期25试件2一试件120(uu/N)X151050123456加载位移4图10刚度退化Fig.10Stiffness degradation小；随着加载位移的增加，T型件腹板与横梁连接处的高强螺栓在拉压循环作用下逐步克服摩擦产生相对滑移，梁端与T型件腹板开始出现塑性变形，滞回环围成面积明显增大，试件耗能增大；试验加载至后期时，试件1因T型件和梁产生了较大塑性变形、柱脚开裂与柱内混凝土的压溃，导致了耗能增长趋势下降。由于试件1柱内填充的混凝土的作用使试件1的侧向刚度增大，削弱了变形能力，所以导致试件1耗能能力弱于试件2，但总体来说两试件耗能能力较为优越。从等效黏滞阻尼系数曲线图11（b）知，试件1在前期加载时，因柱内混凝土使试件1抗侧刚度提升，等效黏滞阻尼系数曲线增长趋势较试件2 小，在加载至2 时，试件1比试件2 的等效黏滞阻尼系数要低30%，至后期加载过程中，等效黏滞阻尼系数峰值要低2 0%。3.5延性评价延性是反映结构塑性变形能力的重要表征，本文采用位移延性系数来评价试件延性。计算公式如式(2)所示。u=ou/o,(2)式中：8.为试件极限水平侧移；8，为试件的屈服位移；采用“等效弹性刚度法”来确定试件的屈服位移8,和屈服荷载P，如表4所示。表4延性系数Tab.4Ductilitycoefficient试件编号8,(mm)8.(mm)126.6364.62.42227.9872.72.59由表4可知：两试件的延性系数相差不大，但试120试件1试件2100806040200123456加载位移4(a)累积耗能0.8试件1一试件20.60.40.20123456加载位移4(b）等效黏滞阻尼系数图11耗能系数Fig.11Coefficient of energy consumption curve件1的层间侧移相对试件2 减小了11.14%，说明柱内浇筑混凝土能有效提升试件的抗侧刚度和承载能力。试件1和试件2 的层间位移角均超过罕见地震水平作用下的框架层间位移角限值0.0 33rad，表明两试件均有较好的变形能力。在试验后期，两试件承载力下降较缓慢，表明两试件具有较好的抗震延性。4结论本文通过试验研究了一T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁组合框架的抗震性能，并与纯钢框架做了对比分析，得出主要结论如下：（1)该框架可以充分发挥钢管混凝土柱优越的竖向承载力、T型件连接节点的转动变形能力以及单边螺栓装配化连接能力，实现结构各部件的优势最大化，符合国家装配式钢结构建筑的发展理念。(2)T型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱-钢梁组合框架承载力高、具有良好的耗能能力及变形能力。框架的塑性破坏机构的发展过程为T型件腹板、梁翼缘处和柱脚相继产生成塑性铰，属于理想Jun.Earthquake ResistantEngineeringandRetrofitting2023222023年6 月工程抗震与加固改造的塑性铰破坏机制。（3)T 型件单边螺栓连接方钢管混凝土柱一钢梁组合框架因混凝土与钢管相互作用，使试件具有更高的抗侧刚度和承载力，但也由于框架柱的侧向刚度的增大，导致试件的柱脚在较大弯矩作用下出现撕裂，削弱了试件延性与耗能能力，因此在设计应用此类框架时，应适当增强框架柱的钢材强度。参考文献(References)：1GB50011-2010,建筑抗震设计规范 SGB 50011-2010,Code for seismic design of buildingsS(in Chinese)2王新武，李捍无，蒋沧如，等剖分T型钢梁柱连接的滞回性能试验研究 J.华中科技大学学报（城市科学版），2 0 0 3，2 0（2）：48-49Wang Xin-wu,Li Han-wu,Jiang Cang-ru,et al.Experimental study on hysteretic behavior of split T-shaped steel beam-column Connection J.Journal ofHuazhong University of Science and Technology(UrbanScience Edition),2003,20(2):48-49(in 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