內(nèi)置加勁板加固T型方鋼管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

李 浩 郭 翔 崔強(qiáng)強(qiáng) 張登凱

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590； 2.臨沂市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院,山東 臨沂 276000)

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內(nèi)置加勁板加固T型方鋼管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

李 浩1郭 翔1崔強(qiáng)強(qiáng)1張登凱2

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590； 2.臨沂市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院,山東 臨沂 276000)

為了研究內(nèi)置加勁板加固對T型方鋼管節(jié)點(diǎn)的影響，對1個(gè)未加勁節(jié)點(diǎn)和1個(gè)內(nèi)置加勁板加固節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了擬靜力滯回性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：加固后的節(jié)點(diǎn)滯回曲線更加飽滿；節(jié)點(diǎn)的極限承載力、延性系數(shù)比未加固節(jié)點(diǎn)明顯增加，具有更好的抗震性能。

T型方鋼管，內(nèi)置加勁板，滯回性能，延性

鋼管結(jié)構(gòu)因自重小、易施工、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中[1-3]。T型鋼管節(jié)點(diǎn)在承受軸向荷載時(shí)主支管連接處的主管上壁容易出現(xiàn)較大變形，因此需要對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固。為了提高節(jié)點(diǎn)的性能，可以采用主管管壁局部加厚、主管設(shè)置內(nèi)插板、主管內(nèi)部設(shè)置加勁板以及向弦管灌注混凝土等方法來提高節(jié)點(diǎn)承載力，見文獻(xiàn)[4]～[7]。相比外部加勁方式，加勁板置于主管內(nèi)部的方法，既可以保持鋼管結(jié)構(gòu)外形簡潔，還可滿足設(shè)計(jì)對節(jié)點(diǎn)承載能力的要求。本文對2個(gè)T型方鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，試件的材性試驗(yàn)和擬靜力試驗(yàn)在山東科技大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。通過試驗(yàn)分析了節(jié)點(diǎn)的滯回性能、承載能力、延性比及能量耗散。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

未加固T型方鋼管節(jié)點(diǎn)試件編號為T180-100-1，內(nèi)置加勁板T型方鋼管節(jié)點(diǎn)試件編號為T180-100-2，加勁板置于主管內(nèi)部中間,見圖1。

表1 試件的幾何尺寸

試件編號l0×b0×t0/mml1×b1×t1/mmβbs/mmts/mmT180?100?1T180?100?21570×180×6375×100×40．556306

表1為本次試驗(yàn)2個(gè)試件的編號和相關(guān)參數(shù)，其中l(wèi)表示鋼管的長度，b0表示主管寬度，b1表示支管寬度，bs和ts分別為內(nèi)置加勁板的寬度和厚度，β=b1/b0。試驗(yàn)采用的鋼管皆為熱軋鋼管，主支管之間采用角焊縫連接。采用焊接檢驗(yàn)尺進(jìn)行測量，測得焊腳尺寸為7 mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行材性試驗(yàn)，主要材性試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 鋼管及加勁板材性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案及加載制度

本次試驗(yàn)加載裝置選用土木工程與建筑學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的500 kN電液伺服器加載系統(tǒng)。試件支管頂板通過加載頭與伺服器的加載端頭連接，試件主管兩端與鉸支座連接，兩端的鉸支座通過臺座與加載架平臺連接固定，上述連接皆使用螺栓連接。試驗(yàn)加載裝置全貌如圖2所示。試驗(yàn)測試主要是荷載和位移測試。位移計(jì)共3支，支管頂部布置2支，主管下翼緣中間處布置1支。試驗(yàn)使用動態(tài)采集儀進(jìn)行荷載和位移數(shù)據(jù)的采集。本次試驗(yàn)采用荷載控制和位移控制相結(jié)合的方式進(jìn)行加載，首先采用荷載控制模式進(jìn)行加載，根據(jù)電腦顯示的實(shí)時(shí)荷載—位移曲線判斷試件是否進(jìn)入屈服狀態(tài)，進(jìn)入屈服狀態(tài)后改用位移控制加載，以屈服位移的50%進(jìn)行單循環(huán)逐級位移加載。在每次試驗(yàn)前需要對試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)加載，以消除安裝應(yīng)力。

2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 試件的破壞過程及現(xiàn)象

試件在載荷控制階段，構(gòu)件未發(fā)生明顯的變形。未加勁試件在位移控制階段初期，構(gòu)件輕微變形。在位移加載2.5Δ受壓階段，主支管交接處的主管上表面凹陷，主管側(cè)壁鼓曲。當(dāng)位移加載3Δ拉時(shí)，主支管連接處兩條焊縫焊趾線出現(xiàn)裂縫，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，主管上壁兩條裂縫貫通，主管管壁發(fā)生剪切破壞，節(jié)點(diǎn)破壞見圖3。

加勁節(jié)點(diǎn)試件在位移加載1.5Δ完成時(shí)，查看電腦上荷載—位移圖形，出現(xiàn)明顯的滯回環(huán)。當(dāng)位移加載至4.5Δ拉時(shí)，在主支管連接處主管上管壁鼓曲。當(dāng)位移加載至4.5Δ壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)主管彎曲，主管下翼緣中間焊縫(由于放置加勁板而產(chǎn)生的焊縫)開裂，見圖4。在位移加載5.5Δ壓階段時(shí)，主支管交接處主管管壁凹陷明顯，主管下翼緣中間裂縫向上延伸至主管側(cè)壁下部，主管側(cè)壁鼓曲，見圖5。試件破壞嚴(yán)重，結(jié)束試驗(yàn)。

2.2 滯回曲線

滯回曲線反映構(gòu)件的耗能能力。圖6為試件的滯回曲線，其中,P為支管頂部施加的豎向荷載，Δ為支管頂部的豎向位移，以拉力為正、壓力為負(fù)。

從圖6可以看出以下特點(diǎn)：1)在荷載控制階段，滯回曲線基本上是一條過原點(diǎn)的直線；節(jié)點(diǎn)屈服后，隨著荷載的增加，殘余變形逐漸增大，滯回環(huán)面積也增大。2)對于加勁節(jié)點(diǎn)，主管下部焊縫開裂后，節(jié)點(diǎn)的承載力下降，但下降速度比較緩慢，而且滯回環(huán)面積仍在增加，說明焊縫開裂后，節(jié)點(diǎn)仍可繼續(xù)耗能。3)通過圖6a)與圖6b)的對比發(fā)現(xiàn)，加勁節(jié)點(diǎn)的承載力和位移有明顯提高，加勁節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積大，說明加勁板加固使節(jié)點(diǎn)具有更好的抗震性能。

2.3 骨架曲線及承載力

滯回曲線的峰值點(diǎn)連接起來所形成的曲線，就是骨架曲線。本文兩個(gè)試件的骨架曲線見圖7。可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置加勁板對方鋼管的加強(qiáng)作用明顯，在主支管的參數(shù)相同條件下，放置加勁板的節(jié)點(diǎn)峰值荷載較未加勁節(jié)點(diǎn)在受拉階段和受壓階段分別提高了33%和48%。

2.4 延性系數(shù)

延性系數(shù)是反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性大小的指標(biāo)，定義為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，即μ=Δu/Δy。受拉循環(huán)和受壓循環(huán)的數(shù)據(jù)分開計(jì)算，試件的延性比見表3，其中Δy+,Δu+,Δy-和Δu-為受拉和受壓循環(huán)對應(yīng)的屈服位移和極限位移，μ+和μ-為受拉和受壓循環(huán)時(shí)試件的延性系數(shù)。

表3 試件的延性比 mm

通過比較節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，加勁節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)較未加勁節(jié)點(diǎn)有明顯的提高，在受壓階段和受拉階段分別提高了52%和41%，說明內(nèi)置加勁板加固的T型節(jié)點(diǎn)試件比未加固試件具有更好的延性。

2.5 能量耗散系數(shù)

節(jié)點(diǎn)的能量耗散系數(shù)E根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》的規(guī)定計(jì)算，并繪制出E與受拉與受壓循環(huán)位移的關(guān)系曲線，如圖8所示。可以看出內(nèi)置加勁板節(jié)點(diǎn)的能量耗散系數(shù)較未加勁節(jié)點(diǎn)提高明顯，說明內(nèi)置加勁板的方式能有效地提高節(jié)點(diǎn)的耗能性能。在位移控制后期時(shí)，主管下弦焊接加勁板處的焊縫開裂明顯，但因內(nèi)加勁板對節(jié)點(diǎn)的約束作用，雖然節(jié)點(diǎn)的承載力在下降，但耗能是在增加的。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：1)未加勁T型方鋼管節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)的承載力較低、延性較差；2)設(shè)置加勁板可改變焊縫應(yīng)力分布，既可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力，又能增大節(jié)點(diǎn)的整體變形能力，其延性提高顯著；3)設(shè)置加勁板加固后的節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)面積更大，耗能能力更強(qiáng)；4)由于加勁板的連接構(gòu)造存在缺陷，節(jié)點(diǎn)試件容易出現(xiàn)主管下管壁連接焊縫開裂，在一定程度上降低了試件的承載能力和延性。

[1] 陳以一，陳揚(yáng)驥.鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀[J].建筑結(jié)構(gòu)，2002,32(7):52-55.

[2] 劉錫良，林 顏.鑄鋼節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用與研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2004,6(1):12-19.

[3] 武振宇，陳 鵬，王淵陽.T型方管節(jié)點(diǎn)滯回性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(12)：8-13.

[4] 李 濤，邵永波.主管壁加厚方鋼管T型節(jié)點(diǎn)滯回性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(4):142-150.

[5] 李 濤,邵永波，張季超.內(nèi)置豎向插板加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度研究[J].工程力學(xué),2010(4):133-139.

[6] 鄧 芃，王 來，劉 艷，等.主方支圓內(nèi)隔板加勁T型節(jié)點(diǎn)破壞模式研究[J].工業(yè)建筑,2011(12):121-123.

[7] 劉永健.受壓弦管填充混凝土的矩形鋼管桁架靜力性能分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008(4):65-72.

Experimental study on T-type steel pipe joint with built-in stiffening plate

Li Hao1Guo Xiang1Cui Qiangqiang1Zhang Dengkai2

(1.ShandongUniversityofScienceandTechnology,InstituteofCivilEngineeringandArchitecture,Qingdao266590,China;2.Planning&ArchitectureDesignInstituteofLinyiCity,Linyi276000,China)

In order to study the influence of the built-in stiffening plate on the T-type steel pipe joints, the quasi-static hysteresis performance test was carried out on one unenhilled node and one built-in stiffening plate reinforcement node. The experimental results show that the hysteresis curve of the nodes is more complete. The ultimate bearing capacity and ductility coefficient of the joints are obviously higher than those of the unenhanced nodes, and the seismic performance is better.

T-type square steel pipe, built-in stiffening plate, hysteretic performance, ductility

1009-6825(2017)11-0039-02

2017-02-07

李 浩(1989- )，男，在讀碩士； 郭 翔(1990- )，男，在讀碩士； 崔強(qiáng)強(qiáng)(1991- )，男，在讀碩士； 張登凱(1989- )，男

TU318

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