【L形方钢管混凝土组合柱钢梁顶底角连接节点的抗震性能研究】 钢梁和混凝土梁

? L形方钢管混凝土组合柱钢梁顶底角连接节点的抗震性能研究 L形方钢管混凝土组合柱钢梁顶底角连接节点的抗震性能研究

蒲 瑜

(重庆建筑工程职业学院， 重庆 400072)

[摘 要] 提出了一种L形方钢管混凝土组合柱钢梁顶底角连接新型组合节点，为了论证新型节点的抗震性能，利用模拟地震加载试验对四个指标均相同的试件进行了实验。试验结果表明，4个试件在位移-30 mm前，荷载随位移的增加而减小，在位移大于0之后，荷载随位移的增加而增加，表明试件的正向塑性能力比反向塑性能力要好。随着累积滞回耗能的增加，试件能量耗散也随之增大，其中能量耗散在累积滞回耗能为4Δy之前，增加的趋势较为缓慢，而在累积滞回耗能大于4Δy后，能量耗散增加的趋势较为迅速。试件刚度退化中L1最慢，其抗震性能的较其他3个要好。

[关键词] 混凝土； 组合柱； 顶底角； 抗震性能

1 概述

在钢管中并且是异形截面的钢管中浇注混凝土后从而形成的异形柱结构称为钢管混凝土异形柱。直接的说钢管混凝土异形柱就是混凝土灌入到异形管中[1-4]。钢管混凝土柱在垂直方向上的负荷能力相对要高，可以承受比较大的垂直方向上的荷载，尤其是混凝土的核心筒，其抗侧的刚度非常大，可以抵消地震所带来的部分影响[5]。内层核心混凝土与外层钢管两者可以共同负担来自不同方向的荷载，外层的钢管的作用是能够对核心的混凝土进行约束，有效提高其整体的抗震性能 [6-9]。

钢管混凝土柱应用得最多的领域是工程领域，节点的设计是其整个结构设计的关键点，单从节点设计这一个方面来说现有的对于钢管混凝土的设计样式是各种各样的，连接点存在于钢筋混凝土的梁中、钢-混凝土组合梁，钢管混凝土柱与钢梁等其构造以及受力结构都相对复杂，节点的功能是可以将梁柱连接成一个整体，具备非常好的强度以及刚度，可以协调与传递被连接杆件的压力与变形，使得被破坏要稍微比连接的杆件要晚[10-13]。节点是钢管混凝土中比较重要的构成环节，不过节点的连接机构、受力能力以及破坏机理等相关方面的研究还相对不足，且有.很多问题需要解决。

2 实验设计

2.1 组合柱钢梁顶底角连接节点设计

梁柱连接的作用在于传递弯矩和剪力，如果它的刚度不能达到有关的设计要求，钢框架的结构性能则有可能因此受到影响，无法达到设计者预期的目标。在本文的研究中，钢管混凝土组合柱梁的大小值取H300×200×6×10，截面尺寸的大小值取230 mm×230 mm×230 mm，L形加劲板的细部尺寸，垂直方向上的高度H=100 mm，长度L=20 mm，厚度t=1 000 mm，梁长和柱高选取的位置与反弯点相接近，柱上下端的距离长度值都为1 000 mm，厚度t的值为100 mm，钢材使用的是Q235，L110×12为接角钢规格，柱节点区域处在横向上会加设加劲肋，且其厚度值为12 mm，，与腹极角、柱樊缘采取的连接方式是焊接，，根据材性试验的结果就钢材的单轴应力与应变的关系曲线试验结果应该取3，屈服强度为285 MPa，弹性模量为2.0×105 MPa，极限强度为425 MPa，混凝土用C30，弹性模量为2.3×105 MPa，节点示意图如图1所示。

图1 节点连接示意图

Figure 1 Joints shaped groph

如表1各个试件在本实验中的主要试验指标被列出。

表1 试件指标Table1 Theindexesofspecimens试件编号方钢管混凝土组合柱钢梁试件高度/mm钢管直径/mm钢管壁厚/mm混凝土强度等级钢骨类型试件长度/mm型号加强环尺寸/mm胁板尺寸/mmL1、L2、L3、L412001603.5C60I10600I1660×860×160×8

在本试验中不同的试件所受的轴向压力在力度方面是不同的，这样主要是为了研究节点区的受力性能是否能够被轴向压力所影响。表2为具体的取值情况。

表2 重载柱轴向压力取值Table2 Thevalueoftheaxialcompressiveloadoncolumns试件编号长细比λ立方体强度fcu/MPa抗压强度fc/MPa柱子轴力N/kNN0/K轴压比n1=N/N0L13063.542.0130028050.46L23062.541.6100027950.36L33061.643.3170028000.61L43060.642.6150028100.53

2.2 加载方式

本试验控制加载运用的是力-位移混合。试件发生屈服前，控制可以通过载荷实现，加载可以采用分级的方式进行，在开裂发生以前以及在屈服荷载出现以前，级差加截应该要减少，图2为具体的加载制度，对变形的控制要在屈服事件出现以后，变形是为试件在屈服发生之前的最大位移值，以倍数和级差作为该位移下控制加载的标准。

图2 加载制度

Figure 2 The loading mechanism

3 试验结果及分析

3.1 具体破坏的形态

这4个试件的破坏形态主要的形成原因是节点区的钢管壁由于环破坏不断加强而导致的管壁撕裂。钢管和钢梁在载荷的控制阶段的受力一般都在其弹性负载能够承受的范围之内，试件相对来说的变化比较小，但是当试件出现屈服的时候，试件与管壁及加强环交界处都会出现微裂缝，在梁端不断加载的过程中，钢梁顶底角连接处的垂直方向会有裂缝的产生，当加载持续到后期。钢梁顶底角连接处以及焊缝不但会在与上加强环板交界处的管壁会有肉眼可见的向外突出，同时还会伴有一定的响声，由于上述原因整个节点都可能被破坏。

3.2 试件节点的荷载-位移关系

图3为各点试件滞回曲线加载第一次循环的峰点所连成的骨架曲线，由图3可以看出，在反向，位移在-30 mm前，荷载随位移的增加而减小，四条曲线的排列顺利为L2、L3、L4、L1；在位移为-30～0 mm之间时，荷载随位移的增加呈上升趋势，但四条曲线的排列顺利变为L2、L1、L4、L3；在位移大于0之后，正向的曲线任随位移的增加而增加，四条曲线的排列顺利则变为L2、L3、L1、L4；这主要是由于方钢-混凝土组合柱不管是拉还是压的整体力学性能都有差异，并且存在相对滑移，在梁端荷载的反复作用下，各节点骨架曲线的位移以及正反方向的荷载值无法对称，如在反向最低点值为-150 kN，在正向最高点值为240 kN。节点骨架曲线经过了四个下降阶段，分别为弹性、弹塑性、塑性、塑性阶段。骨架曲线的正向下降段比较缓慢当时反向上的下降相对较为明显，这说明与正向塑性相比，反向的塑性相对要差。原因是因为柱顶约束属于不对称结构，约束较弱，所以节点在正反方向上的承载力因此而出现差异。

图3 节点骨架曲线图

Figure 3 The node skeleton graph

实验中对柱顶位移的测定，不难发现正反方向加载的差值相对比较小。当加点连接基本构造增强，节点正方向的极限承载力以及承载力都会加大，在弹性的范围内其刚度也会变大，不过节点屈服的位移正好相反，它会变小，反向上，当节点位移接近极限荷载，节点的破坏位移以及整体强度则会变小，其退化强度则会增大。

3.3 累积滞回耗能对比

图4为试件累积滞回耗能曲线。本文用与Δ/Δy 相关的曲线形式表示构件的累积滞回耗能，其中Δ、表示梁端位移、Δy表示屈服位移，图4中各特征点表示屈服位移的整数倍，和加载制度相对应。由图可以看出，随着累积滞回耗能的增加，能量耗散也随之增大，其中能量耗散在累积滞回耗能为4Δy之前，增加的趋势较为缓慢，而在累积滞回耗能大于4Δy后，能量耗散增加的趋势较为迅速，表现为曲线的斜率增大。同时由图可以看出，在4Δy之前，L1、L2、L3、L4的累积在大体上是近似于一致的，但L1在接近破坏形态时的累积能耗相比于L2、L3明显高于其数值。L4在6Δy前一直高于L1、L2、L3，在6Δy后低于L1、L2，但与L2曲线非常接近。6Δy后，L3低于L1、L2、L4三条曲线，说明方钢混凝土梁柱组合体的总的滞回耗能在6Δy前最大的为L4，6Δy后，最大的为L1。

图4 试件累积滞回耗能曲线

Figure 4 The cumulative hysteretic energy curve

3.4 刚度退化对比

图5为试件刚度退化曲线，试件结构的退化形式是其在抗震性能方面的一个重要的衡量标准，也是一种早积累损伤方面在影响方面的直接反应，在本研究中组合体刚度退化速度的快慢是用刚度退化的系数=Ki/K1来表示的。Ki为第i级循环加载的第一个滞回环的峰值荷载与对应位移的比值。在图5中我们可以看到，刚度退化系数为其纵坐标，其横坐标为Δ/Δy。随着Δy的增大，试件的刚度退化曲线呈下降趋势，最后趋势于平稳，在Δy大于2后，刚度退化曲线变化缓慢，逐渐趋于平稳。L3的刚度退化要比L1的快，在同等位屈比的刚度下L3Δy的情况下刚度L4

图5 试件刚度退化曲线

Figure 5 The stiffness degradation curve

3.5 梁端P-Δ滞回曲线

图6为4个试件的P-Δ滞回曲线，图6表明：当逐级增大竖向载荷时，会使滞回环更加丰满，这也会相应的退化加载时的整体刚度，而刚度弹性值在卸载时却基本不变，与加载开始时基本相等。试件L4除外，其它三个试件的滞回曲线都没有捏缩现象产生，它的梭形很丰满，也就是说，在一定的范围内，不论轴力的值如何变化，其都有不错的抗震性能。除此之外，实验表明在一定的范围内，当轴压比的值变化时，试件的滞回曲线并不会受到太大影响，如若在试件节点的核心区域发生了破坏，轴力比对节点的抗震性能会产生比较正面积极的影响。另外，实验还发现，当全部的试件都发生了破坏，就会降低在梁端的整体承载力，同样下降速度很缓慢。为了深入分析对节点的受力性，设计实验的时候，梁的刚度有所加大，目的在于确保破坏出现在节点区。

3.6 轴压比对节点抗震性能的影响

结构的延性是衡量节点抗震性能的重要指标之一并且反映着吸收地震能量的能力。其中若反复作用结构，使其在底载荷下，对于结构各方面的性能(这其中的规律有刚度、承载力、延性以及刚度的退化等)来说，可以更直接全面的被载荷-位移滞回曲线所反映。试件的骨架曲线是指每个循环的峰值点(滞回曲线的)，将他们在低周反复加载下连接起来。延性也是重要指标之一，它反映着材料非弹性变形以及试件结构、构建。本试验采用μ1=Δu/Δy式的位移延性的指标，即延性系数，在骨架曲线中，Δu表示位移，它被极限载荷值所对应，而Δy也表示位移，但是指结构屈服时。试件的延性系数可以通过采集过后得出的实验数据计算出，具体见表3。

图6 P-Δ滞回曲线

Figure 6 The P-Δ hysterefic curves of beam ends

表3 试件位移延性系数Table3 Thedisplacementductilityfactor试件编号ΔuΔyL154.2417.57L255.6318.51L353.7817.25L452.0316.91

由表3可以看出：4个试件的延性系数都比3要大，当不断增大轴压比的时候，反而会降低试件的位移延性系数，但是不会下降很多，因此，在一定范围内，当轴压比较高时，对于构件的延性产生的影响也不会很不好，不过这种影响并不大。L1和L4的延性系数非常接近，分别为3.09、3.08；L2的延性系数最小，为3.01，L3的延性系数最大，为3.12。这主要是由于在相同的条件下，试件的轴压比不同所致。

4 结论

① 试件L1、L2、L3、L4的破坏形态是节点区钢管壁撕裂，它是由加强环破坏造成的，这种破坏形态主要存在于重载柱与钢梁的连接节点间。

② 位移在-30 mm前，荷载随位移的增加而减小，在位移大于0之后，荷载随位移的增加呈上升趋势，正向的曲线任随位移的增加而增加，试件的正向塑性能力比反向塑性能力要好。

③ 随着累积滞回耗能的增加，试件能量耗散也随之增大，其中能量耗散在累积滞回耗能为4Δy之前，增加的趋势较为缓慢，而在累积滞回耗能大于4Δy后，能量耗散增加的趋势较为迅速，表现为曲线的斜率增大。试件刚度退化中L1最慢，其抗震性能的较其他3个要好。

④ 若反复对其作用载荷，梁端的节点将发生破坏，节点储备着较高的强度，并且有着比较丰满的滞回曲线形状，重载柱节点是新型的，它的抗剪承能力和抗震性能都很出色。随着增大了轴压比，就会降低延性系数(节点试件的)，幅度却不大，L1和L4的延性系数非常接近，L3的延性系数最大。

[参考文献]

[1] 任慧韬，郭星，王苏岩.FRP管-混凝土-钢管组合短柱轴压性能试验及有限元分析[J].大连理工大学学报，2015，55(6)：612-617.

[2] 杨德山.钢骨-钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J].钢结构，2015，30(11)：10-12.

[3] 吴殿臣.GFRP管-混凝土-钢管组合短柱承载力分析[D].大庆：东北石油大学，2014.

[4] 姚亚楠，荣彬，张广泰，等.T形截面方钢管混凝土组合异型柱的单向压弯力学性能和承载力研究[J].建筑技术，2015，46(1)：61-65.

[5] 周维，朱晓丽，马亚航.不锈钢管/普通钢管高强混凝土组合柱轴压力学性能研究[J].湖南城市学院学报：自然科学版，2015，24(2)：42-46.

[6] 许惠清，温宇平.钢骨-钢管混凝土组合柱的研究进展[J].山西建筑，2016，42(5)：34-37.

[7] 杨德山.钢骨-钢管混凝土柱的抗震性能研究[D].包头：内蒙古科技大学，2014.

[8] 王吉忠，刘连鹏，叶浩.钢管-混凝土组合柱在我国的研究进展与展望[J].水利与建筑工程学报，2014，12(4)：143-150.

[9] 熊礼全，门进杰.钢筋混凝土柱-钢梁空问组合框架节点的研究状况[J].四川建筑，2014，34(4)：151-152.

[10] 李凤彬，张广泰，荣彬，等.开孔钢板连接L形截面方钢管混凝土组合异形柱换算长细比计算方法[J].钢结构，2014，29(5)：20-24.

[11] 刘爽，张晓东，王金国.型钢混凝土组合结构柱优化研究[J].江西建材，2015(22)：5.

[12] 曲晟.型钢混凝土组合结构柱与钢筋混凝土梁连接节点施工技术[J].福建建筑，2014(2)：95-98.

[13] 马爱民，韩昆鹏，代波涛.预应力混凝土结构抗震性分析的探讨[J].四川建材，2014，40(3)：78-80.

Study on Seismic Behavior of Square Steel Tube Concrete Column Beam Joints Shaped Top-seat with L-plat

PU Yu

(Chongqing Jianzhu College， Chongqing 400072， China)

[Abstract] A new type of seismic behavior of square steel tube concrete column beam joints shaped top-seat with L-plat is investigated，and four specimens model connections were tested under simulated seismic loading.Experimental results show that the four specimens in front of the displacement -30 mm，load decreases with the increase in displacement，displacement is greater than 0，load increases with the increase of displacement，indicating that the positive plastic ability than the reverse plastic ability is better.With the increase of cumulative hysteretic energy，energy dissipation increases，which energy dissipation in cumulative hysteretic energy for 4Δy before the increase trend is relatively slow，and accumulated hysteretic energy dissipation is greater than 4Δy，and trend of the energy dissipation increases more rapidly.L1 is the slowest，and the seismic performance of the specimen is better than that of the other three.Under the action of repeated load，the failure of the joint occurs in the beam end，the node strength reserve is higher，the shape of the hysteresis curve is full，the new column node has high shear capacity and good seismic performance.With the increase of the axial compression ratio，the displacement ductility coefficient of the specimen is decreased，but the ductility coefficient of L1 and L4 is very close，and the ductility coefficient of L3 is maximum.

[Key words] concrete；columns；top-seat；seismic performance

[收稿日期] 2016 — 06 — 22

[作者简介] 蒲 瑜(1969 — )，男，重庆人，副教授，研究方向：从事建筑结构及建筑力学设计、施工及教学研究工作。

[中图分类号] TU 375； U 442.5+5

[文献标识码]A

[文章编号]1674 — 0610(2016)05 — 0230 — 05