CFST柱-RC環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

楊 芳,季 韜,戴益華

(1.福建工程學(xué)院,福建福州 350108;2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建福州 350108,3.福建建工集團(tuán)總公司,福建福州 350003)

CFST柱-RC環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

楊 芳1,2,季 韜2,戴益華3

(1.福建工程學(xué)院,福建福州 350108;2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建福州 350108,3.福建建工集團(tuán)總公司,福建福州 350003)

文章對(duì)鋼管混凝土(CFST)柱-鋼筋混凝土(RC)環(huán)扁梁中節(jié)點(diǎn)(JF-1、JF-2)這2個(gè)節(jié)點(diǎn)在靜載和低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果從承載力和變形能力兩方面進(jìn)行分析,并對(duì)環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)在破壞形態(tài)、延性、耗能能力等方面進(jìn)行研究。試驗(yàn)研究結(jié)果表明,在地震區(qū)推廣應(yīng)用采用CFST-RC環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系具有較強(qiáng)的可行性。

環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn); 靜載; 低周反復(fù)荷載; 破壞形態(tài); 延性

在高層建筑結(jié)構(gòu)中,采用鋼管高強(qiáng)混凝土柱具有滿足柱軸壓比限值,減少柱截面尺寸、增大建筑使用面積,提高結(jié)構(gòu)延性等優(yōu)點(diǎn)[1]。在鋼管混凝土柱高層建筑中采用鋼筋混凝土樓蓋具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。解決好鋼筋混凝土梁與鋼管混凝土柱的連接是這種結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。可采用的連接形式有雙梁 -抗剪環(huán)連接、環(huán)梁-抗剪環(huán)連接、雙梁 -環(huán)形牛腿連接和環(huán)梁 -環(huán)形牛腿連接等[3-4],其中,環(huán)梁 -抗剪環(huán)連接的形式簡(jiǎn)單、方便施工,已有學(xué)者對(duì)其受力性能開(kāi)展了一些研究[5-11]。但是,迄今為止,還未見(jiàn)采用CFST-RC環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)的工程實(shí)例,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這類節(jié)點(diǎn)性能的研究也極其少見(jiàn)。

CFST-RC環(huán)扁梁結(jié)構(gòu)體系同時(shí)具有鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)體系和鋼筋混凝土扁梁結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn),有較廣泛的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)制作了兩個(gè)鋼管混凝土(CFST)柱-鋼筋混凝土(RC)環(huán)扁梁中節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)稱環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)),節(jié)點(diǎn)試件編號(hào)為JF-1、JF-2,JF-1和JF-2是相同配筋、截面尺寸和材料強(qiáng)度的節(jié)點(diǎn)試件。對(duì)環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和低周反復(fù)荷載試驗(yàn),其中JF-1進(jìn)行靜載試驗(yàn),JF-2進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。本文對(duì)環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)在靜載試驗(yàn)和低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果從承載力和變形能力兩方面進(jìn)行分析,并對(duì)環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)在破壞形態(tài)、延性、耗能能力等方面進(jìn)行研究,為這種新型結(jié)構(gòu)體系在今后的工程應(yīng)用奠定一些基礎(chǔ)。

1 靜載試驗(yàn)和低周反復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果比較

靜載試驗(yàn)柱頂用加載能力為 600 kN的液壓千斤頂;扁梁自由端用加載能力為1000 kN、1000 kN的液壓千斤頂并聯(lián)安裝以保證同步加載,用液壓千斤項(xiàng)在每一扁梁自由端加荷,同時(shí)在柱頂施加豎向荷載起穩(wěn)定作用。試驗(yàn)過(guò)程中,柱頂保持550 kN的豎向荷載(軸壓比0.091),梁端荷載從0開(kāi)始分級(jí)加載,全部過(guò)程由荷載控制,每級(jí)加荷步長(zhǎng)為 5 kN。在每一荷載等級(jí)時(shí),持荷 2到 10分鐘,觀察試件裂縫開(kāi)展。在某一梁肢達(dá)到破壞荷載后,將油壓減為零,切斷該梁肢上千斤頂油路繼續(xù)進(jìn)行另一梁肢的試驗(yàn),油壓從該梁肢破壞前的等級(jí)開(kāi)始逐級(jí)增加[13]。試驗(yàn)過(guò)程中,位移計(jì)和應(yīng)變片的數(shù)據(jù)采集方案為手動(dòng)采集。

圖1為JF-1靜載試驗(yàn)加載裝置圖及尺寸。

圖1 靜載試驗(yàn)加載裝置圖及尺寸

低周反復(fù)荷載試驗(yàn)采取柱端施加水平低周反復(fù)荷載方案。試驗(yàn)裝置在柱底模擬固定鉸支座,柱頂采用可水平移動(dòng)的 60 t油壓千斤頂施加軸向壓力。梁反彎點(diǎn)處用上下兩個(gè)可滾動(dòng)的鋼輪夾住,使梁端在反彎點(diǎn)處只承受剪力,梁在柱頂水平位移作用下可左右移動(dòng),不能上下移動(dòng)。柱頂水平低周反復(fù)荷載由美國(guó)MTS電液伺服系統(tǒng)作動(dòng)器施加,作動(dòng)器額定加載能力為±500 kN,最大行程為±250mm。作動(dòng)器往西移動(dòng)為正向加載,往東移動(dòng)為負(fù)向加載。鋼筋應(yīng)變采用IMP應(yīng)變采集系統(tǒng)采集。

圖 2為低周反復(fù)荷載試驗(yàn)加載裝置圖及尺寸。

圖2 低周反復(fù)荷載試驗(yàn)加載裝置圖及尺寸

圖3 JF-1與JF-2的荷載-位移曲線比較圖

圖3為JF-1和JF-2靜載試驗(yàn)和低周反復(fù)荷載試驗(yàn)下荷載—位移曲線比較圖,JF-2柱端施加的水平荷載換算成扁梁自由端施加的荷載。從圖 3中可以看出,靜載試驗(yàn)的承載力高于低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的承載力。

因?yàn)殪o載試驗(yàn)給結(jié)構(gòu)施加靜力荷載,測(cè)定結(jié)構(gòu)的工作性能,確定結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力、承載能力等變化規(guī)律,施加在結(jié)構(gòu)上的荷載不引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)(如慣性力、加速度等);低周反復(fù)荷載試驗(yàn)給試件施加低周反復(fù)作用的力或位移,來(lái)模擬地震時(shí)結(jié)構(gòu)的作用,并評(píng)定結(jié)構(gòu)的抗震性能和能力[14]。施加在結(jié)構(gòu)上的反復(fù)荷載使結(jié)構(gòu)不斷劣化。靜載試驗(yàn)條件較低周反復(fù)荷載試驗(yàn)對(duì)試件的破壞程度來(lái)得小,所以靜載試驗(yàn)的承載力高于低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的承載力。

由圖 3可知,對(duì)于環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn),達(dá)到峰值荷載時(shí),低周反復(fù)荷載作用的變形能力大于靜載作用下的變形能力,說(shuō)明在地震荷載作用下,環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)的耗能能力較好。

2 環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果研究

2.1 破壞形態(tài)

2.1.1 靜載下的破壞形態(tài)

JF-1在交界處形成塑性鉸,并向環(huán)扁梁延伸;從JF-1的鋼筋應(yīng)變[12]分析可知,JF-1環(huán)扁梁縱筋先屈服,這也說(shuō)明了塑性鉸的位置;最后破壞形態(tài)的裂縫形態(tài)中,JF-1以彎曲裂縫為主。

由圖3可知,JF-1東向極限荷載為145 kN,西向極限荷載為 155 kN。試件靜載試驗(yàn)的荷載-位移曲線中,最大荷載附近的平臺(tái)段比較大,試驗(yàn)中因扁梁自由端力加不上去而停止試驗(yàn),顯示出較好的延性。根據(jù)壓力機(jī)的表盤讀出的荷載等級(jí),在達(dá)到極限荷載的三分之二時(shí),扁梁與環(huán)扁梁交界處已出現(xiàn)明顯的裂縫,破壞前預(yù)兆較為明顯。節(jié)點(diǎn)破壞主要發(fā)生在扁梁與環(huán)扁梁交界處,扁梁及環(huán)扁梁的縱筋在破壞前已部分屈服,環(huán)扁梁及扁梁的破壞都為延性破壞。試件的極限承載力接近或超過(guò)設(shè)計(jì)荷載的200%(設(shè)計(jì)荷載為55 kN),這說(shuō)明試件承載力設(shè)計(jì)滿足要求,并具有較大的抗彎承載潛力。

從JF-1靜載試驗(yàn)的荷載-位移曲線可以看出,JF-1具有較好的變形能力。這是因?yàn)?JF-1在交界處形成塑性鉸。

2.1.2 低周反復(fù)荷載下的破壞形態(tài)

低周反復(fù)荷載試驗(yàn)條件下節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)可以歸結(jié)為兩類:扁梁端形成塑性鉸和環(huán)扁梁形成塑性鉸。試件發(fā)生哪種破壞類型與扁梁尺寸、環(huán)扁梁尺寸、環(huán)扁梁箍筋、環(huán)扁梁環(huán)筋及扁梁縱筋的相對(duì)配筋量有關(guān),即與環(huán)扁梁和扁梁的相對(duì)承載力有關(guān)。

JF-2在環(huán)扁梁上形成塑性鉸[12]。JF-2的裂縫較多,破壞比較嚴(yán)重,有大面積剝落,說(shuō)明JF-2的材料強(qiáng)度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力較好。

表 1分別從塑性鉸形成位置、混凝土剝落情況、扁梁裂縫類型及環(huán)扁梁裂縫類型這四個(gè)方面對(duì)環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)在靜載和低周反復(fù)荷載試驗(yàn)條件下的破壞形態(tài)進(jìn)行了比較。

從 JF的靜載試驗(yàn)和低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的破壞形態(tài)可以得出以下三點(diǎn)結(jié)論:

(1)靜載試驗(yàn)和低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中,斜裂縫均從交界處延伸到環(huán)扁梁中;

(2)在靜載試驗(yàn)中,在環(huán)扁梁形成撕裂裂縫,JF-1撕裂明顯,因?yàn)樾绷芽p由扭矩引起。環(huán)扁梁高度小,受的扭矩較大,且在環(huán)扁梁 45°處,所受扭矩最大,所以撕裂裂縫只出現(xiàn)在環(huán)扁梁上;

(3)在低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中,JF-2的裂縫較多,破壞比較嚴(yán)重,有大面積剝落,說(shuō)明JF-2的材料強(qiáng)度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力較好。

2.2 等效粘滯阻尼系數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果[12]表明,環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)概念,塑性鉸在環(huán)扁梁上,環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)有比較大的變形能力和良好的滯回特性;由于破壞始于扁梁或環(huán)扁梁的縱向鋼筋的屈服,試件的耗能能力是比較好的。

JF-2的的等效粘滯阻尼系數(shù)[12]隨位移的增加而增加,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)屈服后,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入彈塑性狀態(tài),因此所耗散的能量也越多,此時(shí)滯回環(huán)隨柱端水平位移的加大而更趨飽滿。圖4為JF-2節(jié)點(diǎn)試件的柱端荷載-位移滯回曲線。

圖4 JF-2節(jié)點(diǎn)試件的柱端荷載-位移滯回曲線

由圖 4可知,JF-2的滯回曲線比較豐滿且穩(wěn)定,呈現(xiàn)出梭形,這說(shuō)明環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)的滯回曲線基本上不出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象,滯回曲線飽和,滯回環(huán)所包圍的面積大,抗震性能好。

總結(jié)JF-2的最后破壞形態(tài):JF-2的塑性鉸在環(huán)扁梁上,試件的主要耗能機(jī)制是環(huán)扁梁塑性鉸的變形;環(huán)扁梁與扁梁交界處、環(huán)扁梁表面混凝土大面積剝落。JF-2的裂縫和混凝土剝落較為嚴(yán)重,說(shuō)明JF-2的材料強(qiáng)度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力好。

2.3 延性系數(shù)

反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或試件的延性,反映了結(jié)構(gòu)或試件進(jìn)入破壞荷載階段后,在其承載力無(wú)顯著降低的情況下的塑性變形能力。在抗震設(shè)計(jì)中,延性和強(qiáng)度占有同等重要的地位,它是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)或試件抗震性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的延性越大,表示其耗散地震能量和承受非彈性變形的能力越強(qiáng),其抗震性能越好。

本文采用位移延性系數(shù)[12]來(lái)反映試件的延性。試驗(yàn)結(jié)果[12]表明,環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)的延性良好,JF-2的延性系數(shù)為 5,滿足抗震要求。

3 結(jié) 論

(1)靜載試驗(yàn)的承載力高于低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的承載力。達(dá)到峰值荷載時(shí),低周反復(fù)荷載作用的變形能力大于靜載作用下的變形能力,說(shuō)明在地震荷載作用下,環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)的耗能能力較好;

(2)靜載試驗(yàn)條件下,JF-1在交界處形成塑性鉸,并向環(huán)扁梁延伸。低周反復(fù)荷載試驗(yàn)條件下,JF-2在環(huán)扁梁上形成塑性鉸;

(3)靜載試驗(yàn)中,環(huán)扁梁形成撕裂裂縫,JF-1撕裂明顯。低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中,JF-2的滯回曲線比較豐滿且穩(wěn)定,滯回環(huán)所包圍的面積大,抗震性能好;

(4)環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)的塑性鉸在環(huán)扁梁上形成,環(huán)扁梁與扁梁垂直方向尺寸較大,JF-2的延性系數(shù)為 5,滿足抗震要求,環(huán)扁梁節(jié)點(diǎn)的延性較好。

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TU378+.9

A

2010-02-08

福建工程學(xué)院科研發(fā)展基金資助項(xiàng)目(GY -Z0770)

楊芳(1972～),女,講師,在職博士研究生,主要從事建筑工程減隔震研究