钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点静力性能试验研究

李德山，陶 忠，王志滨

(福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116)

钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点静力性能试验研究

李德山，陶 忠†，王志滨

(福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116)

通过对8个钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点进行轴拉及弯剪加载试验，考察了约束拉杆构造措施对节点核心区整体性的影响规律，同时对单边螺栓的工作性能进行了分析研究.试验结果表明：单边螺栓具有良好的力学性能，工作性能安全可靠；方钢管混凝土柱设置约束拉杆能有效限制管壁变形，显著提高节点核心区整体性，减少破坏区域；圆钢管因为管壁稳定性较好，设置约束拉杆对改善节点力学性能效果不明显；穿芯螺栓节点核心区整体性最好；在弯剪加载条件下，单边螺栓节点表现出良好的转动能力.试验结果可供同类研究参考与比较.

钢管混凝土；钢梁；端板连接；单边螺栓；静力加载

以往，梁柱半刚性节点多采用高强度螺栓连接，该类节点具有抗震性能优良、施工速度快、连接质量容易控制等优点，因而得到了广泛的工程应用[1-2].目前国内外学者针对H型钢梁-H型钢柱半刚性连接已进行了较系统的研究，但由于钢管柱为封闭截面，普通螺栓难以应用，因此相应半刚性连接研究较少.单边螺栓(Blind bolt)作为一种新型紧固件，具有单边拧紧、受力性能可靠、施工方便等优点[3-4]，可解决普通高强螺栓难以应用于闭合截面构件的问题．目前工程应用较多的单边螺栓主要有：英国Lindapter公司生产的Hollo-Bolt和澳大利亚Ajax公司生产的Oneside-Bolt等.国内外一些学者对钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点进行了试验和理论研究.Uy等[5]进行了单边螺栓连接组合节点静力加载试验.王静峰等[3]对钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点进行了单调加载及往复加载试验.

因为该类螺栓是单边锁紧，在钢管宽厚比或径厚比正常使用范围内，管壁的过早屈服及过大变形常常成为节点破坏的控制因素，为了提高节点强度及刚度，常常使用宽厚比或径厚比较小的钢管，导致经济性不佳.一些学者提出增加单边螺栓端部锚固长度以及螺栓端部设置弯钩等措施[6-8]，上述构造措施有利于改善节点力学性能.本文拟研究在钢管内焊接约束拉杆，从而对管壁提供附加约束，延缓或避免钢管过早发生局部屈曲，以达到改善节点力学性能的目的.试验共设计了8个节点，其中6个节点进行轴拉加载，变化参数为拉杆数量以及螺栓种类，以考察约束拉杆构造措施以及螺栓类型对节点核心区整体性的影响规律；另2个节点进行弯剪加载，分析节点弯剪力学性能.

1 试验概况

1.1 试件的设计和制作

节点形式为钢管混凝土柱-钢梁齐平端板连接，试件数量为8个，试件具体情况见表1.

方钢管采用冷弯型钢钢管，截面尺寸为200 mm×200 mm×5 mm，圆钢管采用直缝焊接管，截面尺寸为200 mm×3.6 mm，方钢管及圆钢管长度均为1 400 mm.钢梁选用热轧H型钢，截面尺寸为250 mm×125 mm×6 mm×9 mm，钢梁与端板采用双面角焊缝连接，端板厚度为14 mm.单边螺栓选用Lindapter公司生产的8.8级M20 Hollo-Bolt，穿芯长螺栓采用8.8级M20规格高强螺栓，约束拉杆选用直径16 mm光圆钢筋.节点核心区详图如图1所示.

表1 试件列表

根据Hollo-Bolt产品说明书[9]，采用扭矩扳手对单边螺栓施加300 N·m扭矩；对于穿芯螺栓节点，安装时将长螺栓穿过钢管混凝土柱预留孔洞，根据《钢结构设计规范》[10]，对8.8级M20穿芯螺栓施加了125 kN预拉力，预拉力数值通过在螺杆开槽粘贴应变片进行量测.在端板连接一侧，约束拉杆与钢管采用穿孔塞焊，无端板连接一侧，管壁处设置了垫板与钢管焊接.典型试件管内情况如图2所示.

(a) JD-S1

(b) JD-S2/JD-S7

(c) JD-S3

(d) JD-S4

(e) JD-C5

(f) JD-C6/JD-C8

图2 钢管内单边螺栓及约束拉杆

1.2 材料性能

管内核心混凝土采用普通混凝土，每立方米混凝土各材料的用量为：水泥447 kg，碎石1 183 kg，中砂610 kg，水210 kg.试验加载时混凝土立方体抗压强度为66.7 MPa，弹性模量为32 485 MPa.根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2002)[11]对钢材力学性能指标进行测试，具体数值见表2.

表2 钢材力学性能指标

1.3 加载装置与加载制度

钢管混凝土柱两端采用压梁固定在刚性基础上，MTS作动器通过螺杆与钢梁端部加载板相连接，施加轴拉或横向荷载.为防止弯剪加载节点的钢梁发生失稳，设置了侧向支撑，试验装置如图3所示.试验时采用MTS作动器对梁端施加单调荷载，加载模式采用位移控制.

2 试验现象及破坏模态

试验过程中详细观察了节点的破坏情况，发现主要破坏模态包括：1)钢管管壁角部撕裂；2)拉杆塞焊缝破坏；3)单边螺栓受拉拔出；4)端板显著变形.

JD-S1, JD-S2及JD-S3变化参数为约束拉杆数量.JD-S1与JD-S2均发生了冷弯钢管角部撕裂破坏，如图4所示.相比较于未设置约束拉杆的JD-S1，JD-S2由于设置了4根拉杆，钢管角部裂纹未贯通，管壁变形明显减小，而设置了8根约束拉杆的JD-S3钢管管壁未发现破坏现象，管壁平面外变形很小，可知拉杆构造措施增加了管壁的稳定性，明显提高了节点核心区整体性，有利于各组件协同受力，防止管壁成为节点薄弱区域、发生过早破坏.JD-S2及JD-S3加载后期拉杆与管壁塞焊缝均发生撕裂破坏，主要原因是拉杆与管壁垂直点状焊接，在荷载作用下焊缝处应力集中显著.

(a) 轴拉加载

(b) 弯剪加载

图4 管壁撕裂破坏

采用圆钢管混凝土的JD-C6核心区设置了4根约束拉杆，其破坏模态与未设置约束拉杆的JD-C5相似，单边螺栓受拉拔出是其主要的破坏模态，加载后期端板和管壁之间出现较大缝隙，如图5所示.

图5 圆形节点破坏模态

穿芯螺栓节点的破坏主要为端板两端受拉翘曲变形，最终导致钢梁上下翼缘与端板角焊缝断裂，钢梁表面氧化层脱落严重，钢梁纵向变形明显，破坏模态如图6所示.

图6 JD-S4破坏模态

如图7所示，在弯剪荷载作用下，节点JD-S7冷弯钢管受拉区角部撕裂，受拉区拉杆塞焊缝下陷断裂；JD-C8加载后期螺栓孔附近管壁撕裂，单边螺栓受拉拔出，弧形端板与钢管之间出现明显间隙.总体而言，方形及圆形节点在弯剪荷载作用下表现出良好的变形能力.所有节点在加载过程中，单边螺栓均未发生断裂破坏，工作安全可靠，力学性能良好.

图7 弯剪节点破坏模态

3 试验数据分析

3.1 荷载-位移曲线

图8所示为节点的荷载(P)-变形(Δ)关系曲线，其中P为施加在钢梁轴向或横向的荷载，Δ为钢梁沿加载点方向的位移.

图8 节点荷载-位移曲线

通过比较轴拉节点荷载-位移曲线可知，对于方钢管混凝土，核心区焊接4根约束拉杆的JD-S2抗拉承载力比无加强措施的JD-S1提高32.2%；核心区焊接8根约束拉杆的JD-S3抗拉承载力比JD-S1提高42.9%；JD-S4采用穿芯螺栓连接，抗拉承载力在6个轴拉节点里面最大，为JD-S1的2.55倍.对于圆钢管混凝土，核心区焊接4根约束拉杆的JD-C6抗拉承载力比无加强措施的JD-C5提高1.5%.由此可知，方钢管内焊接约束拉杆能有效限制管壁变形，显著提高节点核心区整体性；圆钢管因为管壁稳定性较好，设置约束拉杆对改善节点力学性能效果不明显；穿芯螺栓节点因为长螺栓贯通整个钢管混凝土柱，核心区整体性最好.

JD-S1, JD-S2及JD-S3初始抗拉刚度差别微小，主要原因是加载初期，荷载主要由单边螺栓在混凝土中的锚固黏结力所承担，约束拉杆还未在约束管壁变形中发挥明显作用.

通过比较弯剪节点荷载-位移曲线可知，该类半刚性节点具有良好的转动能力,方钢管节点与圆钢管节点弯矩超过抗弯承载力后,均有较明显的平台段，曲线下降不明显,说明此类节点延性较好,有利于满足抗震设计要求.圆形截面节点管壁厚度小于方形截面节点,但弯剪承载力高于方钢管混凝土节点.

3.2 应变数据分析

图9为方钢管跨中侧面纵向应变片布置示意图，图10为方钢管应变发展曲线.从钢管跨中侧面纵向应变片发展曲线可知，钢管混凝土柱作为承受横向荷载构件，上部受拉，下部受压，中和轴偏向于受压区.由图10还可发现，随着管壁约束的增强，其峰值应变明显提高，原因是约束拉杆可增强钢管混凝土柱的整体性，使其能充分发挥结构强度，并承担更大的荷载.JD-S4核心区整体性最好，钢管纵向峰值应变最大.

图9 方钢管应变片布置

图10 方钢管应变发展曲线

图11为圆钢管典型部位应变片布置，圆形节点应变片沿钢管环形布置，其中1, 2, 3为纵向应变片，4, 5, 6为横向应变片，图12为轴拉节点圆钢管应变发展曲线.钢管纵向应变上部受拉，下部受压；钢管横向应变底部受拉 ，其他部位为压应变，6个应变数据均未超过圆钢管屈服应变.2个节点应变发展规律相似，表明约束拉杆构造措施未明显改善钢管混凝土柱的受力性能.JD-S7及JD-C8钢管应变片测点数据基本处于弹性状态，不赘述.

图11 圆钢管应变片布置

典型试件的约束拉杆应变发展如图13所示，应变片粘贴位置为约束拉杆中部.从拉杆应变发展曲线可知，方形节点及圆形节点中约束拉杆基本处于弹性阶段.相对于圆钢管混凝土节点，方钢管混凝土节点中约束拉杆应变发展更充分，较好地发挥了约束效果，主要原因是圆形节点管壁稳定性较好，拉杆受力较小，因此加强作用不明显.

(a) JD-C5

(b) JD-C6

图13 约束拉杆应变发展曲线

4 结 论

通过对钢管混凝土柱-钢梁单边螺栓连接节点进行轴拉及弯剪加载试验，可得出以下结论：

1)单边螺栓作为一种连接闭合管截面的新型紧固件，具有良好的力学性能，工作性能安全可靠.该类单边螺栓连接节点安装方便、施工快速、连接质量容易得到保证，具有良好的工程应用前景.

2)在常用宽厚比范围内，单边螺栓连接方钢管节点核心区整体性较差，通过在方钢管内焊接约束拉杆，能显著提高节点核心区的整体性，有利于各组件协同工作，改善节点力学性能，并且随着约束拉杆数量的增加，核心区整体性也相应提高.圆钢管节点因为管壁稳定性较好，设置约束拉杆对提高节点力学性能效果不明显.穿芯螺栓节点核心区整体性最好，节点抗拉承载力为无加强措施的单边螺栓连接方钢管节点的2.55倍.

3)弯剪加载条件下，带约束拉杆单边螺栓连接节点表现出良好的转动能力，有利于满足抗震设计要求.

4)带约束拉杆方形节点在轴拉及弯剪加载条件下，约束拉杆塞焊缝发生断裂破坏，主要原因是拉杆与管壁垂直点状焊接，在荷载作用下焊缝处应力集中显著所造成的.

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Experimental Investigation of Blind-bolted Joints to Concrete Filled Steel Columns

LI De-shan，TAO Zhong†，WANG Zhi-bin

(College of Civil Engineering，Fuzhou Univ，Fuzhou，Fujian 350116，China)

Eight concrete filled steel column-steel beam end plate joints connected with blind bolts were tested under axial tension and combined bending-shear static loading. The influence of the binding bars on the integrity of the panel zone of the joints was investigated, and the performance of the blind-bolted joints was discussed. The test results show that the blind bolts have good mechanical properties, and reliable working performance. The binding bars can effectively reduce the tube deformation of square concrete-filled steel tubes and improve the integrity of the joint panel zone. In contrast, binding bars are not so effective in enhancing the performance of joints with circular columns since the circular steel tubes are not susceptible to local buckling. Compared with binding bars, passing-through bolts are more effective in improving the joint performance. Under the combined action of bending and shear, the blind-bolted joints show good deformation capacity. The research results have provided a good basis for the future development of finite element models.

concrete-filled steel tube; steel beams; end plate connection;blind bolts;static loading

1674-2974(2015)03-0043-07

2014-04-17

国家自然科学基金资助项目(51308124)，National Natural Science Foundation of China(51308124)

李德山(1986-)，男，福建南平人，福州大学博士研究生

†通讯联系人，E-mail: lids0820@163.com

TU398

A