方钢管混凝土柱与U形钢组合梁分离式内隔板节点抗震性能试验研究.pdf
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1、第 45 卷第 6 期2023 年 12 月Vol.45 No.6Dec.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental Engineering方钢管混凝土柱与 U形钢组合梁分离式内隔板节点抗震性能试验研究程睿a,b,张继东a,胥兴a,刘吉春a,彭舒a(重庆大学 a.土木工程学院;b.山地城镇建设与新技术教育部重点试验室,重庆 400045)摘要:为研究方钢管混凝土柱与 U 形钢组合梁分离式内隔板节点的抗震性能,对 4个节点试件进行低周反复加载试验,试验参数为内隔板形式和梁柱交界面处有无加强连接。分析各试件的破坏模式
2、、滞回性能、延性、耗能等指标,并给出加劲板的设计建议。结果表明:4个节点试件的破坏模式均为梁端受弯破坏,滞回曲线呈反 S 形、有明显的捏缩现象;试件的位移延性系数 为 2.33.1,弹性层间位移角 y为 1/681/53,弹塑性层间位移角 u为 1/281/19,等效黏滞阻尼系数 eq为0.120.16,变形能力较好,并具备一定耗能能力;改变内隔板形式对试件的承载能力影响较小,但相较于传统内隔板节点试件,分离式内隔板弱轴节点试件的耗能能力有所降低;加强梁柱交界面处的连接可减缓刚度退化速度、显著提高节点的承载能力和耗能能力。关键词:钢管混凝土柱;U形钢组合梁;分离式内隔板节点;低周往复试验;抗震
3、性能中图分类号:TU398 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2023)06-0047-12Experimental study on seismic behavior of concrete-filled square steel tubular column to U-shaped steel-concrete composite beam joints with separated internal diaphragmCHENG Ruia,b,ZHANG Jidonga,XU Xinga,LIU Jichuna,PENG Shua(a.School of Civil Engi
4、neering;b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China)Abstract:To study the seismic behavior of concrete-filled square steel tubular column to U-shaped steel-concrete composite beam joints with sep
5、arated internal diaphragm,four joint specimens were tested under cyclic loading.The test parameters are the diaphragm type and the connection forms at the beam-column interface.The hysteric behavior,ductility,energy dissipation and deformation were analyzed and suggestions the designing the reinforc
6、ed plate were provided.Test results indicate that the beam bending failure occurred in all specimens,and the hysteric curves show an inverted S-shape,with an obvious pinch effect.The displacement ductility coefficient ratio is between 2.3-3.1,the elastic limit of inter-story drift rotation is betwee
7、n 1/68-1/53,the elastic-plastic limit of inter-story drift rotation is between 1/28-1/19,and the equivalent viscous damping coefficient is between 0.12-0.16,indicating that the specimens show good deformation and energy dissipation DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2023.030收稿日期:20221117基金项目:国家重点研发计划(201
8、6YFC0701506)作者简介:程睿(1977-),男,副教授,博士,主要从事钢结构和组合结构研究,E-mail:。Received:20221117Foundation items:National Key R&D Program(No.2016YFC0701506)Author brief:CHENG Rui(1977-),associate professor,PhD,main research interests:steel structure and composite structurere,E-mail:.开放科学(资源服务)标识码OSID:第 45 卷土 木 与 环 境 工
9、程 学 报(中 英 文)capacities.Changing the type of diaphragm has little effect on the load-carrying capacity of the specimen,but compared with the traditional internal diaphragm joints,the energy dissipation capacity of the weak axial internal diaphragm joints is decreased.Strengthening the beam-column con
10、nection can alleviate the stiffness degradation and effectively improve the bearing capacity and energy dissipation capacity of the joints.Keywords:concrete-filled steel tubular column;U-shaped steel and concrete composite beam;separated internal diaphragm joint;cyclic loading test;seismic performan
11、ce钢管混凝土柱有效结合了钢材轻质高强、延性好和混凝土抗压性能好的特性,具有承载力高、抗震性能好和抗火性能优越等优点,目前在高层及超高层建筑、大跨结构和桥梁结构等工程领域得到大量应用,受到了工程领域的普遍重视1-2。U 形钢组合梁是近些年由 H 型钢-混凝土组合梁发展形成的新型组合梁,具有刚度大、综合成本低和抗火性能好等优点3。目前,学者们已对 U 形钢组合梁的受弯、受剪性能4-6和梁板抗剪连接方式7等方面做了系统性研究,形成了相对完善的理论成果,但对钢管混凝土柱与 U 形钢组合梁连接节点的研究还较为滞后,导致其在工程实际中应用较少。因此,有必要对 U 形钢组合梁与钢管混凝土柱连接节点性能展开
12、研究。节点作为梁柱间的传力枢纽,应具有足够的强度、刚度、延性和耗能性能。矩形钢管混凝土结构技术规程(CECS 159 2004)8推荐的节点形式有内隔板式、隔板贯通式和外环板式。研究表明,构造合理的内隔板式9-12、外环板式11-13和隔板贯通式12-14节点均表现出较高的承载能力和良好的抗震性能。但外环板式节点的外环板尺寸大,用钢量大,节点表面不平整,影响美观和室内布局;隔板贯通式节点需要将节点区域截断后再焊接,焊接量大,凸出的隔板也可能会影响室内的美观;相较于隔板贯通式和外环板式节点,内隔板式节点虽因节点表面平整而更易满足建筑要求,但其加工方式较为复杂,目前,主要有两种方式:1)采用熔嘴电
13、渣焊15,此方式焊接工序复杂、价格昂贵,且要求钢管壁厚不小于 16 mm,对小截面钢管柱不再适用;2)将节点域钢管截断,焊接好内隔板后再将钢管对焊,此方式切割量和焊接量大,当柱截面较小时,内隔板的施工困难,其焊缝质量也难以保证。为了避免传统节点形式可能存在的问题,针对钢管柱截面宽度小于 300 mm 或钢管壁厚度小于 16 mm 的小截面钢管混凝土柱,采用分离式内隔板节点可以实现节点形式的优化,此类节点是一种构造简单、加工方便的节点连接形式,与传统形式节点相比,它不仅能够实现在小截面柱中设置内隔板,也能保证节点表面平整不影响美观和布局,还大大降低了节点处内隔板的焊接难度,能极大地提高生产效率和
14、工业化生产程度。笔者研究方钢管混凝土柱与 U 形钢组合梁分离式内隔板节点的抗震性能,研究参数包括内隔板形式和梁柱交界面处有无加强连接,设计 4 个试件进行拟静力试验,分析节点的破坏模式、承载能力、强度与刚度退化、延性和耗能能力等指标,对比分析不同内隔板节点类型下的抗震性能差异以及梁与柱交界面连接的加强对试件抗震性能的影响,以期丰富节点类型,为钢管混凝土柱与 U 形钢组合梁连接节点的选择和设计提供参考。1试验概况1.1节点构造与试件设计1.1.1分离式内隔板节点构造及加工传统内隔板节点与分离式内隔板节点构造如图 1(a),将传统内隔板沿对称轴断开,得到构造简单、加工制作方便、适用范围广、焊接量小
15、、装配化程度高、表面平整的分离式内隔板。根据隔板传力的连续性,将隔板分为强轴、弱轴,强轴方向隔板传力连续,弱轴方向隔板传力不连续。为使强、弱轴方向受力性能相当,在弱轴方向布置加劲板,通过加劲板与混凝土间的锚固作用提高弱轴方向的传力性能。分离式内隔板节点加工过程如图 1(b),即首先将分离式内隔板焊接在由钢板弯折形成的大槽钢内,然后将两块大槽钢组焊成方钢管,最后在预 定 位 置 焊 接 U 形 钢 牛 腿 和 负 弯 矩 钢 筋 连 接套筒。1.1.2内隔板式节点受拉屈服机制内隔板式节点在拉力作用下,屈服机制如图 2所示,由图 2可知:传统内隔板节点的承载力由内隔板和钢管柱壁两部分组成16-17
16、;从受力上看,分离式内隔板强轴节点和传统内隔板节点传力都是连续的,加劲板与混凝土之间的锚固作用对强轴方向影响很小,锚固作用力可忽略不计18,所以分离内隔板强轴节点的屈服机制与传统内隔板基本相同,承载力由内隔板和钢管柱壁两部分组成,但从构造上看,强轴节点减少了受力方向上隔板与柱壁的连接长度,可能会造成柱壁附近区域应力集中,影响受力性能;分离式内隔板节点弱轴方向由于传力不连续,可能会造成节点承载力和刚度的降低,但通过加劲板与混凝土间的锚固作用,提高了弱轴方向的受力性能,因此,分离式内隔板弱轴节点承载力由内隔板、钢管柱壁以及混凝土与加劲板之间的锚固作用 3 部分组成18。由于分离式内隔板强轴、弱轴节
17、点与传统内隔板节点的受拉屈服机制和传力特点存在差异,有必要对分离式内隔板节点的抗震性能展开研究。按屈服线理论和虚功原理可得钢管柱壁和内隔板的承载力16-18。1)钢管柱壁屈服承载力 PytPyt1=Pyt2=4X(2Y+td)My+4Y(2X+Bf)Mx (1)Pyt3=4X(2Y+hr)My+4Y(2X+Bf)Mx(2)2)内隔板屈服承载力 PydPyd1=Pyd2=2 fydtd(0.5l1+l2)(3)Pyd3=fydtd(LdX-d2/4)/l1(4)X=(Bc-Bf)/2Y=BcXMx2My(5)式中:td为内隔板厚度;Ld为分离式内隔板宽度;fyd为内隔板屈服强度;Mx、My分别为
18、钢管柱壁单位长度在水平、竖向的屈服弯矩,按式(6)计算。Mx=My=t2cfyc/4(6)节点的受拉承载力应大于梁下翼缘拉力 Tb以满足“强节点弱构件”的设计要求。1)对于传统内隔板节点Py1=Pyt1+Pyd1 Tb(7)2)对于分离式内隔板强轴节点Py2=Pyt2+Pyd2 Tb(8)3)对于分离式内隔板弱轴节点Py3=Pyt3+Pyd3+Pyc Tb(9)式中:Pyc为加劲板锚固作用承载力。1.1.3加劲板作用机理对于小截面钢管柱,加劲板的尺寸会受到节点大小的限制,而加劲板尺寸将决定其作用机理,因此,合理设计加劲板尺寸对发挥其锚固作用至关重要。如图 3所示,将加劲板视为悬臂结构,并认为混
19、凝土与加劲板之间的相互作用力为均布面荷载 q,在拉力作用下,加劲板及其附区域混凝土存在以下两种失效模式:1)加劲板受弯屈服。如图 3(a),在拉力作用下,混凝土以均布面荷载 q作用于加劲板上,加劲板在根部发生受弯屈服破坏。锚固作用承载力 Pyc1由注:Pyt、Pyd分别为柱壁和内隔板屈服承载力;Bc为柱宽度;Bf为梁翼缘宽度;l1、l2为内隔板屈服线长度;br、hr分别为加劲板宽度、高度;X、Y为钢管柱壁屈服线范围。图 2节点受拉屈服机制Fig.2Yield mechanism of joints under tensile force图 1节点构造及加工Fig.1Construction a
20、nd addition of joint48第 6 期程睿,等:方钢管混凝土柱与 U形钢组合梁分离式内隔板节点抗震性能试验研究力性能;分离式内隔板节点弱轴方向由于传力不连续,可能会造成节点承载力和刚度的降低,但通过加劲板与混凝土间的锚固作用,提高了弱轴方向的受力性能,因此,分离式内隔板弱轴节点承载力由内隔板、钢管柱壁以及混凝土与加劲板之间的锚固作用 3 部分组成18。由于分离式内隔板强轴、弱轴节点与传统内隔板节点的受拉屈服机制和传力特点存在差异,有必要对分离式内隔板节点的抗震性能展开研究。按屈服线理论和虚功原理可得钢管柱壁和内隔板的承载力16-18。1)钢管柱壁屈服承载力 PytPyt1=Py
21、t2=4X(2Y+td)My+4Y(2X+Bf)Mx (1)Pyt3=4X(2Y+hr)My+4Y(2X+Bf)Mx(2)2)内隔板屈服承载力 PydPyd1=Pyd2=2 fydtd(0.5l1+l2)(3)Pyd3=fydtd(LdX-d2/4)/l1(4)X=(Bc-Bf)/2Y=BcXMx2My(5)式中:td为内隔板厚度;Ld为分离式内隔板宽度;fyd为内隔板屈服强度;Mx、My分别为钢管柱壁单位长度在水平、竖向的屈服弯矩,按式(6)计算。Mx=My=t2cfyc/4(6)节点的受拉承载力应大于梁下翼缘拉力 Tb以满足“强节点弱构件”的设计要求。1)对于传统内隔板节点Py1=Pyt1
22、+Pyd1 Tb(7)2)对于分离式内隔板强轴节点Py2=Pyt2+Pyd2 Tb(8)3)对于分离式内隔板弱轴节点Py3=Pyt3+Pyd3+Pyc Tb(9)式中:Pyc为加劲板锚固作用承载力。1.1.3加劲板作用机理对于小截面钢管柱,加劲板的尺寸会受到节点大小的限制,而加劲板尺寸将决定其作用机理,因此,合理设计加劲板尺寸对发挥其锚固作用至关重要。如图 3所示,将加劲板视为悬臂结构,并认为混凝土与加劲板之间的相互作用力为均布面荷载 q,在拉力作用下,加劲板及其附区域混凝土存在以下两种失效模式:1)加劲板受弯屈服。如图 3(a),在拉力作用下,混凝土以均布面荷载 q作用于加劲板上,加劲板在根
23、部发生受弯屈服破坏。锚固作用承载力 Pyc1由(a)传统内隔板节点(b)分离式内隔板强轴节点(c)分离式内隔板弱轴节点注:Pyt、Pyd分别为柱壁和内隔板屈服承载力;Bc为柱宽度;Bf为梁翼缘宽度;l1、l2为内隔板屈服线长度;br、hr分别为加劲板宽度、高度;X、Y为钢管柱壁屈服线范围。图 2节点受拉屈服机制Fig.2Yield mechanism of joints under tensile force(a)内隔板式节点及构造(b)分离式内隔板节点加工过程图 1节点构造及加工Fig.1Construction and addition of joint49第 45 卷土 木 与 环 境
24、工 程 学 报(中 英 文)加劲板决定。Pyc1=fyt2r48br()hr-td(10)式中:fy为加劲板屈服强度;tr为加劲板厚度。2)混凝土斜截面剪切破坏。当加劲板自身不发生屈服破坏时,作用在加劲板与柱壁之间的混凝土按图 3(b)所示的模型沿着破坏面发生剪切破坏,混凝土的斜截面受剪承载力参照 混凝土结构设计规范(GB 500102010)19考虑,斜截面受剪承载力系数取为 0.7。锚固作用承载力 Pyc2由混凝土斜截面受剪承载力决定。Pyc2=2cvftLd(br+hr-td)(11)式中:cv为斜截面上受剪承载力系数;ft为混凝土轴心抗拉强度。因此,分离式内隔板节点弱轴方向的加劲板锚固
25、作用承载力 Pyc为Pyc=min(Pyc1,Pyc2)(12)此外,为发挥分离式内隔板弱轴节点加劲板的锚固作用,还需从加劲板的承载力和刚度两方面验证其尺寸,避免发生加劲板根部受剪破坏、锚固区域局部混凝土压碎和加劲板端部位移超过限值的 3种不利破坏模式。加劲板尺寸应满足加劲板根部不发生剪切破坏。()Pyc/2()brt2r/8()brt3r/12 br=3Pyc4brtr fyv(13)式中:fyv为加劲板抗剪强度。锚固区域混凝土不发生受压破坏。Pyc br(hr-td)fc(14)式中:fc为混凝土轴心抗压强度。加劲板端部位移不超过限值 Pyc()hr-td38brE()brt3r/12()
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