混凝土對K型方鋼管節點抗震性能的影響

姜德乾，李明

(山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東青島 266590)

混凝土對K型方鋼管節點抗震性能的影響

姜德乾，李明

(山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東青島 266590)

為考察K型方鋼管節點主管中填充混凝土對節點抗震性能的影響，對1個K型方鋼管節點(空管節點)以及1個節點主管中填充混凝土的K型方鋼管混凝土節點進行低周反復荷載試驗，根據試驗數據，對節點的破壞模式、滯回性能、承載力、延性、剛度和耗能能力進行對比分析。結果表明：K型方鋼管節點主管中填充混凝土后，提高了節點的承載力、延性、剛度，但卻降低了節點的耗能能力。

K型方鋼管節點；低周反復荷載試驗；抗震性能；設計

近年來，隨著我國鋼材產量與性能的大幅度提高，鋼管桁架結構得到了很大發展。通常鋼管桁架結構分為圓鋼管桁架結構和矩形鋼管桁架結構，矩形鋼管桁架結構多以方鋼管桁架結構的形式存在[1]。與常見的開口型截面(H型鋼和I字鋼)鋼桁架結構相比，鋼管桁架結構的材料截面閉合且為多軸對稱，慣性矩關于各對稱軸相同，因此截面兼具良好的抗壓承載力和抗彎扭承載力，同時具有較大的剛度[2]。此外，鋼管桁架結構無需使用節點板，因此構造簡單。更重要的是，鋼管桁架結構易做成外觀優美、裝飾效果良好的造型[3]。

將鋼管桁架的弦管全部或部分填充混凝土后就形成鋼管混凝土桁架。在鋼管桁架桿件中填充混凝土，不僅可以提高承載力，還可以縮小截面尺寸，提高建筑物的有效使用面積[4-6]。在橋梁等外露結構中應用時，由于結構外部阻風尺寸減小，因而結構所受風荷載也相應減小；鋼管與混凝土的結合，充分發揮了兩種材料的優點：與純鋼構件相比，鋼管內填充混凝土，不但可以提高鋼管壁在受到壓力作用時的穩定性，并且還能提高鋼管的抗腐蝕性與耐火性[7]。另外，管壁對混凝土產生的套箍作用，使混凝土的抗壓強度和延性得到很大提高[8]；鋼管混凝土結構中空心鋼管作為模板和高強度支撐，能節省人工、材料、機械的使用，加快施工進度，降低施工成本[9]。

與圓鋼管混凝土桁架結構相比，矩形鋼管混凝土桁架結構有以下特點：1)節點連接簡單，并且位于節點處的桁架腹桿可以平直切割，施工方便；2)結構與橋面的連接更加簡便，可直接將橋面板擱置在矩形鋼管混凝土桁架結構的弦桿上[10]。

從多次地震中對鋼管桁架結構震害調查發現，連接節點屬于鋼管桁架結構的薄弱環節?，F有的鋼管桁架結構中，K型連接節點十分普遍，而方鋼管混凝土構件在矩形鋼管混凝土結構中最為常見。因此通過加強對K型方鋼管混凝土節點的相關研究，對廣泛推廣和應用矩形鋼管混凝土桁架結構，具有重要意義[11-12]。

1 試驗概況

1.1 試件設計

將本次試驗所用的K型方鋼管節點和K型方鋼管混凝土節點分別編號為K0，KC， 兩節點幾何尺寸完全相同，主管尺寸為100 mm×100 mm,管壁厚度為4 mm,支管尺寸為80 mm×80 mm,管壁厚度為3 mm,KC主管中填充的混凝土強度等級為C30。節點均采用成品方鋼管，材料為Q235，支管與主管采用焊縫連接，手工焊，焊條為E43型。節點構造見圖1[13]。

1.2 加載裝置和加載制度

依據文獻[14]中的規定，本次低周反復荷載試驗采用荷載-位移雙控制的加載方式進行加載。具體作法為：在節點達到屈服之前，采用荷載控制加載的方式，分級加載，并在接近開裂和達到屈服荷載前適當減小級差，再進行加載；當節點屈服后，應采用位移控制加載。位移控制時的加載值取節點屈服時的最大位移并以該值的倍數為級差進行后續加載，加載至荷載下降至最大荷載的85%或發生嚴重破壞時停止加載[15]。加載裝置如圖2所示。

圖1 節點構造圖 圖2 節點加載裝置

2 試驗結果及分析

圖3 節點區域命名與編號

2.1 試驗現象

為了更直觀、準確的對試驗過程中出現的現象進行描述，對主支管交匯處的幾個關鍵角部區域進行編號，并規定豎向支管受拉為正，受壓為負。定義支管側的焊趾為上焊趾，主管側的焊趾為下焊趾。如圖3所示[16]。

2.1.1 K0試驗現象

在以4倍屈服位移循環加載至P≈159 kN時，發現豎向支管與主管相連接的A、B區域內出現裂縫，并伴有聲響。A區域裂縫位于豎向支管側的焊趾處，且呈沿主管長度方向延伸趨勢，B區域裂縫則位于焊縫相交處；當反向加載至P≈-212 kN時，A、B兩區域附近的主管腹板發生鼓曲，且A、B區域內的裂縫閉合；在以5倍屈服位移的循環加載至P≈200 kN時，A、B處裂縫位置處的豎向支管管壁沿著主管長度方向被拉斷(見圖4)，節點破壞，試驗結束。

2.1.2 KC試驗現象

在以3倍屈服位移循環加載至P≈232 kN時，B區域焊縫上焊趾出現細小裂縫；進行到3.5倍屈服位移循環時，A區域焊縫上焊趾出現細小裂縫，B區域裂縫沿主管長度方向延伸；在之后的加載過程中，A、B區域的裂縫不斷擴大延伸，且延伸過程中始終伴有聲響；當加載至4.5倍屈服位移循環時，A區域裂縫位置上的豎向支管管壁被拉裂且沿主管長度方向延伸，B區域裂縫處的豎向支管管壁被拉裂；在以5倍屈服位移的循環加載至P≈254 kN時，突然聽到一聲巨響，與此同時滯回曲線(見圖5)逐漸平緩，豎向支管與主管左側連接處整條焊縫突然被拉裂(見圖6a))，右側B區域的管壁被拉斷(見圖6b))，節點破壞，試驗結束。

a)豎向支管左側管壁斷裂 b)豎向支管右側管壁斷裂圖4 K0破壞狀態

a)K0 b)KC圖5 滯回曲線

a)豎向支管左側焊縫斷裂 b) B區域管壁斷裂圖6 KC破壞狀態

2.2 滯回曲線分析

以豎向支管端板處測得的位移Δ為橫坐標，以作動器施加給豎向支管端板的荷載P為縱坐標，繪制節點的滯回曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，曲線在荷載控制加載階段，節點未屈服之前，主要發生彈性變形，并且在反復荷載作用下，滯回曲線近乎關于原點對稱，而且滯回環的面積很小[17]。此時，節點的殘余變形很小。在進入位移控制加載階段后，伴隨位移荷載的增加，兩個節點的滯回曲線逐漸趨于飽滿。對比發現K0的滯回曲線比KC更加飽滿，因而K0具有更好的滯回性能。

圖7 骨架曲線

2.3 骨架曲線分析

從圖7給出的骨架曲線可以看出，位移相同時，KC由于主管填充有混凝土，其節點的承載力明顯提高[18]。

2.4 節點延性分析

表1為根據極限位移Δu和屈服位移Δy之比計算得到的兩節點的延性系數μ。從表1可以看出：節點主管中填充混凝土會降低節點的延性[19-20]。

2.5 節點剛度退化分析

節點的剛度退化率可以用割線剛度Ki來表示。圖8為K0、KC在各加載循環時的割線剛度與位移的關系曲線。通過對比可以看出，兩節點的剛度退化規律相似，退化曲線都較平緩。但節點KC的割線剛度比節點K0提高近0.3倍。

表1 節點延性系數

試件編號受拉受壓ΔuΔyμΔuΔyμK018.011.821.52-14.95-10.011.49KC12.749.661.32-14.3-10.521.36

圖8 割線剛度-位移曲線

2.6 節點耗能分析

圖9 能量耗散系數-位移曲線

結構或構件的能量耗散能力是指結構或構件在承受地震荷載時吸收能量的能力，用能量耗散系數表示。圖9為兩節點在各加載循環時的能量耗散系數E與位移關系曲線。從圖9中可以看出，位移相同時，KC的能量耗散系數比K0小，這是由于主管填充混凝土后會限制主管鋼材的部分塑性變形，因此耗能能力降低。

3 結論

1)主管填充混凝土的節點與未填充混凝土的節點的破壞都發生在豎向支管與主管相連接處的支管管壁上。

2) 通過對兩節點的滯回曲線分析發現，兩節點的滯回曲線都比較飽滿，與主管填充混凝土的節點相比，未填充混凝土的主管節點滯回曲線更加飽滿，滯回性能更好。

3) 通過對節點骨架曲線、延性系數、割線剛度-位移曲線以及能量耗散系數-位移曲線的分析和對比發現：節點主管填充混凝土后，節點的承載能力和剛度都顯著提高，但是卻降低了節點延性和耗能能力。

4)試驗研究了節點主管填充混凝土對節點抗震性能的影響，但對于所填充混凝土等級對節點抗震性能的影響尚且不明確，今后可以通過進一步的試驗或有限元模擬進行探究。

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(責任編輯：郎偉鋒)

Influence of Concrete on Seismic Performance of K-Type Square Steel Tubular Joints

JIANGDeqian,LIMing

(ShandongProvincialKeyLaboratoryofCivilEngineeringDisasterPreventionandMitigation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

To investigate the influence of the filled concrete on the seismic behavior of K-type square steel tubular joint, the low cycle repeated load test is carried out for one K-type square steel tubular joint (empty tubular joint) and one K-type square steel tubular joint of the main tube filled with concrete. According to the experimental data, the failure mode, hysteretic behavior, bearing capacity, ductility, stiffness and energy dissipation capacity of the joints are analyzed. The results show that the bearing capacity, ductility and stiffness of the joint are improved after the K-type square steel tubular joint of the main tube is filled with the concrete, but the energy dissipation capacity decreases.

K-type square steel tube joint; low cyclic repeated load test; seismic performance;design

2017-01-05

姜德乾(1989—)，男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向為結構設計理論與應用.E-mail:jiangdeqian2008@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.010

TU392.3

A

1672-0032(2017)01-0058-06