混凝土樓板對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

混凝土樓板對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的確定多層樓結(jié)構(gòu)已成為廣泛應(yīng)用的建筑振動(dòng)結(jié)構(gòu)形式。高架結(jié)構(gòu)框架的節(jié)點(diǎn)通常采用柱連接和剛性連接。典型梁柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式為鋼梁翼邊緣與柱連接、鋼梁背板與柱連接或高強(qiáng)度螺釘連接。鋼框架結(jié)構(gòu)中的樓蓋常采用混凝土或壓型鋼板混凝土組合樓板，但是目前在鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)卻很少考慮樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)承載性能的影響?，F(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)原則之一是“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”，但對(duì)于多高層鋼結(jié)構(gòu)，工程實(shí)際中采用的方法是局部加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，如梁端加腋、梁翼緣加厚或加蓋板等，并沒有利用節(jié)點(diǎn)區(qū)樓板使承載力提高的部分，特別是在采用鋼柱-組合梁的框架結(jié)構(gòu)中，樓板對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載性能影響更為突出。一般認(rèn)為樓板會(huì)使節(jié)點(diǎn)承載力和剛度提高，但樓板也有其不利的一面，混凝土樓板的存在將使節(jié)點(diǎn)正彎矩區(qū)截面中和軸上移，下翼緣應(yīng)力可能比不考慮樓板作用時(shí)有所加大，將使鋼梁下翼緣處于不安全狀態(tài)。同時(shí)，考慮樓板影響后，節(jié)點(diǎn)的剛度上升，對(duì)鋼框架整體的內(nèi)力分布和抗震延性產(chǎn)生影響，有必要研究樓板對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。已經(jīng)進(jìn)行的研究結(jié)果表明，改進(jìn)節(jié)點(diǎn)區(qū)焊接孔構(gòu)造型式可以使塑性鉸外移，可以有效增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)延性，而且對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力影響也較小，制作工藝與傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)基本相同，是一種比較理想的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。因此，本試驗(yàn)中選取了現(xiàn)行GB50011—2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱“抗震規(guī)范”）中推薦的梁柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)形式和改進(jìn)焊孔構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的兩種形式，并參考文獻(xiàn)確定了試件節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。研究考慮樓板影響后節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力和位移分布，比較其應(yīng)力集中情況及承載能力和剛度的變化，為改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)方法提供試驗(yàn)依據(jù)。1試驗(yàn)總結(jié)1.1鋼板、混凝土板材料本文所進(jìn)行的4個(gè)試件試驗(yàn)采用框架平面的十字形模型。其中鋼梁柱部分均為焊接H形截面，梁腹板采用4個(gè)10.9級(jí)M20摩擦型高強(qiáng)度螺栓與柱翼緣連接。梁截面尺寸為400mm×150mm×8mm×14mm，柱截面尺寸為450mm×250mm×12mm×16mm，梁柱截面板件的寬厚比、高厚比均滿足我國現(xiàn)行“抗震規(guī)范”的構(gòu)造要求。鋼板所用材料為Q235B鋼，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度平均值為fy=312.93N/mm2，彈性模量為E=2.080×105N/mm2。樓板采用壓型鋼板混凝土組合樓蓋，抗剪栓釘均按照完全剪力連接設(shè)計(jì)，樓板有效寬度為850mm，樓板厚125mm，其中壓型鋼板槽深75mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)采用C30級(jí)，實(shí)測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度平均值為40.96N/mm2?；炷涟蹇v筋采用直徑為12mm鋼筋，間距分別為80mm和120mm，材性試驗(yàn)得到鋼筋的屈服強(qiáng)度為371.2N/mm2，分布鋼筋則采用φ8@100鋼筋。節(jié)點(diǎn)部分的詳細(xì)構(gòu)造如圖1所示，梁端上下翼緣與柱翼緣全熔透對(duì)接焊縫采用墊板焊接，施焊后未去掉墊板。1.2節(jié)點(diǎn)區(qū)、混凝土樓板、鋼柱受力及變形測(cè)量試驗(yàn)加載裝置見圖2，柱試件豎直放置，柱上無軸向荷載。在梁端施加低周循環(huán)荷載，直至構(gòu)件完全破壞，計(jì)算機(jī)同步采集各測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)變等測(cè)量值。上下柱端為不動(dòng)鉸，梁反彎點(diǎn)為自由端。節(jié)點(diǎn)區(qū)量測(cè)項(xiàng)目包括荷載、加載點(diǎn)位移、梁柱相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)域變形、沿梁下翼緣中線應(yīng)力分布及梁腹板應(yīng)力分布等?；炷翗前辶繙y(cè)項(xiàng)目包括混凝土板中縱向鋼筋應(yīng)力分布情況、樓板受力過程中的裂縫發(fā)展、樓板與鋼梁間的相對(duì)滑移等。圖2中，1～4號(hào)壓力傳感器用來測(cè)定梁端施加的荷載。5～10號(hào)位移計(jì)用來監(jiān)測(cè)梁段位移；11、12號(hào)位移計(jì)監(jiān)測(cè)混凝土板與鋼梁之間的相對(duì)位移；13、14號(hào)位移計(jì)監(jiān)測(cè)柱端位移；15、16號(hào)引伸儀用來量測(cè)節(jié)點(diǎn)域內(nèi)部柱腹板的變形；17、18號(hào)位移計(jì)布置在柱翼緣外表面，位置與柱加勁肋一致，用來量測(cè)節(jié)點(diǎn)域整體變形。1.3試件荷載分析循環(huán)荷載加載過程按照J(rèn)GJ101—96《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》的規(guī)定，采用荷載-變形雙控制的方法。加載分兩個(gè)階段（圖3），試件屈服前采用荷載增量控制，根據(jù)有限元分析，試件的彈性極限荷載約為120kN，分4級(jí)，每級(jí)循環(huán)1次，直到試件破壞。由于組合梁上下剛度并不對(duì)稱，造成節(jié)點(diǎn)在承受正向和反向豎向荷載時(shí)所產(chǎn)生的位移不一致，以B側(cè)的梁段進(jìn)行加載控制，規(guī)定荷載向上為正，加載點(diǎn)的位移亦以向上為正。2試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形式2.1裂縫的分布特征試驗(yàn)加載時(shí)，均先加B端的正向荷載，表1給出了主要試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞模式。從試驗(yàn)中可以看出，配筋率會(huì)影響混凝土板的破壞模式，盡管4個(gè)節(jié)點(diǎn)的開裂荷載都相差無幾，但是在裂縫的形式和分布上有差別。配筋率高的試件的裂縫呈現(xiàn)出細(xì)而密的分布特征，斜向裂縫占大多數(shù)，而配筋率低的試件裂縫則相對(duì)來說少而寬，以水平通長(zhǎng)裂縫為主。梁腹板的剪切連接板在所有試驗(yàn)中均沒有產(chǎn)生明顯的滑移，高強(qiáng)度螺栓未見任何滑動(dòng)破壞現(xiàn)象。2.2節(jié)點(diǎn)破壞階段所有節(jié)點(diǎn)試件都是以鋼梁下翼緣受拉時(shí)翼緣根部焊縫截面斷裂為破壞特征，而上翼緣對(duì)接焊縫沒有任何損壞。試驗(yàn)結(jié)果顯示，考慮樓板影響后所帶來的下翼緣根部焊縫的應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)高于上翼緣的情況，而且由于柱翼緣對(duì)梁翼緣變形的限制，使得在梁柱交界面處的應(yīng)力狀態(tài)為三向拉應(yīng)力，這在下翼緣表現(xiàn)得更為突出，使得下翼緣焊縫更容易發(fā)生脆性斷裂。從試驗(yàn)結(jié)果分析，影響節(jié)點(diǎn)破壞模式的因素主要包括焊接缺陷、應(yīng)力分布狀態(tài)、應(yīng)力集中等。(1）焊接缺陷：明顯的焊接缺陷往往是裂縫開始擴(kuò)展的位置，焊縫質(zhì)量是影響節(jié)點(diǎn)低周疲勞特性的主要因素。試件CJ3的焊縫存在缺陷，因此在滯回圈數(shù)較少的情況下便發(fā)生低周疲勞脆斷，造成節(jié)點(diǎn)的承載力也偏低。從鋼筋與鋼梁截面的應(yīng)力分布也可以看出節(jié)點(diǎn)破壞階段的差異。最早發(fā)生脆性破壞的試件CJ3，裂縫斷裂時(shí)，受拉鋼筋剛剛達(dá)到屈服，而鋼梁截面下翼緣雖然達(dá)到了屈服，但應(yīng)變較小，僅為試件CJ1和CJ2相應(yīng)位置峰值應(yīng)變1/10左右，鋼梁腹板遠(yuǎn)未達(dá)到屈服。對(duì)于試件CJ1和CJ2，鋼筋在受拉時(shí)屈服，在受壓時(shí)接近于屈服狀態(tài)，鋼梁下翼緣應(yīng)變水平較高，遠(yuǎn)大于屈服應(yīng)變，但鋼梁腹板截面整體上屈服不明顯，只是在受壓外側(cè)接近于屈服。對(duì)于延性最好的試件CJ4，鋼筋在受拉和受壓狀態(tài)下均進(jìn)入屈服，受壓鋼梁翼緣的應(yīng)變值為試件CJ1的2倍左右，加載到峰值應(yīng)變時(shí)，鋼梁腹板的兩側(cè)都已經(jīng)進(jìn)入屈服狀態(tài)，接近于達(dá)到全截面屈服的狀態(tài)。從上面的應(yīng)力分布狀況可以看出，除了試件CJ4外，其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)受到焊縫提前斷裂的影響較大，沒有達(dá)到全截面屈服的破壞狀態(tài)。(2）應(yīng)力分布狀態(tài)：不同的焊接孔形狀對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)附近梁翼緣的應(yīng)力分布狀況有很大影響，進(jìn)而影響試件的破壞模式。試驗(yàn)中，試件CJ2和CJ4節(jié)點(diǎn)具有較長(zhǎng)的焊接孔，梁翼緣在開孔段近似為承受軸向力的板件，在往復(fù)拉壓荷載作用下，發(fā)生了明顯的局部屈曲，滯回曲線均勻飽滿，而試件CJ1和CJ3焊孔較小，難以發(fā)揮翼緣屈曲耗能的性能，完全累計(jì)在焊縫的變形上，容易使節(jié)點(diǎn)焊縫在低周往復(fù)循環(huán)荷載作用下較早地發(fā)生脆性斷裂，影響其滯回耗能性能。(3）應(yīng)力集中狀態(tài)：在焊接孔根部梁腹板與翼緣相交處出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中的程度明顯受到了混凝土板配筋的影響。配筋率高，整個(gè)截面剛度增大，作用彎矩相等的情況下，應(yīng)力集中程度增加，尤其是在梁下翼緣與柱翼緣相交焊縫處，表現(xiàn)出不同的斷裂模式。低配筋的試件CJ1和CJ2，焊縫源自焊趾處，在焊縫體內(nèi)擴(kuò)展，最后造成焊縫處的全截面斷裂，而高配筋的試件CJ3和CJ4，裂縫從焊趾處發(fā)生后，向柱翼緣內(nèi)擴(kuò)展，最后造成焊縫根部，包括部分柱翼緣母材在內(nèi)的全截面斷裂。3心線處相對(duì)轉(zhuǎn)角一般來說，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角φ是指節(jié)點(diǎn)連接處梁柱軸線之間夾角在某荷載作用下相對(duì)于無荷載時(shí)的改變值，在承受水平地震荷載作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)變形將以節(jié)點(diǎn)域內(nèi)的柱腹板剪切變形為主。本文試驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角φ是指鋼梁梁端上下翼緣中心線處的相對(duì)轉(zhuǎn)角，如圖4所示。圖中x1,x2為鋼梁梁端處上下翼緣所產(chǎn)生的變形（圖2中17和18號(hào)位移計(jì)測(cè)得變形），d為上下翼緣中心線的間距，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角按φ=dx1-x2計(jì)算，同時(shí)，將節(jié)點(diǎn)處的柱翼緣外側(cè)的彎矩值作為考察的M值，M值按M=PL計(jì)算，式中，P為施加的荷載值，L為加載點(diǎn)到柱翼緣外側(cè)的力臂長(zhǎng)度。表2和圖5給出了節(jié)點(diǎn)試件的主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，試件屈服是指柱表面處梁截面鋼材達(dá)到邊緣屈服的狀態(tài)，該狀態(tài)下的荷載、位移和轉(zhuǎn)角定義為彈性極限荷載Py、彈性位移Δy和彈性極限轉(zhuǎn)角φy。極限狀態(tài)是指構(gòu)件達(dá)到了試驗(yàn)峰值破壞荷載時(shí)的狀態(tài)，取試件破壞前出現(xiàn)的最大荷載及其所對(duì)應(yīng)的位移和轉(zhuǎn)角作為極限狀態(tài)參量Pu、Δu、φu。3.1試驗(yàn)件的滯回曲線除試件CJ3由于焊縫破壞較早，滯回曲線面積明顯偏小外，其他的試件都表現(xiàn)出較好的延性，基本上都呈紡錘形，其截面的破壞形式均為出現(xiàn)塑性鉸后再發(fā)生焊縫撕裂。試件CJ1和CJ2的滯回曲線在卸載完成的時(shí)候出現(xiàn)捏攏的現(xiàn)象，這主要是由于在反向加荷時(shí)，受拉區(qū)混凝土裂縫尚未閉合，使初始剛度下降，待裂縫閉合受壓區(qū)混凝土參加工作后，剛度增加，曲線也上升了。從圖5(d）中可以看出，試件CJ4的包絡(luò)線面積最大，延性最好，滯回曲線最為飽滿光滑，證明該節(jié)點(diǎn)具有良好的承受低周循環(huán)地震荷載的能力。3.2節(jié)點(diǎn)極限承載力(1）節(jié)點(diǎn)的極限承載力，從表3可以看出，有比較大的焊接孔及高配筋率的試件CJ4節(jié)點(diǎn)最高，這一方面是因?yàn)樵嚰﨏J4配筋率較高，能夠有較多的鋼筋遠(yuǎn)離鋼節(jié)點(diǎn)的中和軸，與鋼梁一塊共同抵抗節(jié)點(diǎn)所受的梁端荷載作用，提高了節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度，另一方面，由于焊接孔部位梁翼緣自由段較長(zhǎng)，在節(jié)點(diǎn)彎矩作用下，焊孔處段梁翼緣發(fā)生屈曲，然后在循環(huán)加載過程中被反復(fù)壓屈和拉直，使得較大范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性發(fā)展，降低了應(yīng)力集中，減緩了焊縫的裂縫脆斷撕裂的過程，使得節(jié)點(diǎn)能夠承受較高的荷載循環(huán)。試件CJ3由于焊接孔處翼緣塑性發(fā)展很少，導(dǎo)致焊縫斷裂較早，承載力較低。對(duì)比文獻(xiàn)中的純鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，除試件CJ3基本接近以外，試件CJ1提高10%，試件CJ3提高了20%，試件CJ4的極限承載力更是提高了42%，說明在保證延性的前提下可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力。(2）彈性極限荷載各試件基本一致，說明在受荷初期，混凝土開裂以前，截面的正向剛度與負(fù)向剛度比較接近，焊孔類型對(duì)鋼梁截面的削弱并沒有體現(xiàn)出來，因此，在初始線剛度上各試件也相差無幾，高配筋下節(jié)點(diǎn)的初始線剛度略高一些。由于考慮了混凝土樓板的影響，正負(fù)彎矩下的彈性極限荷載相對(duì)于文獻(xiàn)中的純鋼節(jié)點(diǎn)均提高了15%以上。(3）考慮樓板影響的節(jié)點(diǎn)變形相對(duì)于純鋼節(jié)點(diǎn)有不同程度的下降，主要是截面剛度增加以后，轉(zhuǎn)動(dòng)能力下降，相對(duì)于同樣的變形分布，截面的應(yīng)力水平要高許多，導(dǎo)致截面的極限變形能力下降。但從試驗(yàn)結(jié)果看，試件CJ4的極限轉(zhuǎn)角接近0.02rad，說明對(duì)于只要合理的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和配置樓板鋼筋，就可以獲得良好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，并且可以控制節(jié)點(diǎn)各部分的屈服順序。3.3節(jié)點(diǎn)能量吸收本文采用位移延性系數(shù)μΔ=Δu/Δy和轉(zhuǎn)角延性系數(shù)μφ=φu/φy作為節(jié)點(diǎn)塑性變形能力的度量指標(biāo)。根據(jù)圖6所示的節(jié)點(diǎn)滯回曲線的包絡(luò)圖，還可以計(jì)算得到各試件的能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he。表4給出了各試件延性和耗能指標(biāo)以及文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)的純鋼節(jié)點(diǎn)的結(jié)果，同時(shí)，表中還定義了節(jié)點(diǎn)承載力儲(chǔ)備Sr=Mu/My，用以表示節(jié)點(diǎn)開始屈服后承載能力繼續(xù)增加的能力。對(duì)于每個(gè)試件，包絡(luò)圖面積基本反映了在加載到極限位移的一個(gè)加載循環(huán)中，節(jié)點(diǎn)所吸收的能量。通過比較表4列出的能量耗散系數(shù)E，可以看到因?yàn)楹附尤毕荻^早破壞的試件CJ3能量耗散系數(shù)E非常小，而試件CJ4由于循環(huán)的次數(shù)最多，因此其能量吸收也是最大的，比試件CJ3高出61%。從表4可知，本次試驗(yàn)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角延性系數(shù)μφ=3.48～7.22，均大于3。各節(jié)點(diǎn)的等效黏滯阻尼系數(shù)he=0.202～0.325，而鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)的he一般為0.1左右，可見本次試驗(yàn)中的節(jié)點(diǎn)耗能能力相當(dāng)于混凝土節(jié)點(diǎn)的2～3倍，與文獻(xiàn)鋼節(jié)點(diǎn)相當(dāng)，耗能性能良好。3.4破壞過程分析本文作者還對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了相應(yīng)的有限元分析。采用ANSYS程序?qū)紤]混凝土樓板影響的節(jié)點(diǎn)受力及破壞全過程進(jìn)行了模擬，鋼梁柱采用Solid45單元，混凝土采用Solid65單元，分析中考慮了節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土開裂與壓潰、鋼筋屈服、摩擦滑動(dòng)等破壞模式。表5給出了節(jié)點(diǎn)極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較，可以看到有限元分析的結(jié)果與試驗(yàn)值比較接近，證明有限元計(jì)算結(jié)果是可靠的。4節(jié)點(diǎn)延長(zhǎng)試驗(yàn)(1）節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土樓板對(duì)于提高鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在低周循環(huán)荷載下的抗彎承載力效果明顯，即使配筋較小的情況下，也有10%以上的提高，設(shè)計(jì)合理的節(jié)點(diǎn)提高程度更是可以達(dá)到40%以上，有利于實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則；(2）本