半剛性連接梁柱組合節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

半剛性連接梁柱組合節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

0試驗(yàn)試驗(yàn)研究為了簡(jiǎn)化分析，通常將梁柱連接假設(shè)為理想的剛性連接或切接點(diǎn)。但在實(shí)際工程中,大部分連接介于兩者之間,為半剛性連接。壓型鋼板-混凝土組合樓板和半剛性連接純鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一種新的連接形式——半剛性組合連接。研究表明,半剛性組合連接具有良好的受力和抗震性能;另外,相對(duì)于剛接和鉸接框架,采用半剛性連接組合框架還可以節(jié)約造價(jià),加快施工速度。近20年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者在開展半剛性連接節(jié)點(diǎn)理論研究的同時(shí),也進(jìn)行了大量的純鋼節(jié)點(diǎn)和組合節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究。目前的試驗(yàn)研究主要集中在梁端單調(diào)對(duì)稱加載方面(節(jié)點(diǎn)承受負(fù)彎矩作用),對(duì)于連接承受正彎矩作用的研究相對(duì)較少。我國(guó)自1992年開始,陸續(xù)進(jìn)行了一些半剛性純鋼節(jié)點(diǎn)的靜力、擬靜力和抗火試驗(yàn)研究,并進(jìn)行了少量的組合節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和半剛接鋼框架試驗(yàn)、組合框架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,負(fù)彎矩作用下,梁柱組合節(jié)點(diǎn)比純鋼節(jié)點(diǎn)具有更高的彎矩承載力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。目前的試驗(yàn)研究成果大多集中于單調(diào)荷載試驗(yàn)(連接承受負(fù)彎矩作用)的情況,對(duì)于反復(fù)荷載作用下梁柱組合節(jié)點(diǎn)工作性能的研究相對(duì)較少,仍需進(jìn)一步完善。我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家,為促進(jìn)半剛性連接鋼框架的推廣和應(yīng)用,開展此項(xiàng)研究尤為重要。為研究半剛性連接梁柱組合節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下的工作性能,對(duì)比分析梁柱組合節(jié)點(diǎn)和純鋼節(jié)點(diǎn)的耗能能力和抗震性能,本文開展了1個(gè)純鋼節(jié)點(diǎn)、2個(gè)組合節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),重點(diǎn)研究平齊式端板連接梁柱組合節(jié)點(diǎn)的下列性能:(1)剛度、強(qiáng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)能力;(2)滯回性能;(3)柱加勁肋的影響;(4)受力變形特征與破壞模式;(5)組合節(jié)點(diǎn)與純鋼節(jié)點(diǎn)在受力性能上的區(qū)別。1壓型鋼板-混凝土組合樓板的節(jié)點(diǎn)設(shè)置本文平齊式端板連接純鋼、組合梁柱節(jié)點(diǎn)試件取框架中在側(cè)向荷載作用下節(jié)點(diǎn)相鄰梁柱反彎點(diǎn)之間的組合體,采用十字形試件,取上下柱反彎點(diǎn)至鋼梁截面中心線的距離之比為1:1,模擬框架的梁柱中節(jié)點(diǎn)。組合節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示,所有梁、柱構(gòu)件均采用Q345焊接H型鋼。梁截面均為300×150×6×10,柱截面均為200×200×8×12,端板截面150×300×10。三個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用平齊式端板高強(qiáng)螺栓連接,螺栓等級(jí)10.9,直徑20mm。純鋼節(jié)點(diǎn)SJ1以及組合節(jié)點(diǎn)CJ4的柱腹板未設(shè)置橫向加勁肋,而另一個(gè)組合節(jié)點(diǎn)CJ3則設(shè)置有橫向加勁肋。除去樓板,試件SJ1與CJ4完全相同。試件CJ3和CJ4采用壓型鋼板-混凝土組合樓板,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,采用上海美建鋼結(jié)構(gòu)公司生產(chǎn)的DP688型號(hào)壓型鋼板,肋條方向與梁的長(zhǎng)度方向相垂直(見圖1a)。為滿足完全抗剪連接和負(fù)彎矩區(qū)的抗剪要求,在壓型鋼板的每個(gè)波槽與鋼梁相交的方形區(qū)域,設(shè)置有兩排兩列共4個(gè)抗剪栓釘,栓釘直徑19mm,高度100mm。樓板采用雙層配筋,鋼筋保護(hù)層厚度20mm。上層沿梁長(zhǎng)方向的鋼筋10@120,共配置10根,配筋率1%(配筋率定義為樓板內(nèi)鋼筋的總面積與壓型鋼板肋以上樓板截面積之比)。垂直梁長(zhǎng)方向的分布鋼筋為10@120,靠近柱子處的三根鋼筋加密,間距40mm,共配置26根;下層鋼筋網(wǎng)片緊貼壓型鋼板頂面布置,雙向鋼筋均采用6@200。2測(cè)量?jī)?nèi)容2.1測(cè)量的變形測(cè)量(1)鋼筋適應(yīng)圖2a鋼筋應(yīng)變片只布置在上層沿梁長(zhǎng)方向布置的與柱截面相鄰的兩根鋼筋上。每根鋼筋布置三個(gè)應(yīng)變片,間距200mm。(2)梁和柱的截面彎曲鋼梁、鋼柱的應(yīng)變片布置如圖2b所示,所有應(yīng)變片均單面布置。2.2抗剪連接鍵滑移測(cè)量位移計(jì)布置如圖3所示(純鋼節(jié)點(diǎn)與此相同)。為測(cè)量抗剪連接鍵的滑移,采用量程較小的位移計(jì),一端通過(guò)磁石固定在梁的上翼緣,另一端頂在粘貼在壓型鋼板底部的小角鋼上。2.3測(cè)量地板裂縫在混凝土板表面粉刷一層薄石灰漿,然后借助放大鏡用肉眼觀察裂縫。3柱頂加載模式在低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中如何確定加載模式是一個(gè)關(guān)鍵問題。由于框架是超靜定結(jié)構(gòu),因此對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)試件來(lái)說(shuō),對(duì)其邊界條件的模擬尤需注意。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受側(cè)向荷載作用時(shí),節(jié)點(diǎn)上柱反彎點(diǎn)可視為水平可動(dòng)的鉸。模擬這種邊界條件,需采用柱端加載方案(圖4a),但其加載及支座裝置較為復(fù)雜。為了使加載裝置簡(jiǎn)便,目前大多采用梁端反對(duì)稱加載(圖4b),但這與實(shí)際構(gòu)件的受力、變形特征有一定的差距。本次試驗(yàn)采用了柱頂加載模式,試驗(yàn)布置如圖5所示,圖6為試件SJ1安裝完畢后的照片。圖5中的加載架采用專門設(shè)計(jì)的幾何可變框式試驗(yàn)架,周邊的框架梁和立柱由槽鋼焊接而成,梁柱間用軸承連接成幾何可變的框架體系。試件通過(guò)預(yù)留孔用鋼銷分別與框架橫梁和立柱上相應(yīng)的圓孔連接。試驗(yàn)時(shí),作動(dòng)器對(duì)框架頂部施加低周反復(fù)荷載,幾何可變的框架體系帶動(dòng)安裝在其內(nèi)的試件一起變形并受力,實(shí)現(xiàn)柱頂受載有側(cè)移的邊界條件,以滿足模擬試件實(shí)際受力狀態(tài)的要求。試驗(yàn)的加載程序分為預(yù)加載和正式加載兩個(gè)階段,采用分級(jí)加(卸)載制度:預(yù)加載:加載前,先檢查所有測(cè)量?jī)x器,記錄初始讀數(shù)。在柱頂先施加水平位移ΔH=+5mm(拉),然后卸載到零;反向加載ΔH=-5mm(推),然后卸載到零,這樣重復(fù)加載兩次。正式加載:在柱頂水平方向由拉壓作動(dòng)器施加低周反復(fù)荷載,加載過(guò)程如圖7所示。試件加載均采用位移控制,屈服前的級(jí)差取為5mm,每級(jí)荷載循環(huán)1周;屈服后,以試件屈服位移為級(jí)差進(jìn)行加載,循環(huán)3周。試件的屈服位移取所有應(yīng)變片中首次達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的加載位移。4材料性能試驗(yàn)4.1木材材料的材料試驗(yàn)拉伸試件為板狀試樣,每種厚度鋼板的試件為3個(gè),共5組15個(gè)試件,材性試驗(yàn)結(jié)果見表1。4.2鋼筋材料試驗(yàn)在樓板的配筋中,有直徑為6mm和10mm的兩種鋼筋,材性試驗(yàn)結(jié)果見表2。4.3混凝土的材料試驗(yàn)混凝土材性試驗(yàn)結(jié)果:試件所用的強(qiáng)度等級(jí)C30混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值為41.48MPa,彈性模量平均值為41419MPa。5試驗(yàn)現(xiàn)象5.1柱節(jié)點(diǎn)域的位移SJ1是純鋼節(jié)點(diǎn)試件,用于與組合節(jié)點(diǎn)的工作性能進(jìn)行對(duì)比。在加載初期,觀察不到試件的變化。當(dāng)施加的位移峰值達(dá)到ΔH=±25mm時(shí),可以觀察到端板與柱翼緣之間分離形成的縫隙(圖8a)。在位移峰值增加至ΔH=±60mm時(shí),可以觀察到柱節(jié)點(diǎn)域發(fā)生明顯的剪切變形(圖8b)。最后由于作動(dòng)器達(dá)到其最大行程,試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),未觀察到試件出現(xiàn)局部屈曲的現(xiàn)象,荷載仍處上升的趨勢(shì)。5.2鋼柱層板和混凝土板組成結(jié)構(gòu)分析試件CJ3為組合節(jié)點(diǎn),柱腹板有橫向加勁肋。當(dāng)柱頂位移首次拉至ΔH=+25mm時(shí),柱翼緣附近的右側(cè)混凝土板出現(xiàn)第一條裂縫;反向推至ΔH=-25mm時(shí),左側(cè)混凝土板也出現(xiàn)第一條裂縫;ΔH=±30mm時(shí),原有裂縫繼續(xù)擴(kuò)展、伸長(zhǎng),貫穿板面(圖9a);ΔH=±60mm時(shí),裂縫更為明顯,左梁下翼緣和柱加勁肋都稍稍向上突起;ΔH=±80mm時(shí),混凝土板持續(xù)不斷地發(fā)出噼噼啪啪的響聲,裂縫大量出現(xiàn),樓板與柱翼緣脫離,形成一條很寬的縫隙(圖9b);ΔH=±120mm時(shí),與柱翼緣接觸的混凝土板被壓碎,高高隆起(圖9c),混凝土變成了粉碎的顆粒,柱節(jié)點(diǎn)域腹板的剪切變形十分嚴(yán)重(圖9d);ΔH=±160mm時(shí),樓板繼續(xù)破壞,與柱翼緣已經(jīng)完全脫離。靠近鋼柱的混凝土板與其下部的壓型鋼板分離,縫隙很大,完全卸載后也不能復(fù)合(圖9e)。柱橫向加勁肋、兩側(cè)梁下翼緣均出現(xiàn)屈曲,但不十分明顯;ΔH=±200mm時(shí),樓板繼續(xù)破壞,被壓碎的混凝土顆粒從兩側(cè)柱翼緣的縫隙處掉落?；炷涟迮c壓型鋼板之間的縫隙繼續(xù)增大。端板與柱翼緣分離,形成了較大的空隙(圖9f)。試驗(yàn)結(jié)束后,剝開柱翼緣之間及其兩側(cè)的混凝土,發(fā)現(xiàn)混凝土已經(jīng)完全壓碎,破壞十分嚴(yán)重。5.3柱周圍板面出現(xiàn)漏洞,與梁下翼緣接觸試件CJ4為組合節(jié)點(diǎn),與CJ3的區(qū)別在于CJ4的柱腹板沒有橫向加勁肋。當(dāng)拉至ΔH=+25mm時(shí),柱翼緣附近的右側(cè)混凝土板出現(xiàn)第一條裂縫;反向推至ΔH=-25mm時(shí),左側(cè)混凝土板也出現(xiàn)第一條裂縫;ΔH=±30mm時(shí),裂縫繼續(xù)擴(kuò)展伸長(zhǎng);ΔH=±35mm時(shí),原有裂縫繼續(xù)向混凝土板兩側(cè)伸展,貫穿板面;ΔH=±60mm時(shí),裂縫寬度繼續(xù)增加,并出現(xiàn)新裂縫。端板的上、下端與柱翼緣稍稍分離,與梁下翼緣接觸的柱翼緣位置稍微有些彎曲;ΔH=±80mm時(shí),在柱兩側(cè)壓型鋼板的第二道凹槽位置,混凝土板側(cè)面出現(xiàn)兩條新裂縫,出現(xiàn)后即貫穿板面。在本級(jí)加載中,樓板內(nèi)不斷地發(fā)出噼噼啪啪的響聲,并出現(xiàn)多處裂縫,樓板與柱翼緣脫離,形成一道很大的縫隙(圖10a)。壓型鋼板與混凝土板之間出現(xiàn)脫開的趨勢(shì)(圖10b);ΔH=±120mm時(shí),與柱翼緣接觸的混凝土板完全壓碎,混凝土變成了粉碎的顆粒。樓板與柱翼緣之間的縫隙進(jìn)一步變寬,當(dāng)本級(jí)荷載卸載結(jié)束時(shí),柱翼緣與樓板之間不再閉合。柱截面高度范圍內(nèi)的壓型鋼板與混凝土板之間脫開,縫隙寬度達(dá)5mm左右;ΔH=±160mm時(shí),柱周圍樓板的破壞已經(jīng)十分嚴(yán)重,混凝土板與壓型鋼板之間的縫隙繼續(xù)變寬,擴(kuò)展;ΔH=±180mm時(shí),混凝土板繼續(xù)破壞,被壓碎的混凝土顆粒從兩側(cè)柱翼緣的縫隙處掉落?；炷涟迮c壓型鋼板之間的縫隙繼續(xù)增大,甚至有一大塊混凝土被剝落下來(lái)(圖10c)。端板與柱翼緣分離,形成了較大的縫隙。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),混凝土板上的裂縫分布見圖10d。與梁下翼緣接觸的柱翼緣位置有些受壓彎曲,其與重錘線之間的縫隙寬度約為3mm(圖10e)。剝開柱周圍被壓碎的混凝土,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)柱翼緣之間的混凝土都被壓碎了,呈顆粒狀,挖出壓碎的混凝土之后形成的坑洞深度達(dá)40mm左右(圖10f)。6試驗(yàn)結(jié)果與分析6.1計(jì)算的概念和參數(shù)的描述6.1.1柱、柱之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的連接轉(zhuǎn)角連接的轉(zhuǎn)角θ定義為鋼梁中心線與鋼柱中心線之間夾角的變化量。當(dāng)作用在左、右連接上的彎矩不等時(shí),柱腹板的節(jié)點(diǎn)域就會(huì)產(chǎn)生剪切變形。采用兩個(gè)沿柱節(jié)點(diǎn)域腹板對(duì)角線布置的位移計(jì)(圖11a)來(lái)測(cè)量其剪切變形,得到柱節(jié)點(diǎn)域腹板變形之后就可以按式(1)計(jì)算其轉(zhuǎn)角。cos(90°+α)=[(c+d)2?(a2+b2)]/(2ab)(1)cos(90°+α)=[(c+d)2-(a2+b2)]/(2ab)(1)式中,d是位移計(jì)讀數(shù)。在左、右梁下翼緣的底面與柱左、右翼緣之間分別設(shè)置一個(gè)位移計(jì)(圖11b),根據(jù)式(1),可以計(jì)算出梁、柱之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的連接轉(zhuǎn)角。得到了柱節(jié)點(diǎn)域腹板引起的連接轉(zhuǎn)角和梁柱之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的連接轉(zhuǎn)角之后,連接的總轉(zhuǎn)角取為二者之和。6.1.2x軸面為正彎矩/負(fù)彎矩分布的工件在第i級(jí)加載循環(huán)中,構(gòu)件所消耗的能量Ji可以定義為滯回曲線所包圍的面積(圖12)。每級(jí)荷載作用下構(gòu)件所消耗的能量還可以分為如下兩個(gè)部分:即滯回曲線在x軸上方的面積J+i和x軸下方的面積J-i。對(duì)于組合節(jié)點(diǎn),當(dāng)其分別承受正彎矩和負(fù)彎矩作用時(shí),其彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線是非對(duì)稱的。因此,組合節(jié)點(diǎn)分別承受正彎矩和負(fù)彎矩作用時(shí),其耗能能力是不相同的。6.2試驗(yàn)結(jié)果與分析試驗(yàn)得到的主要結(jié)果見表3。6.2.1梁、柱節(jié)點(diǎn)的布置圖13給出了試件的柱頂荷載與柱頂位移的滯回曲線。從圖中可以看出,由于梁、柱連接關(guān)于柱截面的中心線是對(duì)稱的,柱頂荷載與其位移的滯回曲線關(guān)于原點(diǎn)基本呈對(duì)稱形式分布。試件CJ3和CJ4在推(-)、拉(+)方向上極限荷載的比值分別為0.93和1.06。6.2.2試驗(yàn)過(guò)程中的強(qiáng)度退化圖14給出了試件左、右連接(左連接指左端梁與柱的連接,右連接指右端梁與柱的連接,下同)的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線?？梢钥闯?這三個(gè)試件的滯回曲線都比較穩(wěn)定、飽滿,說(shuō)明其耗能能力良好。由于左、右連接的構(gòu)造是相同的,因此,各個(gè)試件左、右連接的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線比較一致。試件SJ1正、負(fù)極限彎矩都與其最大轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng),也就是說(shuō),試件SJ1在試驗(yàn)過(guò)程中還沒有出現(xiàn)強(qiáng)度退化。由于試件CJ3右連接的測(cè)量設(shè)備出現(xiàn)故障,因此,只給出了該連接在設(shè)備出現(xiàn)故障之前的試驗(yàn)曲線?？梢钥闯?試件CJ3和CJ4左、右連接的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線都出現(xiàn)了捏攏現(xiàn)象,即發(fā)生了剛度退化。對(duì)于組合節(jié)點(diǎn),造成此現(xiàn)象的主要原因在于樓板裂縫的開展和閉合、樓板與鋼梁之間的滑移等。由于左、右連接的構(gòu)造是相同的,試驗(yàn)得到的二者的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線也比較吻合。另外,由于組合節(jié)點(diǎn)關(guān)于鋼梁截面中心線的不對(duì)稱性,導(dǎo)致其正、反兩個(gè)方向上的極限轉(zhuǎn)角存在一些差異。而且,從圖14還可以看出,CJ3和CJ4的正、負(fù)極限彎矩都不與其最大轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng),也就是說(shuō),試件出現(xiàn)了強(qiáng)度退化。另外,對(duì)比SJ1、CJ3和CJ4的彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)組合節(jié)點(diǎn)試件達(dá)到極限荷載后,其彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線與SJ1相對(duì)應(yīng)的曲線差別不大,說(shuō)明組合節(jié)點(diǎn)試件的樓板破壞失去組合作用之后,其表現(xiàn)出來(lái)的工作性能基本上就是純鋼節(jié)點(diǎn)的工作性能。6.2.3加載循環(huán)過(guò)程圖15給出了試件所消耗能量的變化圖。可以看出,在前8圈(ΔH=±40mm之前)的加載循環(huán)中,試件所消耗的能量基本為零,說(shuō)明其處于彈性階段;在此之后,試件所消耗的能量隨循環(huán)圈數(shù)的增加而增大,呈跳躍式變化。6.2.4組合節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度圖16給出了三個(gè)試件柱頂水平荷載與柱頂水平位移的骨架曲線?？梢钥闯?相對(duì)于純鋼節(jié)點(diǎn)而言,組合節(jié)點(diǎn)由于存在鋼筋的抗拉作用以及混凝土板的抗壓作用,承載力和剛度都有較大程度的提高。在組合節(jié)點(diǎn)達(dá)到其極限承載力進(jìn)入破壞階段之后,其表現(xiàn)出來(lái)的工作性能與純鋼節(jié)點(diǎn)類似。6.2.5試驗(yàn)件的拉壓觀察圖17給出了試件SJ1和CJ4左梁應(yīng)變片的變化圖(取每級(jí)荷載循環(huán)中正向荷載最大值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值)?？梢钥闯?對(duì)于SJ1,與螺栓平齊的8、12號(hào)應(yīng)變片的讀數(shù)較高,8號(hào)應(yīng)變片接近1000×10-6,而12號(hào)應(yīng)變片接近2000×10-6。布置在梁上下翼緣的7、13號(hào)應(yīng)變片,讀數(shù)較小,而且在試驗(yàn)過(guò)程中均發(fā)生了“變號(hào)”現(xiàn)象,即所處的拉、壓狀態(tài)改變,試件CJ4也出現(xiàn)了這一現(xiàn)象。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn):(1)對(duì)于平齊式端板連接,由于梁上、下翼緣受到的約束較小,所發(fā)展的應(yīng)變水平也較小。對(duì)于純鋼節(jié)點(diǎn),這一現(xiàn)象尤為顯著;(2)由于螺栓的約束作用較