CFST柱-RC环扁梁节点试验研究

杨 芳,季 韬,戴益华

(1.福建工程学院,福建福州 350108;2.福州大学土木工程学院,福建福州 350108,3.福建建工集团总公司,福建福州 350003)

CFST柱-RC环扁梁节点试验研究

杨 芳1,2,季 韬2,戴益华3

(1.福建工程学院,福建福州 350108;2.福州大学土木工程学院,福建福州 350108,3.福建建工集团总公司,福建福州 350003)

文章对钢管混凝土(CFST)柱-钢筋混凝土(RC)环扁梁中节点(JF-1、JF-2)这2个节点在静载和低周反复荷载作用下的试验结果从承载力和变形能力两方面进行分析,并对环扁梁节点在破坏形态、延性、耗能能力等方面进行研究。试验研究结果表明,在地震区推广应用采用CFST-RC环扁梁节点结构体系具有较强的可行性。

环扁梁节点; 静载; 低周反复荷载; 破坏形态; 延性

在高层建筑结构中,采用钢管高强混凝土柱具有满足柱轴压比限值,减少柱截面尺寸、增大建筑使用面积,提高结构延性等优点[1]。在钢管混凝土柱高层建筑中采用钢筋混凝土楼盖具有很好的经济效益。解决好钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱的连接是这种结构体系的关键技术之一[2]。可采用的连接形式有双梁 -抗剪环连接、环梁-抗剪环连接、双梁 -环形牛腿连接和环梁 -环形牛腿连接等[3-4],其中,环梁 -抗剪环连接的形式简单、方便施工,已有学者对其受力性能开展了一些研究[5-11]。但是,迄今为止,还未见采用CFST-RC环扁梁节点的工程实例,国内外学者对这类节点性能的研究也极其少见。

CFST-RC环扁梁结构体系同时具有钢管混凝土柱结构体系和钢筋混凝土扁梁结构体系的优点,有较广泛的应用前景。文献[12]设计制作了两个钢管混凝土(CFST)柱-钢筋混凝土(RC)环扁梁中节点(简称环扁梁节点),节点试件编号为JF-1、JF-2,JF-1和JF-2是相同配筋、截面尺寸和材料强度的节点试件。对环扁梁节点分别进行了静载试验和低周反复荷载试验,其中JF-1进行静载试验,JF-2进行低周反复荷载试验。本文对环扁梁节点在静载试验和低周反复荷载作用下的试验结果从承载力和变形能力两方面进行分析,并对环扁梁节点在破坏形态、延性、耗能能力等方面进行研究,为这种新型结构体系在今后的工程应用奠定一些基础。

1 静载试验和低周反复荷载试验结果比较

静载试验柱顶用加载能力为 600 kN的液压千斤顶;扁梁自由端用加载能力为1000 kN、1000 kN的液压千斤顶并联安装以保证同步加载,用液压千斤项在每一扁梁自由端加荷,同时在柱顶施加竖向荷载起稳定作用。试验过程中,柱顶保持550 kN的竖向荷载(轴压比0.091),梁端荷载从0开始分级加载,全部过程由荷载控制,每级加荷步长为 5 kN。在每一荷载等级时,持荷 2到 10分钟,观察试件裂缝开展。在某一梁肢达到破坏荷载后,将油压减为零,切断该梁肢上千斤顶油路继续进行另一梁肢的试验,油压从该梁肢破坏前的等级开始逐级增加[13]。试验过程中,位移计和应变片的数据采集方案为手动采集。

图1为JF-1静载试验加载装置图及尺寸。

图1 静载试验加载装置图及尺寸

低周反复荷载试验采取柱端施加水平低周反复荷载方案。试验装置在柱底模拟固定铰支座,柱顶采用可水平移动的 60 t油压千斤顶施加轴向压力。梁反弯点处用上下两个可滚动的钢轮夹住,使梁端在反弯点处只承受剪力,梁在柱顶水平位移作用下可左右移动,不能上下移动。柱顶水平低周反复荷载由美国MTS电液伺服系统作动器施加,作动器额定加载能力为±500 kN,最大行程为±250mm。作动器往西移动为正向加载,往东移动为负向加载。钢筋应变采用IMP应变采集系统采集。

图 2为低周反复荷载试验加载装置图及尺寸。

图2 低周反复荷载试验加载装置图及尺寸

图3 JF-1与JF-2的荷载-位移曲线比较图

图3为JF-1和JF-2静载试验和低周反复荷载试验下荷载—位移曲线比较图,JF-2柱端施加的水平荷载换算成扁梁自由端施加的荷载。从图 3中可以看出,静载试验的承载力高于低周反复荷载试验的承载力。

因为静载试验给结构施加静力荷载,测定结构的工作性能,确定结构变形、内力、承载能力等变化规律,施加在结构上的荷载不引起结构动力反应(如惯性力、加速度等);低周反复荷载试验给试件施加低周反复作用的力或位移,来模拟地震时结构的作用,并评定结构的抗震性能和能力[14]。施加在结构上的反复荷载使结构不断劣化。静载试验条件较低周反复荷载试验对试件的破坏程度来得小,所以静载试验的承载力高于低周反复荷载试验的承载力。

由图 3可知,对于环扁梁节点,达到峰值荷载时,低周反复荷载作用的变形能力大于静载作用下的变形能力,说明在地震荷载作用下,环扁梁节点的耗能能力较好。

2 环扁梁节点试验结果研究

2.1 破坏形态

2.1.1 静载下的破坏形态

JF-1在交界处形成塑性铰,并向环扁梁延伸;从JF-1的钢筋应变[12]分析可知,JF-1环扁梁纵筋先屈服,这也说明了塑性铰的位置;最后破坏形态的裂缝形态中,JF-1以弯曲裂缝为主。

由图3可知,JF-1东向极限荷载为145 kN,西向极限荷载为 155 kN。试件静载试验的荷载-位移曲线中,最大荷载附近的平台段比较大,试验中因扁梁自由端力加不上去而停止试验,显示出较好的延性。根据压力机的表盘读出的荷载等级,在达到极限荷载的三分之二时,扁梁与环扁梁交界处已出现明显的裂缝,破坏前预兆较为明显。节点破坏主要发生在扁梁与环扁梁交界处,扁梁及环扁梁的纵筋在破坏前已部分屈服,环扁梁及扁梁的破坏都为延性破坏。试件的极限承载力接近或超过设计荷载的200%(设计荷载为55 kN),这说明试件承载力设计满足要求,并具有较大的抗弯承载潜力。

从JF-1静载试验的荷载-位移曲线可以看出,JF-1具有较好的变形能力。这是因为 JF-1在交界处形成塑性铰。

2.1.2 低周反复荷载下的破坏形态

低周反复荷载试验条件下节点的破坏形态可以归结为两类:扁梁端形成塑性铰和环扁梁形成塑性铰。试件发生哪种破坏类型与扁梁尺寸、环扁梁尺寸、环扁梁箍筋、环扁梁环筋及扁梁纵筋的相对配筋量有关,即与环扁梁和扁梁的相对承载力有关。

JF-2在环扁梁上形成塑性铰[12]。JF-2的裂缝较多,破坏比较严重,有大面积剥落,说明JF-2的材料强度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力较好。

表 1分别从塑性铰形成位置、混凝土剥落情况、扁梁裂缝类型及环扁梁裂缝类型这四个方面对环扁梁节点在静载和低周反复荷载试验条件下的破坏形态进行了比较。

从 JF的静载试验和低周反复荷载试验的破坏形态可以得出以下三点结论:

(1)静载试验和低周反复荷载试验中,斜裂缝均从交界处延伸到环扁梁中;

(2)在静载试验中,在环扁梁形成撕裂裂缝,JF-1撕裂明显,因为斜裂缝由扭矩引起。环扁梁高度小,受的扭矩较大,且在环扁梁 45°处,所受扭矩最大,所以撕裂裂缝只出现在环扁梁上;

(3)在低周反复荷载试验中,JF-2的裂缝较多,破坏比较严重,有大面积剥落,说明JF-2的材料强度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力较好。

2.2 等效粘滞阻尼系数

试验结果[12]表明,环扁梁节点可以实现“强节点,弱构件”的抗震设计概念,塑性铰在环扁梁上,环扁梁节点有比较大的变形能力和良好的滞回特性;由于破坏始于扁梁或环扁梁的纵向钢筋的屈服,试件的耗能能力是比较好的。

JF-2的的等效粘滞阻尼系数[12]随位移的增加而增加,这是因为节点屈服后,节点进入弹塑性状态,因此所耗散的能量也越多,此时滞回环随柱端水平位移的加大而更趋饱满。图4为JF-2节点试件的柱端荷载-位移滞回曲线。

图4 JF-2节点试件的柱端荷载-位移滞回曲线

由图 4可知,JF-2的滞回曲线比较丰满且稳定,呈现出梭形,这说明环扁梁节点的滞回曲线基本上不出现捏缩现象,滞回曲线饱和,滞回环所包围的面积大,抗震性能好。

总结JF-2的最后破坏形态:JF-2的塑性铰在环扁梁上,试件的主要耗能机制是环扁梁塑性铰的变形;环扁梁与扁梁交界处、环扁梁表面混凝土大面积剥落。JF-2的裂缝和混凝土剥落较为严重,说明JF-2的材料强度得到充分利用,耗散大量地震能量,耗能能力好。

2.3 延性系数

反复荷载作用下钢筋混凝土结构或试件的延性,反映了结构或试件进入破坏荷载阶段后,在其承载力无显著降低的情况下的塑性变形能力。在抗震设计中,延性和强度占有同等重要的地位,它是评价结构或试件抗震性能优劣的一个重要指标。结构的延性越大,表示其耗散地震能量和承受非弹性变形的能力越强,其抗震性能越好。

本文采用位移延性系数[12]来反映试件的延性。试验结果[12]表明,环扁梁节点的延性良好,JF-2的延性系数为 5,满足抗震要求。

3 结 论

(1)静载试验的承载力高于低周反复荷载试验的承载力。达到峰值荷载时,低周反复荷载作用的变形能力大于静载作用下的变形能力,说明在地震荷载作用下,环扁梁节点的耗能能力较好;

(2)静载试验条件下,JF-1在交界处形成塑性铰,并向环扁梁延伸。低周反复荷载试验条件下,JF-2在环扁梁上形成塑性铰;

(3)静载试验中,环扁梁形成撕裂裂缝,JF-1撕裂明显。低周反复荷载试验中,JF-2的滞回曲线比较丰满且稳定,滞回环所包围的面积大,抗震性能好;

(4)环扁梁节点的塑性铰在环扁梁上形成,环扁梁与扁梁垂直方向尺寸较大,JF-2的延性系数为 5,满足抗震要求,环扁梁节点的延性较好。

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2010-02-08

福建工程学院科研发展基金资助项目(GY -Z0770)

杨芳(1972～),女,讲师,在职博士研究生,主要从事建筑工程减隔震研究