钢—混凝土组合节点性能试验研究.pdf

第 3 7卷第 2期 2 0 1 1 年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 49 钢-=-_混凝土组合节点性能试验研究 曾晓文 ， 张咏梅 ( 九江学院土木与城建学 院， 江西 九江3 3 2 0 0 5 ) 摘要： 近几十年来， 钢管混凝土结构在土木工程的各个领域得到广泛应用。在高层和超高层建筑中， 由于钢管混凝土柱的 特殊构造 ， 促进 了研究者对梁一柱连接 方面的研 究。 目前 ， 工程 实践 中采用 的节点型式 多种多样 ， 各种 特性不一 的节 点型式 ， 在引入框架设计 时， 大都假设为刚接或 铰接 节点 ， 这与节点 的受力特性有 一定 的差 异。通过对组合 梁一 钢管混凝 土节点 的静 载试验 ， 模拟钢一 混凝土组合梁一钢管混 凝土 柱节 点 区域 负 弯矩特 性 ， 研究 节点 的受 力性 能 ， 并 将所 测得 的节点 区域梁 、 钢 柱 、 核心混凝土等的试验结果与有 限元分析进行 比较 、 校核 ， 修正 有 限元 分析 模型 ， 寻求这 种组合 结构受 力时 的一些规律 ， 为 工程 实践 提供指导作用 。 关键 词 ： 组合节点 ； 静载试验 ； 比较 中图分 类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 20 4 9 0 3 T h e a n a l y s e s o n j o i n t p e r f o r ma n c e o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s t r u c t u r e ZENG Xi a o we n Z HANG Yo n g me i ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d U r b a n C o n s t r u c t i o n ， J i u j i a n g U n i v e r s i t y ， J i u j i a n g 3 3 2 0 0 5， C h i n a ) Abs t r a c t： Th e s t e e l c o nc r e t e c o mp o s i t e s t r uc t ur e h a s b e e n wi de l y u s e d i n a l l fie l d s o f c i v i l e n g i n ee rin g r e c e n t l y， f or i t S s p e c i fic i t y t h e s c h o l a r s s t u d i e d t h e c h a r a c t e ris t i c s o f b e a m c o l u mn c o n n e c t i o n a r e a i n t h e h i g h r i s e a n d u l t r a h i g h r i s e b u i l d i n g s A v a rie t y o f n o d e t y p e s h a v e b e e n a d o p t e d i n e n g i n e e ri n g p r a c t i c e I n t h e f r a m e w o r k d e s i g n i n g ， t h e d i ff e r e n t n o d e t y p e s 3 e a s s u me d t o b e r gi d o r h i n g e d n o d e mo s t l y ， t h i s i s d i ff e r e n t f r o m t h e n o d e c h a r a c t e ri s t i c s I n t h i s s t u d y ， i n o r d e r t o s i m u l a t e a n d i n v e s t i g a t e t h e j o i n t n e g a t i v e m o m e n t p e rf o r m a n c e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m a n d s t e e l t u b e c o n c r e t e p o l e ， t h e e x p e ri m e n t r e g a r d i n g t h e c a p a c i t y o f t h e s t e e l c o n c r e t e j o i n t u nd e r s t a t i c l o a d i ng wa s c o n du c t e dBe s i d e s， a fin i t e e l e me n t a na l y s i s wa s a l s o pe rfo r me d By c o mpa r i n g t he e x p e rime n t a l a n d nu me rie M r e s u l t s， fini t e e l e me n t mo d e l o f t hi s c o mp o s i t e s t r uc t ur e wa s v e rifie d a nd i mp r o v e d； s o me g e ne r M c o n c l us i o n r eg a r di n g t hi s c o mp o s i t e s t ruc t ur e wa s ma d e Thi s s t u d y pr o v i d es a g o o d g ui da n c e f o r e ng i n e e rin g pr a c t i c e Ke y wo r d s： c o mp o s i t e j o i n t ； i mmo v a b l e l o a d e x a mi n a t i o n ； c o mp a r e 0 引 言 组合钢筋混凝土结构 由于其节约钢材重量 、 减 小基础埋置深度、 加快 施工进 度的优点 ， 近几 十年 来 ， 在土木工程 的各个领域得 到广泛应用。在高层 和超高层建筑中， 由于钢管混凝土柱的特殊构造 ， 促 进 了研究 者对梁一柱连 接方 面的研究。在设计 时， 混凝土的作用往往被忽略， 设计校核也仅仅考虑 钢结构 节 点部分 。然 而 ， 研究 者发 现 ， 考虑 混凝 土 楼 板的贡献带来的好处很多， 如梁 自重的减轻、 梁高度 以及结构总高度的减少 、 使用荷载下柱周围的裂缝 因楼板配筋 的增加而减轻等 J 。 作者对组合梁一钢管混凝土柱节点进行了静载 试验 ， 模拟钢一混凝土组合梁一钢管混凝土柱节点 区域负弯矩特性 ， 研究节点 的受力性能， 并将试验结 果与有限元分析进行 比较 、 校核 ， 修正有限元分析模 收稿 日期 ： 2 0 0 9 -0 5 1 5 作者简 介： 曾晓文 ( 1 9 7 4一) ， 男 ， 江西 吉安人 ， 讲 师 ， 主要从 事建 筑结 构研究 。 E ma i l ： z e n g x wc w s o h u c o rn 型。对该节点的研究 ， 有助于框架节点研究 ， 指导工 程 中组合梁柱节点设计 ， 具有一定的实际意义。 1 试验方案 1 1 试 件 的设计 与 制作 模型组合中节点的柱为钢管柱 ， 取钢管 + 1 5 9 5， 梁为混凝土板组合 梁， 钢梁 和钢柱分别采用 英 国型钢规范( B s 4 ) 中型号为 2 5 41 0 2 U B 2 5和 2 0 3 2 0 3 U C 4 6的型钢。组合梁 中的混凝土板厚 1 1 0 m m， 板宽 1 0 0 0 m m。端 板厚度 1 0 m n ， 螺栓屈服力 为 6 6 0 MP a 。模型悬臂梁长为 1 3 0 0 mm( 柱翼缘边 至梁末端的距离 ) 。混凝 土翼板厚度取 1 2 0 i n m； 梁 长和柱高按近似反弯点位置选取 ， 同时考虑加载设 备 ， 柱上取 1 0 5 m， 柱下取 0 7 5 m 。 1 2材料性能试验 选取 2段( 3 0 0 m m) 加工钢管混凝 土柱剩下 的 空钢管 ， 进行钢管短柱受压试验 ； 在钢梁腹板和翼缘 以及钢管上取样 ， 进 行钢条抗拉试验。混凝土使用 商品混凝土 ， 并 留置 同条 件养护 试块 1 0 01 0 0 1 0 0的 3组， 进行抗压强度试验 。有关数据见表 l ， 2 。抗剪连接件采用 圆柱头焊钉 + 1 6 9 0， 屈服强度 四川建筑科学研究 第 3 7卷 平均值 6 6 0 M P a ， 抗拉强度平均值 7 8 0 MP a 。 表 1 钢材材料参数 Ta bl e 1 Par a me t e r s o f s t e e l ma t e r i a l 表 2 混凝土材料参数 Ta b l e 2 Pa r a me ter s o f c o n c r e t e m a t e r i a l 桩 撇 MP a MP a MP a 比 粘 力 强度 强度 角 0 混凝土 2 5 5 2 3 2 3 2 E+4 0 2 6 1 8 8 。3 1 8 5 8 1 3 加载方法与试验设备装置 本试验采用不同加载方式 ， 具体分为单调加载 、 重复加载 、 反复加载。试验时 ， 在柱顶部施加一定的 轴力并保持稳定 ， 柱底用钢 固支与基础梁连接。梁 两端用 M T S电液伺服加载系统施加竖直向下 的荷 载。其数据通过 M T S伺 服加载系统进行 自动采集 并输出， 可以在加载过程中进行实时监控。 2 试验结果分析 梁两端对称加 载， 加 载点 的 中心 到钢管 壁 为 1 1 5 c m。当荷载约是 4 0 k N， 节点 区域混凝土翼板 开始出现裂缝， 裂缝方向沿混凝土翼板宽度方向。 约在 6 5 k N时 ， 靠近节点区的梁端腹板开始屈 服 ， 下翼缘与管壁的接触处， 开始屈服 ， 有明显的 吱 吱声 ； 9 0 k N时， 节点区域的腹板和下翼缘发生 明显 的屈曲变形。 继续加载， 由于试验前没有预测准位移控制载 荷， MT S在继续加载时， 由于设置 了 1 0 mm位移 自 保护 ， 进而加载结束 。 2 1 节点区梁的应变分布 从图 1中可以看出， 上翼缘属受拉区， 随着荷载 增大 ， 应变值逐渐增大 ， 5 0 k N前 ， 基本呈线性变化 ， 6 O 7 0 k N后 ， 应变突然明显增大 ， 进入另一个线性 变化阶段。可能是混凝土出现裂缝 ， 应力重分布 ， 弹 性中和轴下移 ， 逐渐进人塑性阶段。 图 1 上翼缘荷载一应变 Fi g1 Lo ad- s t r a i n o f t op fla ng e 从图 2中可以看出， 下翼缘纵向应变随梁端加 载 ， 均匀受压且逐渐增大。在 7 5 k N以前 ， 基本呈线 性变化 ， 7 5 k N之后 ， 逐渐屈服 ， 与材料试验设计值 是相符的。6 屈服速度要快一些， 主要原 因应该是 处在加强环区， 节点首先在这里破坏。5 纵向受拉 ， 应变值很小。 至 、 锚 握 图 2下 翼缘 测点 的荷 载 一 应 变 F i g 2 L o a d - s t r a i n o f l o we r fl a n g e 从图 3中可 以看 出， 8 ， 5 ， 2 是一 组， 位 于 中 层 ， 应变值 比较大 ； 7 ， 4 ， l 是一组， 位于上层 ， 应变 值相对较小 ， 且普遍受压。图 3中上翼缘受压 ， 说明 弹性 中和轴在上层测点和翼缘之间与最初的设计基 本是相符的。 1 8 0 6 0 4 I + 8蝴 向。、 1 =： = l 蓬 兰 图 3腹 板 纵 向 荷 载一 应 变 Fi g 3 Lo a d s t r ai n o f we b 从图 4可以看出， 8 与 1 1 对称 ， 应变值不同， 其 原因可能是多方面的， 首先 由于测点接近节点区， 节 点区的其他板件， 如上下加强环、 端板等都将对截面 的应变分布产生影响； 其次 ， 是 由于梁实际加载难 以 保证严格对称同步。 图 4腹 板 竖 向应 变 Fi g 4 Ve r t i c al s t r ai n o f we b 2 2混凝 土应变 分布 图 5中混凝土上表面 6 测点， 应变 为正值 。上 表面 5 ， 2 测点开始受拉 ， 约在 5 O6 O k N时， 转 为 受压 ， 2 最后又受拉 。混凝土下表 面 5 ， 6 测点 ， 一 直受压 ， 观察试验加载时 ， 混凝土裂缝并没有开裂到 曾晓文 ， 等 ： 钢一 混凝土组合节点性能试验研究 5 l 底端。 一 混 凝土 上表 面6 混凝土侧面2 0 # 卜 混 凝土 上表 面5 *一 混 凝土 上表 面2 一 一一 混 凝土 下表 面5 一一 混凝土下表面6 图 5 混凝土表面荷载一 应变 Fi g 5 Lo ad- s t r a i n o f c o nc r e t e 2 3 钢管柱应变分布 图 6中， 梁端加载 时， 柱上一直保持着 3 5 0 k N 轴压 ， 3 l 远离节点区， 基本不受节点 区的影 响， 梁上 的剪力传递过来 ， 应力值逐渐增加。 1 0 0 8 0 6 0至 、 搿 4 0 妲 2 0 0 - O 0 - 6 UU - 4 0 U 一 2U U U 应变，f E ) 图 6 钢管壁上竖 向荷载一应 变 Fi g 6 Ve r t i c al l o ad s t r a i n o f s t e e l t ube 图 7中 2 3 ， 2 5 位置对 称 ， 变化是相 同的； 3 1 ， 2 9 位于节点对称轴上 ， 2 9 比 3 1 变化较小 ； 3 O 位于 受压 梁翼 缘正 下方 ， 变化 较快 。 ： ： ： I ： 0 1 O0 2 00 3O 0 4O 0 应 变 ( E 。 ) 图 7 钢管壁上水平荷载一 应变 Fi g 7 Le v e l l o a d- s t r a i n o f s t eel t ube 3 试验结果与有 限元 比较分析 图 8是钢管壁上测 点应变分 析。在柱 上加 载 时， 有限元与实测应变值呈线性 变化 。图 9是混凝 土翼板侧面测点应变的分析 比较 。5 0 k N之前 ， 基 本相符 ， 5 0 k N之后 ， 偏差较大 ， 说 明含有混凝土 的 有限元模拟与实际受力行为还有一定 的偏差 ， 需要 进一步研究。 4 结 语 本文通过对组合梁一钢管混凝土柱节点模型试 图 8 钢管柱柱 壁应变分 析比较 Fi g 8 Co mpar e d s t r a i n o f s t ee l t u be U lUU ZUU jUU 应变 ( E ) 图 9混凝土侧 面应变分析 比较 Fi g 9 Compa r ed s t r a i n o f c onc r e t e 验 ， 分析 了在不同的加载模式下 ， 这种节点的应变分 布 、 变形规律 ， 并将这些结果与有限元计算值进行 比 较 ， 发现有限元计算模 型可 以模拟钢材屈服前 的阶 段 ， 屈服后试验值与有限元计算差距较大 ， 但变化规 律大致相 同。 通过试验分析 ， 得出以下结论 ， 在实际工程中能 起到指导作用。 ( 1 ) 试验表明， 节点 区以外钢 管壁上和钢梁上 的受力状况符合力学假设 ， 但节点区域受力复杂 ， 已 经不再符合 已有的力学模型。 ( 2 ) 钢管壁上的纵 向应变、 横 向应变 的变化 ， 符 合力学假设 ， 在节点区内， 由于腹板参与作用 ， 数值 会有一定差异。 ( 3 ) 梁上翼缘与 混凝 土接触 ， 应变分布 比较复 杂 ， 栓钉起着关键作用 。 ( 4 ) 梁端加载时 ， 钢管壁上与翼缘交界处 的主 应力， 在下翼缘受压 区增大 明显 ， 受拉区增 幅很小 ， 所以， 翼缘受压区交界处为承载能力控制位置。 参 考 文 献 ： 1 邵永松 ， 暴伟 ， 刘洪波 ， 谢礼立 部分端板 连接梁柱组合节点 抗弯承 载力计算 J 沈 阳建筑 大学学报 (自然科学 版 ) ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 5 0 5 -5 1 0 2 陈东 ， 王清远 ， 王 志字 平齐 端板半 刚性组合 节点 的有限元 分析 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ( 2 )： 5 7 - 6 0 3 潘建荣 ， 王湛 ， 张吉 框架 组合梁 柱节点 的非线性 有限元 分析 J 西安建筑科技大学学报(自然科学版 ) ， 2 0 0 9 ( 5 ) 4 l Ji T Q， N e th e r e o t D A， C h o o B S B e h a v i o r o f F l u s h E n d -p l a t e Co n n e c t i o n s t h Un b a l a n c e d Mo me n t a n d V a f a b l e S h e a r Mo me n t R 砒 i o s I E x p e ri me n t a l B e h a v i o r J 1 J o u rna l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 1 9 9 6 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 2 5 1 6 4 加 如 0 、 繇糖