鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點靜力性能試驗研究

李德山，陶 忠，王志濱

(福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116)

鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點靜力性能試驗研究

李德山，陶 忠?，王志濱

(福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116)

通過對8個鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點進行軸拉及彎剪加載試驗，考察了約束拉桿構造措施對節點核心區整體性的影響規律，同時對單邊螺栓的工作性能進行了分析研究.試驗結果表明：單邊螺栓具有良好的力學性能，工作性能安全可靠；方鋼管混凝土柱設置約束拉桿能有效限制管壁變形，顯著提高節點核心區整體性，減少破壞區域；圓鋼管因為管壁穩定性較好，設置約束拉桿對改善節點力學性能效果不明顯；穿芯螺栓節點核心區整體性最好；在彎剪加載條件下，單邊螺栓節點表現出良好的轉動能力.試驗結果可供同類研究參考與比較.

鋼管混凝土；鋼梁；端板連接；單邊螺栓；靜力加載

以往，梁柱半剛性節點多采用高強度螺栓連接，該類節點具有抗震性能優良、施工速度快、連接質量容易控制等優點，因而得到了廣泛的工程應用[1-2].目前國內外學者針對H型鋼梁-H型鋼柱半剛性連接已進行了較系統的研究，但由于鋼管柱為封閉截面，普通螺栓難以應用，因此相應半剛性連接研究較少.單邊螺栓(Blind bolt)作為一種新型緊固件，具有單邊擰緊、受力性能可靠、施工方便等優點[3-4]，可解決普通高強螺栓難以應用于閉合截面構件的問題．目前工程應用較多的單邊螺栓主要有：英國Lindapter公司生產的Hollo-Bolt和澳大利亞Ajax公司生產的Oneside-Bolt等.國內外一些學者對鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點進行了試驗和理論研究.Uy等[5]進行了單邊螺栓連接組合節點靜力加載試驗.王靜峰等[3]對鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點進行了單調加載及往復加載試驗.

因為該類螺栓是單邊鎖緊，在鋼管寬厚比或徑厚比正常使用范圍內，管壁的過早屈服及過大變形常常成為節點破壞的控制因素，為了提高節點強度及剛度，常常使用寬厚比或徑厚比較小的鋼管，導致經濟性不佳.一些學者提出增加單邊螺栓端部錨固長度以及螺栓端部設置彎鉤等措施[6-8]，上述構造措施有利于改善節點力學性能.本文擬研究在鋼管內焊接約束拉桿，從而對管壁提供附加約束，延緩或避免鋼管過早發生局部屈曲，以達到改善節點力學性能的目的.試驗共設計了8個節點，其中6個節點進行軸拉加載，變化參數為拉桿數量以及螺栓種類，以考察約束拉桿構造措施以及螺栓類型對節點核心區整體性的影響規律；另2個節點進行彎剪加載，分析節點彎剪力學性能.

1 試驗概況

1.1 試件的設計和制作

節點形式為鋼管混凝土柱-鋼梁齊平端板連接，試件數量為8個，試件具體情況見表1.

方鋼管采用冷彎型鋼鋼管，截面尺寸為200 mm×200 mm×5 mm，圓鋼管采用直縫焊接管，截面尺寸為200 mm×3.6 mm，方鋼管及圓鋼管長度均為1 400 mm.鋼梁選用熱軋H型鋼，截面尺寸為250 mm×125 mm×6 mm×9 mm，鋼梁與端板采用雙面角焊縫連接，端板厚度為14 mm.單邊螺栓選用Lindapter公司生產的8.8級M20 Hollo-Bolt，穿芯長螺栓采用8.8級M20規格高強螺栓，約束拉桿選用直徑16 mm光圓鋼筋.節點核心區詳圖如圖1所示.

表1 試件列表

根據Hollo-Bolt產品說明書[9]，采用扭矩扳手對單邊螺栓施加300 N·m扭矩；對于穿芯螺栓節點，安裝時將長螺栓穿過鋼管混凝土柱預留孔洞，根據《鋼結構設計規范》[10]，對8.8級M20穿芯螺栓施加了125 kN預拉力，預拉力數值通過在螺桿開槽粘貼應變片進行量測.在端板連接一側，約束拉桿與鋼管采用穿孔塞焊，無端板連接一側，管壁處設置了墊板與鋼管焊接.典型試件管內情況如圖2所示.

(a) JD-S1

(b) JD-S2/JD-S7

(c) JD-S3

(d) JD-S4

(e) JD-C5

(f) JD-C6/JD-C8

圖2 鋼管內單邊螺栓及約束拉桿

1.2 材料性能

管內核心混凝土采用普通混凝土，每立方米混凝土各材料的用量為：水泥447 kg，碎石1 183 kg，中砂610 kg，水210 kg.試驗加載時混凝土立方體抗壓強度為66.7 MPa，彈性模量為32 485 MPa.根據《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T228-2002)[11]對鋼材力學性能指標進行測試，具體數值見表2.

表2 鋼材力學性能指標

1.3 加載裝置與加載制度

鋼管混凝土柱兩端采用壓梁固定在剛性基礎上，MTS作動器通過螺桿與鋼梁端部加載板相連接，施加軸拉或橫向荷載.為防止彎剪加載節點的鋼梁發生失穩，設置了側向支撐，試驗裝置如圖3所示.試驗時采用MTS作動器對梁端施加單調荷載，加載模式采用位移控制.

2 試驗現象及破壞模態

試驗過程中詳細觀察了節點的破壞情況，發現主要破壞模態包括：1)鋼管管壁角部撕裂；2)拉桿塞焊縫破壞；3)單邊螺栓受拉拔出；4)端板顯著變形.

JD-S1, JD-S2及JD-S3變化參數為約束拉桿數量.JD-S1與JD-S2均發生了冷彎鋼管角部撕裂破壞，如圖4所示.相比較于未設置約束拉桿的JD-S1，JD-S2由于設置了4根拉桿，鋼管角部裂紋未貫通，管壁變形明顯減小，而設置了8根約束拉桿的JD-S3鋼管管壁未發現破壞現象，管壁平面外變形很小，可知拉桿構造措施增加了管壁的穩定性，明顯提高了節點核心區整體性，有利于各組件協同受力，防止管壁成為節點薄弱區域、發生過早破壞.JD-S2及JD-S3加載后期拉桿與管壁塞焊縫均發生撕裂破壞，主要原因是拉桿與管壁垂直點狀焊接，在荷載作用下焊縫處應力集中顯著.

(a) 軸拉加載

(b) 彎剪加載

圖4 管壁撕裂破壞

采用圓鋼管混凝土的JD-C6核心區設置了4根約束拉桿，其破壞模態與未設置約束拉桿的JD-C5相似，單邊螺栓受拉拔出是其主要的破壞模態，加載后期端板和管壁之間出現較大縫隙，如圖5所示.

圖5 圓形節點破壞模態

穿芯螺栓節點的破壞主要為端板兩端受拉翹曲變形，最終導致鋼梁上下翼緣與端板角焊縫斷裂，鋼梁表面氧化層脫落嚴重，鋼梁縱向變形明顯，破壞模態如圖6所示.

圖6 JD-S4破壞模態

如圖7所示，在彎剪荷載作用下，節點JD-S7冷彎鋼管受拉區角部撕裂，受拉區拉桿塞焊縫下陷斷裂；JD-C8加載后期螺栓孔附近管壁撕裂，單邊螺栓受拉拔出，弧形端板與鋼管之間出現明顯間隙.總體而言，方形及圓形節點在彎剪荷載作用下表現出良好的變形能力.所有節點在加載過程中，單邊螺栓均未發生斷裂破壞，工作安全可靠，力學性能良好.

圖7 彎剪節點破壞模態

3 試驗數據分析

3.1 荷載-位移曲線

圖8所示為節點的荷載(P)-變形(Δ)關系曲線，其中P為施加在鋼梁軸向或橫向的荷載，Δ為鋼梁沿加載點方向的位移.

圖8 節點荷載-位移曲線

通過比較軸拉節點荷載-位移曲線可知，對于方鋼管混凝土，核心區焊接4根約束拉桿的JD-S2抗拉承載力比無加強措施的JD-S1提高32.2%；核心區焊接8根約束拉桿的JD-S3抗拉承載力比JD-S1提高42.9%；JD-S4采用穿芯螺栓連接，抗拉承載力在6個軸拉節點里面最大，為JD-S1的2.55倍.對于圓鋼管混凝土，核心區焊接4根約束拉桿的JD-C6抗拉承載力比無加強措施的JD-C5提高1.5%.由此可知，方鋼管內焊接約束拉桿能有效限制管壁變形，顯著提高節點核心區整體性；圓鋼管因為管壁穩定性較好，設置約束拉桿對改善節點力學性能效果不明顯；穿芯螺栓節點因為長螺栓貫通整個鋼管混凝土柱，核心區整體性最好.

JD-S1, JD-S2及JD-S3初始抗拉剛度差別微小，主要原因是加載初期，荷載主要由單邊螺栓在混凝土中的錨固黏結力所承擔，約束拉桿還未在約束管壁變形中發揮明顯作用.

通過比較彎剪節點荷載-位移曲線可知，該類半剛性節點具有良好的轉動能力,方鋼管節點與圓鋼管節點彎矩超過抗彎承載力后,均有較明顯的平臺段，曲線下降不明顯,說明此類節點延性較好,有利于滿足抗震設計要求.圓形截面節點管壁厚度小于方形截面節點,但彎剪承載力高于方鋼管混凝土節點.

3.2 應變數據分析

圖9為方鋼管跨中側面縱向應變片布置示意圖，圖10為方鋼管應變發展曲線.從鋼管跨中側面縱向應變片發展曲線可知，鋼管混凝土柱作為承受橫向荷載構件，上部受拉，下部受壓，中和軸偏向于受壓區.由圖10還可發現，隨著管壁約束的增強，其峰值應變明顯提高，原因是約束拉桿可增強鋼管混凝土柱的整體性，使其能充分發揮結構強度，并承擔更大的荷載.JD-S4核心區整體性最好，鋼管縱向峰值應變最大.

圖9 方鋼管應變片布置

圖10 方鋼管應變發展曲線

圖11為圓鋼管典型部位應變片布置，圓形節點應變片沿鋼管環形布置，其中1, 2, 3為縱向應變片，4, 5, 6為橫向應變片，圖12為軸拉節點圓鋼管應變發展曲線.鋼管縱向應變上部受拉，下部受壓；鋼管橫向應變底部受拉 ，其他部位為壓應變，6個應變數據均未超過圓鋼管屈服應變.2個節點應變發展規律相似，表明約束拉桿構造措施未明顯改善鋼管混凝土柱的受力性能.JD-S7及JD-C8鋼管應變片測點數據基本處于彈性狀態，不贅述.

圖11 圓鋼管應變片布置

典型試件的約束拉桿應變發展如圖13所示，應變片粘貼位置為約束拉桿中部.從拉桿應變發展曲線可知，方形節點及圓形節點中約束拉桿基本處于彈性階段.相對于圓鋼管混凝土節點，方鋼管混凝土節點中約束拉桿應變發展更充分，較好地發揮了約束效果，主要原因是圓形節點管壁穩定性較好，拉桿受力較小，因此加強作用不明顯.

(a) JD-C5

(b) JD-C6

圖13 約束拉桿應變發展曲線

4 結 論

通過對鋼管混凝土柱-鋼梁單邊螺栓連接節點進行軸拉及彎剪加載試驗，可得出以下結論：

1)單邊螺栓作為一種連接閉合管截面的新型緊固件，具有良好的力學性能，工作性能安全可靠.該類單邊螺栓連接節點安裝方便、施工快速、連接質量容易得到保證，具有良好的工程應用前景.

2)在常用寬厚比范圍內，單邊螺栓連接方鋼管節點核心區整體性較差，通過在方鋼管內焊接約束拉桿，能顯著提高節點核心區的整體性，有利于各組件協同工作，改善節點力學性能，并且隨著約束拉桿數量的增加，核心區整體性也相應提高.圓鋼管節點因為管壁穩定性較好，設置約束拉桿對提高節點力學性能效果不明顯.穿芯螺栓節點核心區整體性最好，節點抗拉承載力為無加強措施的單邊螺栓連接方鋼管節點的2.55倍.

3)彎剪加載條件下，帶約束拉桿單邊螺栓連接節點表現出良好的轉動能力，有利于滿足抗震設計要求.

4)帶約束拉桿方形節點在軸拉及彎剪加載條件下，約束拉桿塞焊縫發生斷裂破壞，主要原因是拉桿與管壁垂直點狀焊接，在荷載作用下焊縫處應力集中顯著所造成的.

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Experimental Investigation of Blind-bolted Joints to Concrete Filled Steel Columns

LI De-shan，TAO Zhong?，WANG Zhi-bin

(College of Civil Engineering，Fuzhou Univ，Fuzhou，Fujian 350116，China)

Eight concrete filled steel column-steel beam end plate joints connected with blind bolts were tested under axial tension and combined bending-shear static loading. The influence of the binding bars on the integrity of the panel zone of the joints was investigated, and the performance of the blind-bolted joints was discussed. The test results show that the blind bolts have good mechanical properties, and reliable working performance. The binding bars can effectively reduce the tube deformation of square concrete-filled steel tubes and improve the integrity of the joint panel zone. In contrast, binding bars are not so effective in enhancing the performance of joints with circular columns since the circular steel tubes are not susceptible to local buckling. Compared with binding bars, passing-through bolts are more effective in improving the joint performance. Under the combined action of bending and shear, the blind-bolted joints show good deformation capacity. The research results have provided a good basis for the future development of finite element models.

concrete-filled steel tube; steel beams; end plate connection;blind bolts;static loading

1674-2974(2015)03-0043-07

2014-04-17

國家自然科學基金資助項目(51308124)，National Natural Science Foundation of China(51308124)

李德山(1986-)，男，福建南平人，福州大學博士研究生

?通訊聯系人，E-mail: lids0820@163.com

TU398

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