陳　茜,梁　斌,劉小敏

(河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

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新型異形鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理

陳茜,梁斌,劉小敏

(河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

摘要：在內(nèi)隔板式異形鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)試驗研究的基礎(chǔ)上，通過對節(jié)點(diǎn)破壞過程和荷載-鋼腹板應(yīng)變滯回曲線的分析，提出此類節(jié)點(diǎn)的破壞模式。比較分析表明：軸壓比、柱截面肢高肢厚比和翼緣肢均對節(jié)點(diǎn)的破壞模式存在影響?；诖祟惍愋喂?jié)點(diǎn)破壞模式及影響因素的分析，獲得節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，并利用節(jié)點(diǎn)域變形協(xié)調(diào)條件和虛功原理推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)核心區(qū)腹板肢、翼緣肢鋼管約束混凝土的作用長度。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；異形柱；框架節(jié)點(diǎn)；破壞機(jī)理

0引言

近年來，異形鋼管混凝土柱在中國工程實踐中得到成功應(yīng)用。異形鋼管混凝土柱(T、L和“十”字形)取代矩形截面柱，能夠使室內(nèi)不出現(xiàn)柱棱，有利于建筑布局，獲得更多有效使用空間[1]。同時，還能結(jié)合墻體改革，采用隔熱、保溫、輕質(zhì)、高效的墻體材料作為填充墻及內(nèi)隔墻，構(gòu)成異形鋼管混凝土柱框架節(jié)能結(jié)構(gòu)體系[2]。節(jié)點(diǎn)作為連接梁和柱的樞紐，是保證結(jié)構(gòu)承載力和剛度的關(guān)鍵部位。本文研究的新型異形鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)隔板式連接，能夠有效提高傳統(tǒng)鋼筋混凝土異形節(jié)點(diǎn)的承載力和抗震性能，并且施工工藝簡便，不需要模板。

在外荷載作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)域處于壓、彎、剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，受力機(jī)理較為復(fù)雜[3]，因此，研究節(jié)點(diǎn)的受力性能和破壞機(jī)理是保證結(jié)構(gòu)正常工作的前提。目前，應(yīng)用于方鋼管混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式，主要有內(nèi)隔板式、外隔板式及外伸內(nèi)隔板式等[4]，其中，內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)造簡單、傳力明確、承載力高和延性好等優(yōu)點(diǎn)。本文通過試驗研究內(nèi)隔板式“十”字形鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，提出該種類型節(jié)點(diǎn)的破壞模式，并建立節(jié)點(diǎn)域的剪力計算公式，可為內(nèi)隔板式異形鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的設(shè)計提供參考。

1鋼管混凝土異形節(jié)點(diǎn)試驗

1.1試驗概況

在工程應(yīng)用中“十”字形鋼管混凝土柱由3根矩形鋼管直接焊接形成，如圖1所示。圖1中，鋼管5、6、7焊接成“十”字形，在“十”字形鋼管混凝土柱的4個凸出方向上分別外接4根工字梁1、2、3和4；在節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置水平向且與工字鋼梁翼緣等高的內(nèi)隔板，內(nèi)隔板設(shè)計混凝土澆筑孔，“十”字形鋼管骨架內(nèi)部灌注混凝土，且在施工現(xiàn)場進(jìn)行。

試驗選取實際工程平面框架中的梁柱單元體進(jìn)行設(shè)計，縮尺比為1/2，試件的幾何尺寸如圖2所示。為避免柱端由于彎曲破壞產(chǎn)生塑性鉸，試驗中將柱翼緣厚設(shè)計成4倍腹板厚。工字梁與柱鋼管采用全焊接連接，試件鋼材除了柱腹板選用Q235鋼外(屈服應(yīng)變?yōu)? 333)，其余均選用Q345鋼。

為研究該種節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，試驗中首先對試件施加軸向荷載至設(shè)計值，然后在柱端施加水平方向的低周反復(fù)荷載。選取5個試件編號分別為J1、J2、J3、J4和J5，試件在各受力階段的水平位移-荷載如表1所示。

圖1 “十”字形節(jié)點(diǎn)示意圖圖2 試驗?zāi)Ｐ?/p>

表1　試件在各受力階段的水平位移-荷載

1.2破壞模式

5個試件的破壞模式大致相同，下面以試件J1為例進(jìn)行分析。

1.2.1節(jié)點(diǎn)域腹板肢(與梁相連的柱肢)腹板的剪切破壞

由試驗結(jié)果整理得出試件J1節(jié)點(diǎn)域鋼腹板應(yīng)變ε隨荷載P的變化曲線(P-ε)如圖3所示，測點(diǎn)位置如圖4所示。

由圖3可知：臨近內(nèi)隔板和柱翼緣交接部位的水平方向、斜方向應(yīng)變片#54、#56、#36和#38最先(約在荷載+118 kN，-130 kN)達(dá)到屈服應(yīng)變，并且水平方向應(yīng)變的數(shù)值遠(yuǎn)大于斜方向應(yīng)變。試件達(dá)到屈服荷載時，腹板肢節(jié)點(diǎn)域除了內(nèi)隔板和柱翼緣交接部位的豎直方向應(yīng)變片外，所有應(yīng)變片均已超過屈服應(yīng)變，并且臨近節(jié)點(diǎn)域中心的斜方向應(yīng)變片#35的數(shù)值最大，增長速度最快。試件達(dá)到極限荷載時，節(jié)點(diǎn)域腹板肢腹板出現(xiàn)了屈曲現(xiàn)象，最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞。

1.2.2節(jié)點(diǎn)域混凝土剪切斜壓破壞

試驗后剝開鋼管，發(fā)現(xiàn)試件腹板肢節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沿對角線方向有2條交叉斜裂縫，如圖5a所示，而在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)端部混凝土沒有發(fā)生承壓破壞；試件翼緣肢節(jié)點(diǎn)核心區(qū)臨近對角線方向同樣存在2條交叉斜裂縫，但其裂縫寬度要小于腹板肢節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜裂縫。說明試件在低周反復(fù)荷載作用下，腹板肢和翼緣肢節(jié)點(diǎn)核心區(qū)均發(fā)生剪切破壞。由有限元分析結(jié)果可知：試件達(dá)到極限荷載時，腹板肢和翼緣肢節(jié)點(diǎn)核心區(qū)均沿對角線方向形成明顯的“斜壓短柱”，混凝土壓應(yīng)力在腹板肢和翼緣肢交匯處達(dá)到最大值，并沿對角線兩側(cè)逐漸減小。

1.2.3焊縫破壞

當(dāng)加載超過極限荷載后，試件一側(cè)核心區(qū)在內(nèi)隔板、柱翼緣交匯處(應(yīng)變片#54、#55和#56附近) 的鋼腹板與柱翼緣焊縫開裂，之后裂縫沿豎直方向發(fā)展，并且寬度不斷增大。當(dāng)荷載反向加載時，在其對角位置(應(yīng)變片#36、#37和#38附近) 的鋼腹板與柱翼緣焊縫開裂，如圖5b所示，但裂縫發(fā)展速度較慢。隨著荷載的繼續(xù)增大，試件對側(cè)核心區(qū)在內(nèi)隔板、柱翼緣交匯處的鋼腹板與柱翼緣焊縫開裂，裂縫同樣沿豎直方向發(fā)展。當(dāng)荷載臨近破壞荷載時，內(nèi)隔板側(cè)邊與柱翼緣連接焊縫發(fā)生破壞，柱頂水平荷載由205 kN降至164 kN。

圖3　節(jié)點(diǎn)核心區(qū)P - ε曲線

圖4 測點(diǎn)位置圖5 節(jié)點(diǎn)破壞情況

2鋼管混凝土異形節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理分析

2.1節(jié)點(diǎn)破壞特征的影響因素分析

2.1.1柱截面肢高肢厚比的影響

圖6　肢高肢厚比不同時，J1、J4和J5節(jié)點(diǎn)核心區(qū)P- ε骨架曲線

柱截面肢高肢厚比分別為2、3、4時,荷載-節(jié)點(diǎn)腹板肢鋼腹板剪應(yīng)變(P-ε)骨架曲線見圖6a，其中,節(jié)點(diǎn)域應(yīng)變?nèi)′摳拱逯胁繎?yīng)變花測得的剪應(yīng)變。由圖6a可知：試件J1達(dá)到+132.6 kN(約為屈服荷載的56%)和-88.6 kN(約為屈服荷載的38%)時，節(jié)點(diǎn)域鋼腹板中部剪應(yīng)變已超過屈服應(yīng)變。試件J4達(dá)到+204.8 kN(約為屈服荷載的65%)和-215.3 kN(約為屈服荷載的76%)時，節(jié)點(diǎn)域鋼腹板中部剪應(yīng)變達(dá)到屈服。試件J5達(dá)到+200.7 kN(約為屈服荷載的57%)和-318.0 kN(約為屈服荷載的96%)時，節(jié)點(diǎn)域鋼腹板中部剪應(yīng)變也分別達(dá)到屈服應(yīng)變,說明隨著柱截面肢高肢厚比的增加，試件節(jié)點(diǎn)域鋼腹板進(jìn)入塑性的速度遞減。試件進(jìn)入塑性階段后，隨著柱截面肢高肢厚比的增加，節(jié)點(diǎn)鋼腹板中部剪應(yīng)變隨荷載增大的速度逐漸減小，說明節(jié)點(diǎn)鋼腹板塑性發(fā)展的速度隨柱截面肢高肢厚比的增加而減小。

2.1.2翼緣肢的影響

柱截面肢高肢厚比分別為2、3、4時，試件荷載-節(jié)點(diǎn)翼緣肢鋼腹板應(yīng)變(P-ε)骨架曲線見圖6b。由圖6b可知:試件J1達(dá)到屈服荷載時，節(jié)點(diǎn)域翼緣肢鋼腹板中部剪應(yīng)變達(dá)到屈服，表明節(jié)點(diǎn)域翼緣肢鋼腹板中部開始進(jìn)入塑性階段，其對節(jié)點(diǎn)抗剪承載力有一定的貢獻(xiàn)。試件J4和J5達(dá)到屈服荷載時，節(jié)點(diǎn)域翼緣肢鋼腹板中部剪應(yīng)變均未屈服，表明其對節(jié)點(diǎn)抗剪承載力的貢獻(xiàn)較小。綜上可知：試件J1、J4和J5節(jié)點(diǎn)域翼緣肢鋼腹板進(jìn)入塑性階段的速度均較其腹板肢鋼腹板慢。

圖7　軸壓比不同時，J1、J2和J3節(jié)點(diǎn)核心區(qū)P - ε骨架曲線

2.1.3試件軸壓比的影響

試件J1、J2、J3的肢高肢厚比均為2，而軸壓比分別為0.20、0.26和0.32。3個試件節(jié)點(diǎn)腹板肢、翼緣肢鋼腹板剪應(yīng)變隨荷載變化的(P-ε)骨架曲線分別見圖7a和圖7b。由圖7可知：3個試件達(dá)到屈服荷載之前，荷載-節(jié)點(diǎn)腹板肢、翼緣肢鋼腹板剪應(yīng)變骨架曲線基本重合。試件達(dá)到屈服荷載后，節(jié)點(diǎn)域腹板肢和翼緣肢鋼腹板的應(yīng)變隨荷載迅速增大，且隨著軸壓比的增加，應(yīng)變增大的速度略有提高。

2.2異形節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理

異形節(jié)點(diǎn)承受柱端傳來的軸向作用力N、柱端彎矩Mc、柱端剪力Vc、梁端彎矩Mb和梁端剪力Vb，處于復(fù)合受力狀態(tài)，而節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)隔板、柱鋼管和混凝土3部分有機(jī)聯(lián)系傳遞內(nèi)力[5-6]。由于柱翼緣與節(jié)點(diǎn)域內(nèi)隔板采用帶墊板的坡口全熔透焊連接，節(jié)點(diǎn)域鋼腹板與內(nèi)隔板、柱翼緣分別通過角焊縫進(jìn)行焊接，故柱翼緣、內(nèi)隔板和鋼腹板形成一個剛性框，起到了約束節(jié)點(diǎn)域混凝土變形的作用。隨著荷載的不斷增加，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)腹板肢、翼緣肢混凝土沿對角線方向?qū)⒊霈F(xiàn)斜裂縫，混凝土斜裂縫之間漸漸形成混凝土斜壓桿[7-8]。由于節(jié)點(diǎn)域混凝土開裂后裂縫截面混凝土將退出工作，故僅考慮混凝土斜壓桿承受軸向壓力作用，而垂直于混凝土裂縫方向的軸向拉力作用將由節(jié)點(diǎn)鋼腹板承擔(dān)，這樣構(gòu)成了鋼桁架-斜壓桿機(jī)構(gòu)[9]。當(dāng)試件加載到屈服荷載時，腹板肢節(jié)點(diǎn)鋼腹板達(dá)到屈服，此后隨著荷載的增加，腹板肢節(jié)點(diǎn)鋼腹板在內(nèi)隔板和柱翼緣交接部位水平、45°斜方向的拉應(yīng)力、應(yīng)變迅速增大，如圖3c和圖3f所示。但由于鋼桁架對節(jié)點(diǎn)混凝土有效的約束作用，節(jié)點(diǎn)混凝土在柱端沒有壓碎而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。試件超過極限荷載后，節(jié)點(diǎn)混凝土斜壓桿漸漸壓碎、破壞，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形很大，腹板肢節(jié)點(diǎn)鋼腹板在內(nèi)隔板和柱翼緣交接部位水平、斜向應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變的10～20倍。隨著剪切變形不斷增大，節(jié)點(diǎn)要保持一定的承載能力，核心區(qū)柱翼緣承擔(dān)的剪力將迅速增大，當(dāng)增大到超過節(jié)點(diǎn)鋼腹板、內(nèi)隔板和柱翼緣的焊縫承載力時，焊縫開裂，剛性框四角形成塑性鉸，如圖8所示。之后節(jié)點(diǎn)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，混凝土壓碎、外鼓，節(jié)點(diǎn)達(dá)到破壞。

2.3節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土變形機(jī)制

由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的主要破壞模式是剪切斜壓破壞，故根據(jù)節(jié)點(diǎn)混凝土平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件，建立節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的剪切變形機(jī)制，如圖9所示。由試驗結(jié)果和節(jié)點(diǎn)混凝土的應(yīng)力傳遞機(jī)制可知：節(jié)點(diǎn)腹板肢、翼緣肢混凝土均沿對角線方向開裂，表明節(jié)點(diǎn)腹板肢和翼緣肢均存在混凝土斜壓桿，如圖9中陰影所示。由于柱鋼管包裹混凝土，鋼管將對混凝土產(chǎn)生約束作用，圖9中斜線部分表示受到鋼管約束的混凝土。

圖8 節(jié)點(diǎn)域破壞模式圖9 節(jié)點(diǎn)域混凝土變形機(jī)制

圖9中：h為節(jié)點(diǎn)腹板肢混凝土的高度；θ1、θ2分別為節(jié)點(diǎn)域腹板肢、翼緣肢混凝土斜壓桿與柱翼緣的夾角；law為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)腹板肢鋼管約束混凝土的作用長度；dc1為節(jié)點(diǎn)腹板肢混凝土的深度。假設(shè)laf為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)翼緣肢鋼管約束混凝土的作用長度，dc2為節(jié)點(diǎn)翼緣肢混凝土的深度，則可得出[10]：

(1)

(2)

假設(shè)節(jié)點(diǎn)域混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度時，節(jié)點(diǎn)腹板肢鋼管形成塑性鉸的轉(zhuǎn)角和全塑性彎矩分別為ψw、Mfpw，而節(jié)點(diǎn)翼緣肢鋼管形成塑性鉸的轉(zhuǎn)角和全塑性彎矩分別為ψf、Mfpf。節(jié)點(diǎn)腹板肢、翼緣肢鋼管對混凝土產(chǎn)生水平方向均布壓力分別為pw、pf(pw、pf作用長度分別為law、laf)，則由虛功原理可得：

(3)

(4)

(5)

(6)

3結(jié)論

(1)內(nèi)隔板式鋼管混凝土異形節(jié)點(diǎn)的主要破壞模式是節(jié)點(diǎn)域腹板肢腹板的剪切破壞、混凝土剪切斜壓破壞和焊縫破壞。

(2)隨著柱截面肢高肢厚比的增加，試件節(jié)點(diǎn)域鋼腹板進(jìn)入塑性的速度減慢。進(jìn)入塑性階段后，節(jié)點(diǎn)鋼腹板塑性發(fā)展的速度隨柱截面肢高肢厚比的增加而減小。

(3)基于此類異形節(jié)點(diǎn)破壞模式及影響因素的分析，獲得異形節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理為鋼桁架-斜壓桿機(jī)構(gòu)。

(4)根據(jù)節(jié)點(diǎn)域混凝土變形協(xié)調(diào)條件，分析了節(jié)點(diǎn)混凝土的剪切變形，并由虛功原理推導(dǎo)得出節(jié)點(diǎn)核心區(qū)腹板肢、翼緣肢鋼管約束混凝土的作用長度。

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DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.01.013

文章編號：1672-6871(2016)01-0064-04

收稿日期：2015-10-05

作者簡介：戴俊(1964-),男,貴州安順人,教授,博士后,博士生導(dǎo)師,主要從事巖石破碎、爆破工程方面的教學(xué)和研究.

基金項目：國家自然科學(xué) (51174159)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TU317