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反复荷载作用下型钢混凝土异形柱框架边节点力学性能试验研究.

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第43卷第3期

2011年6月西安建筑科技大学学报(自然科学版)ScienceEdition)V01.43NO.3J.Xi7anUniv.ofArch.&Tech.(NaturalJun.2011 反复荷载作用下型钢混凝土异形柱框架边 节点力学性能试验研究

薛建阳1”,王玮1,刘义1,刘祖强1,赵鸿铁1’2

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055; 2.西部建筑科技国家重点实验室(筹),陕西西安710055)

摘要:通过对9个型钢混凝土(SRC)异形柱框架边节点进行低周反复加载试验,观察了不同配钢形式、不同轴压比条件下SRC异形柱框架边节点的受力过程及破坏形态,得出了SRC异形柱框架边节点的荷载一位移滞回曲线和骨架曲线.根据试验结果,分析了节点承载力、延性、耗能以及刚度退化等性能.研究表明,SRC异形柱框架边节点的滞回曲线比较饱满,承载力高,耗能能力强,位移延性系数平均值可达到3.60。具有较好的抗震性能. 关键词:型钢混凝土;异形柱;边节点;拟静力试验;力学性能

中图分类号:TU398.9文献标志码:A文章编号:1006—7930(2011)03-0323-07 120360

型钢混凝土(SRC)异形柱结构结合了型钢混凝土结 构承载力高、抗震性能好的优点,以及异形柱结构在房间 内不凸出柱楞的长处,具有广阔的应用前景[1q]. 梁柱节点是框架结构抗震设计的重要部位[4],目前 国内外对型钢混凝土异形柱框架节点的研究还处于探索 阶段.广西大学进行了6个型钢混凝土T形截面边节点

的拟静力试验[5],结果表明,该类型节点承载能力高,延 性好.本文通过对9个SRC异形柱框架边节点进行拟静 力加载试验,获得了节点的承载能力、延性、耗能能力以 及刚度退化规律等力学性能[6],为异形柱结构的推广应 用提供参考.

1一々9【0—0躐墓1面兴墓宾{舅豁幽_J120360 120360基劐百言鬲r_量到试验概况1.1试件设计 共设计了9个缩尺比为1:2的中间层边节点试件. 试件采用正交设计法,主要考虑配钢形式、轴压比、截面 肢高肢厚比以及节点中水平腹杆的配钢率等因素的影

响.试件形式见图1,具体参数见表1.口0一一寓I】020)(240)I【!型.【!到【扣164产3]【3立虹0】.l嘿擘,絮’舾o.扣16【b=132j=2】

(b=232d=3.5 )-

一09】—o√^一定1蕃墓寮‘势 【TC8](TC9)TC"7

Fig・1广l—讯广一叫一睦删星吲超【TB8](TB9)TB7图1试件配钢形式收稿日期:2010.09.20修改稿日期:2011—04—12Steellayoutofspecimens

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50978217);教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20096120110005)I教育部留学

回国人员科研基金资助项目(教外司留[200731108号);中建股份有限公司科技研发课题资助项目(CSCEC-2009-Z-31)

作者简介:薛建阳(1970一),河南洛阳人,工学博士,教授,主要从事钢与混凝土组合结构、古建筑结构及其抗震性能研究. 万方数据

324西安建筑科技大学学报(自然科学版)第43卷Note:n—Axialratio,行=N/(正(A。+口EA。));^/6一Ratioofcolumnlimbheighttothickness;Ssw—Ratioofhorizontalwebmember;t--Thicknessofsteelplate;风,一Steelratioofwebmember;s"--Stirrupspacing;p,,--Stirrupratio;p,--Reinforcementratio;p.--Steelratiooflongitudinalshapesteel.compression

1.2试验装置和加载制度

试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点试验室进行,加载装置采用电液伺服程控结构试验系统(MTS793),由电液伺服作动器施加柱顶水平往复荷载,如图2所示.加载方式采用《混凝土结构试验方法标准》(GB50152--92)建议的方法,节点屈服前,采用荷载控制加载,每级荷载反复一次,加载过程中控制级差,接近开裂和屈服荷载前减小级差;节点屈服后,采用位移控制加载,每级位移反复三次,至荷载下降到极限承载力的85%时认为试件破坏,停止加载.

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253II.I可。u。I2In羽J_F1llJl Test匿§|I1.Reactionwall2.Reactioncolumn3.Reactionbeam4.Jack5.Servocontrolledtestingsystem6.Specimen7.Forceactuator8.Single-hingesupportundercolumn9.Single-hingesupportatbeamend图2加载装置示意图Fig.2set—up 2试验结果及其分析

本次试验测试的主要内容有:柱顶的竖向荷载和每次循环中各级水平荷载值;各级荷载下试件柱端及梁端的水平位移值;节点核心区的剪切变形值;节点核心区型钢、钢筋、梁根部纵向钢筋以及柱根部型钢的应变值等.最终构件的破坏形态有三种:节点核心区发生剪切斜压破坏、梁端弯剪破坏,以及节点区焊缝拉裂导致梁根部失效破坏[7]. 2.1滞回曲线

本次试验获得了9个中间层边节点试件的水平荷载P_柱顶位移△滞回曲线,如图3所示.由图可以看出:在加载初期荷载较小,滞回曲线基本呈直线,滞回环包围面积近似为零,卸载时无残余变形,试万方数据

第3期薛建阳等:反复衙载作用下型钢混凝土异形柱框架边节点力学性能试验研究325件处于弹性工作阶段随着荷载逐渐增大.滞回环开始呈曲线形,包围面积也增大,构件逐渐进人屈服阶段试件屈服以前.滞回环大致呈梭形,卸载时残余变形较小.刚度退化也较慢试件屈服以后t脏着加载位移的增大,构件的变形也逐新增大,且变形增长速度也较加载初期更快t滞回环更趋饱满.残余变形鞍初期有所增大,剐度退化明显.当构件达到极限荷载后,承载能力逐渐下降,变形继续增加,直至构件最后破坏 i・00 帅

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囤3试件荷我一位移滞回曲线

Fig3IJ0adinwdisplaeementhy5teretlcl∞"of5p∞…n5

通过比较可见,配实腹钢板的Tj8节点试件的核心区发生了剪切斜压破坏,其滞回曲线明显较空腹式配钢节点试件TJl和TJ6的滞回曲线饱满,并且配实腹钢板节点的滞回曲线类似于纯钢构件,但由于滑移的存在,其形状介于梭形与倒S形之间.总体而言t型钢混凝土异形柱框架节点的滞回曲线要较普通混凝土异形柱节点“3的滞回曲线饱满.说明其耗能能力较强,具有较好的抗震性能. 2.2骨架曲线

骨架曲线是P-△滞回曲线中每一级荷载的第一次循环的峰点所连成的外包线各试件的骨架曲线如图4所示从图中可以看出.SRC异形拄框架节点骨架曲线的下降段较为平缓,说明其变形能力较强,延性好.另外由于型钢的存在.SRC异形柱节点的骨架曲线上投有明显的拐点,其屈服是一个从局部到整体逐渐发展的过程.虽然配实腹钢板试件的轴压比较空腹式配钢的试件太,但其下降段更为平缓.后期变形能力较空腹式配钢试件明显要好,即延性优于后者.说明SRC异形柱节点中钢材的配置对其延性起非常重要的作用 2.3承载力殛延性

示极限荷载.P。表示破坏荷载(取荷载下降到85“极限荷载时对应的值),△。、△,、△…A分别为相应的试验所得各试件的承载力及相应的位移列于表2.其中户。.表示开裂荷载.尸,表示屈服荷载.P.表位移. 万方数据

326西安建筑科技大学学报(自然科学版)第43卷

结构或构件要通过其塑性变形来消耗地震能量以达到抗震的目的.延性是衡量结构或构件变形能力的重要指标.通常用延性系数来反映延性的大小.位移延性系数芦的计算公式如下: p=象㈩

一-一TII—一T/2 00・—-TJ3

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30如√●—■—・纠

(a)h/b---2(b)h倍-3(c)^仿=4 图4试件骨架曲线(h/b表示柱截面肢高肢厚比)

Fig.4Skeletoncurvesofspecimens

(^/6-一theratioofthecolumnlimbheighttothickness)

计算所得本次试件的延性系数列于表2.

表2各受力阶段试件的荷载、位移和延性系数

Tab.2Load。displacementandductilecoefficientofspecimensatdifferentstages

由表2可以看出,本次试验中9个节点试件位移延性系数的平均值为3.60,高于普通钢筋混凝土节点位移延性系数的平均值2.0[9].这主要是由于型钢的存在改善了构件的延性.但又由于T形柱截面面积减小,其延性系数略低于普通矩形截面型钢混凝土节点的延性系数4.0C¨.同时可以看出,试件的延性与配钢形式有很大关系,配置实腹钢板的试件较其他构件的延性系数要高.但TJ7、TJ9试件在制作时由于焊接质量问题,导致构件在加载过程中因焊缝拉裂而破坏,故其延性系数较其他构件低得多.2.4耗能能力

结构或构件的耗能能力是指其在反复荷载作用下吸收能量的大小,它可以用结构或构件的荷载一变形曲线所包围的面积来衡量.试件的耗能能力通常用等效粘滞阻尼系数h。表示: 万方数据

第3期薛建阳等:反复荷载作用下型钢混凝土异形柱框架边节点力学性能试验研究

其中:S。删,表示滞回环面积;S。∞E+0DF,表示与滞回环上下顶点相对应的三角形面积,如图5所示.利用Origin数据分析软件及AutoCAD绘图软件计算出滞回环面积并计算出各试件屈服、极限、破坏阶段的等效粘滞阻尼系数h。,、h。。、|Il。,结果列于表3. 裹3型钢混凝土异形柱框架边节点等效粘滞阻尼系数

Tab.3Equivalentviscous也=乐‰327(2)dampingcoefficientforT-shapedcolumn—beamjoints

由表3可以看出,在极限荷载时,等效粘滞阻尼系数在0.15左

右,破坏荷载时,等效粘滞阻尼系数基本都大于0.2,部分接近0.3, 而普通钢筋混凝土节点的等效粘滞阻尼系数在0.1左右凹],由此可 以说明,SRC异形柱框架节点具有较好的耗能能力. 2.5刚度退化规律FP口A蕊

构件的刚度退化是指刚度随着加载循环次数的增加以及位移接

近极限值而不断下降.根据试验得到的滞回曲线可知,加载和卸载刚 度都会随位移的增加而逐渐退化.为研究构件的刚度退化规律,定义 每级滞回环正向卸载点与卸载到荷载为零点连线的斜率即为卸载刚

度K,卸载时对应的位移为△,K,为正向卸载刚度,Kz为负向卸载刚 度;△。为正向卸载位移点,△。为负向卸载位移点.为便于比较,将坐Z§图5Fig.5§蚪C◇>/—E五P-△滞回环P.△hysteretieloop

标系无量纲化Ⅲ】,以卸载刚度K与构件初始加载刚度K。的比值作为纵坐标,以卸载位移△与构件的极限位移△。的比值作为横坐标.通过回归分析得出正向卸载刚度K。与负向卸载刚度K:的退化规律,以及K/K。与3/A。的关系曲线图,如图6和图7所示.

图6正向卸栽刚度K。退化规律曲线

Fig.6Degeneration图7负向卸栽刚度K。退化规律曲线Fig.7DegenerationofstiffnessK1ofstiffnessK2

采用Origin数据处理软件可以得到指数拟合的回归方程.其中正向卸载刚度K,退化方程的方差为0.0219,负向卸载刚度K:退化方程的方差为0.0103.

正向卸载刚度退化曲线为:

K1/Ko=0.79058+0.96929e卜1‘6889昭1儿u’(3)

负向卸载刚度退化曲线为:

K2/Ko=0.59946+0.83599e卜o・90380屯/4u’(4)

,2.6节点剪切变形分析

节点核心区的变形主要为剪切变形,它与节点的配箍率、混凝土强度、轴压比等因素有关.对于型钢万方数据

328西安建筑科技大学学报(自然科学版)第43卷混凝土结构,还与试件的配钢形式有关.节点剪切变形的大小以节点区的剪切角y来表示.通过测量核心

区对角线长度的变化可以计算出剪切角:y一口1+a2=』掣(口l+口2+61+b‘2),—f—r—F

y=口1十a2=二百—I—L口l十口2十D1十)(5一)【) 厶‘‘u

式中,口。、口:、b。、b。分别为节点核心区两对角线的伸长量或缩短量,如图8所示.其中口。、a。伸长时为正,b。、b:缩短时为正,反之为负. 图9给出了采用空腹式配钢的试件TJ5和采用实腹式

配钢试件TJ9两个较典型节点的荷载一剪切变形滞回曲线. 从中可以看出,在初裂前,节点核心区剪切变形较小.初裂过 后,核心区所受约束变小,变形发展较快,裂缝集中,特别是型

钢屈服以后,核心区剪切变形迅速增大.一方面,由于实腹式 配钢的SRC异形柱框架边节点TJ9内不仅有型钢翼缘框,还 配置了箍筋,对混凝土的约束较强且能承担部分剪力,这样就 了核心区剪切变形的发展;而空腹式配钢的SRC异形柱 框架边节点TJ5内只有槽钢和钢缀条,节点核心区初裂以 后,钢缀条对混凝土的约束较小,变形发展较快,造成加载后

期核心区混凝土大块剥落,因此TJ5试件的剪切变形能较图8节点核心区剪切变形TJ9试件大.另一方面,由于采用空腹式配钢的TJ5试件发生Fig.8Sheardeformationofjointcore的是梁端弯剪破坏,其滞回环较为丰满,甚至所包围的面积略

大于配实腹钢板、因节点区焊缝拉裂导致梁根失效破坏的TJ9试件,显示出较好的抗剪性能. 髦“”5

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图9水平荷栽一剪切变形滞回曲线

Fig.9Load—sheardeformationn一.蒯够/冬晒励//r/nxlofjointcore

3结论

通过9个SRC异形柱框架边节点的低周反复荷载试验及其综合分析,得出以下主要结论:

(1)SRC异形柱框架边节点的滞回曲线正反方向对称,滞回环较饱满.骨架曲线下降比较平缓,强度降低较小.

(2)试件承载力高,延性好,耗能能力强,各项指标均优于普通钢筋混凝土节点,表明型钢混凝土异形柱节点的抗震性能好.

(3)通过对试验数据进行回归分析,得到了刚度退化曲线方程,为建立SRC异形柱框架边节点的恢复力模型奠定了基础.,

(4)空腹式配钢的型钢混凝土异形柱框架边节点核心区受约束小,其剪切变形比实腹式配钢节点的大.参考文献References

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Studyonmechanicalbehaviorsofsteelreinforced

concreteT・。shapedcolumn‘-beamjoints XUEJian—yan91”,WANGWeil,LfUYil,LIUZu—qian91,ZHAOHong—tiel'2

(1.SchoolofCivilEngineering,Xi’anUniv.ofArch.&Tech.。Xi7an710055,China; 2.StateKeyLaboratoryofArchitectureScienceandTechnologyinWestChina(XAUAT)。Xi7an710055,China)Abstract:AccordingtOtheexperimentalstudyon9specimensofsteelreinforcedconcrete(SRC)T-shapedcolumn-beamjointsunderlowcyclicreversedloading,theinfluenceofthesteellayoutandtheaxialcompressionratioonthefailureprocessandpatternswereanalyzed。andtheload-displacementhystereticloopsandskeletoncurvesareobtained.Based011theexperimentalresults,themechanicalpropertiesofthejointssuchastheloadbearingcapacity,ductility,energydissi—pation,andthestiffnessdegenerationarestudied.ItisshownthatthehysteretichoopsofthesteelreinforeedconcreteT-shapedcolumn-beamjointsareplump.Thejointshavehighbearingcapacity,goodductilityandenergydissipationcapaci—ty。whichperformexcellentseismicbehaviors.

Keywords:steelreinforcedconcrete;speci口乒s|II口pedcolumn;edgejoint;quasi-statictest;mechanicalbehavior

Biography:XUEJiamyang.Professor,P

h.D.,Xi’an710055,P.RChina,Tel:0086—2

9-82205856,E-mail:jianyang_xue@163.oom万方数据

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