姜德乾，李明

(山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島 266590)

混凝土對K型方鋼管節(jié)點抗震性能的影響

姜德乾，李明

(山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東青島 266590)

為考察K型方鋼管節(jié)點主管中填充混凝土對節(jié)點抗震性能的影響，對1個K型方鋼管節(jié)點(空管節(jié)點)以及1個節(jié)點主管中填充混凝土的K型方鋼管混凝土節(jié)點進行低周反復(fù)荷載試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對節(jié)點的破壞模式、滯回性能、承載力、延性、剛度和耗能能力進行對比分析。結(jié)果表明：K型方鋼管節(jié)點主管中填充混凝土后，提高了節(jié)點的承載力、延性、剛度，但卻降低了節(jié)點的耗能能力。

K型方鋼管節(jié)點；低周反復(fù)荷載試驗；抗震性能；設(shè)計

近年來，隨著我國鋼材產(chǎn)量與性能的大幅度提高，鋼管桁架結(jié)構(gòu)得到了很大發(fā)展。通常鋼管桁架結(jié)構(gòu)分為圓鋼管桁架結(jié)構(gòu)和矩形鋼管桁架結(jié)構(gòu)，矩形鋼管桁架結(jié)構(gòu)多以方鋼管桁架結(jié)構(gòu)的形式存在[1]。與常見的開口型截面(H型鋼和I字鋼)鋼桁架結(jié)構(gòu)相比，鋼管桁架結(jié)構(gòu)的材料截面閉合且為多軸對稱，慣性矩關(guān)于各對稱軸相同，因此截面兼具良好的抗壓承載力和抗彎扭承載力，同時具有較大的剛度[2]。此外，鋼管桁架結(jié)構(gòu)無需使用節(jié)點板，因此構(gòu)造簡單。更重要的是，鋼管桁架結(jié)構(gòu)易做成外觀優(yōu)美、裝飾效果良好的造型[3]。

將鋼管桁架的弦管全部或部分填充混凝土后就形成鋼管混凝土桁架。在鋼管桁架桿件中填充混凝土，不僅可以提高承載力，還可以縮小截面尺寸，提高建筑物的有效使用面積[4-6]。在橋梁等外露結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時，由于結(jié)構(gòu)外部阻風(fēng)尺寸減小，因而結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載也相應(yīng)減??；鋼管與混凝土的結(jié)合，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)點：與純鋼構(gòu)件相比，鋼管內(nèi)填充混凝土，不但可以提高鋼管壁在受到壓力作用時的穩(wěn)定性，并且還能提高鋼管的抗腐蝕性與耐火性[7]。另外，管壁對混凝土產(chǎn)生的套箍作用，使混凝土的抗壓強度和延性得到很大提高[8]；鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中空心鋼管作為模板和高強度支撐，能節(jié)省人工、材料、機械的使用，加快施工進度，降低施工成本[9]。

與圓鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)相比，矩形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)有以下特點：1)節(jié)點連接簡單，并且位于節(jié)點處的桁架腹桿可以平直切割，施工方便；2)結(jié)構(gòu)與橋面的連接更加簡便，可直接將橋面板擱置在矩形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)的弦桿上[10]。

從多次地震中對鋼管桁架結(jié)構(gòu)震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，連接節(jié)點屬于鋼管桁架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的鋼管桁架結(jié)構(gòu)中，K型連接節(jié)點十分普遍，而方鋼管混凝土構(gòu)件在矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中最為常見。因此通過加強對K型方鋼管混凝土節(jié)點的相關(guān)研究，對廣泛推廣和應(yīng)用矩形鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，具有重要意義[11-12]。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

將本次試驗所用的K型方鋼管節(jié)點和K型方鋼管混凝土節(jié)點分別編號為K0，KC， 兩節(jié)點幾何尺寸完全相同，主管尺寸為100 mm×100 mm,管壁厚度為4 mm,支管尺寸為80 mm×80 mm,管壁厚度為3 mm,KC主管中填充的混凝土強度等級為C30。節(jié)點均采用成品方鋼管，材料為Q235，支管與主管采用焊縫連接，手工焊，焊條為E43型。節(jié)點構(gòu)造見圖1[13]。

1.2 加載裝置和加載制度

依據(jù)文獻[14]中的規(guī)定，本次低周反復(fù)荷載試驗采用荷載-位移雙控制的加載方式進行加載。具體作法為：在節(jié)點達(dá)到屈服之前，采用荷載控制加載的方式，分級加載，并在接近開裂和達(dá)到屈服荷載前適當(dāng)減小級差，再進行加載；當(dāng)節(jié)點屈服后，應(yīng)采用位移控制加載。位移控制時的加載值取節(jié)點屈服時的最大位移并以該值的倍數(shù)為級差進行后續(xù)加載，加載至荷載下降至最大荷載的85%或發(fā)生嚴(yán)重破壞時停止加載[15]。加載裝置如圖2所示。

圖1 節(jié)點構(gòu)造圖 圖2 節(jié)點加載裝置

2 試驗結(jié)果及分析

圖3 節(jié)點區(qū)域命名與編號

2.1 試驗現(xiàn)象

為了更直觀、準(zhǔn)確的對試驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象進行描述，對主支管交匯處的幾個關(guān)鍵角部區(qū)域進行編號，并規(guī)定豎向支管受拉為正，受壓為負(fù)。定義支管側(cè)的焊趾為上焊趾，主管側(cè)的焊趾為下焊趾。如圖3所示[16]。

2.1.1 K0試驗現(xiàn)象

在以4倍屈服位移循環(huán)加載至P≈159 kN時，發(fā)現(xiàn)豎向支管與主管相連接的A、B區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)裂縫，并伴有聲響。A區(qū)域裂縫位于豎向支管側(cè)的焊趾處，且呈沿主管長度方向延伸趨勢，B區(qū)域裂縫則位于焊縫相交處；當(dāng)反向加載至P≈-212 kN時，A、B兩區(qū)域附近的主管腹板發(fā)生鼓曲，且A、B區(qū)域內(nèi)的裂縫閉合；在以5倍屈服位移的循環(huán)加載至P≈200 kN時，A、B處裂縫位置處的豎向支管管壁沿著主管長度方向被拉斷(見圖4)，節(jié)點破壞，試驗結(jié)束。

2.1.2 KC試驗現(xiàn)象

在以3倍屈服位移循環(huán)加載至P≈232 kN時，B區(qū)域焊縫上焊趾出現(xiàn)細(xì)小裂縫；進行到3.5倍屈服位移循環(huán)時，A區(qū)域焊縫上焊趾出現(xiàn)細(xì)小裂縫，B區(qū)域裂縫沿主管長度方向延伸；在之后的加載過程中，A、B區(qū)域的裂縫不斷擴大延伸，且延伸過程中始終伴有聲響；當(dāng)加載至4.5倍屈服位移循環(huán)時，A區(qū)域裂縫位置上的豎向支管管壁被拉裂且沿主管長度方向延伸，B區(qū)域裂縫處的豎向支管管壁被拉裂；在以5倍屈服位移的循環(huán)加載至P≈254 kN時，突然聽到一聲巨響，與此同時滯回曲線(見圖5)逐漸平緩，豎向支管與主管左側(cè)連接處整條焊縫突然被拉裂(見圖6a))，右側(cè)B區(qū)域的管壁被拉斷(見圖6b))，節(jié)點破壞，試驗結(jié)束。

a)豎向支管左側(cè)管壁斷裂 b)豎向支管右側(cè)管壁斷裂圖4 K0破壞狀態(tài)

a)K0 b)KC圖5 滯回曲線

a)豎向支管左側(cè)焊縫斷裂 b) B區(qū)域管壁斷裂圖6 KC破壞狀態(tài)

2.2 滯回曲線分析

以豎向支管端板處測得的位移Δ為橫坐標(biāo)，以作動器施加給豎向支管端板的荷載P為縱坐標(biāo)，繪制節(jié)點的滯回曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，曲線在荷載控制加載階段，節(jié)點未屈服之前，主要發(fā)生彈性變形，并且在反復(fù)荷載作用下，滯回曲線近乎關(guān)于原點對稱，而且滯回環(huán)的面積很小[17]。此時，節(jié)點的殘余變形很小。在進入位移控制加載階段后，伴隨位移荷載的增加，兩個節(jié)點的滯回曲線逐漸趨于飽滿。對比發(fā)現(xiàn)K0的滯回曲線比KC更加飽滿，因而K0具有更好的滯回性能。

圖7 骨架曲線

2.3 骨架曲線分析

從圖7給出的骨架曲線可以看出，位移相同時，KC由于主管填充有混凝土，其節(jié)點的承載力明顯提高[18]。

2.4 節(jié)點延性分析

表1為根據(jù)極限位移Δu和屈服位移Δy之比計算得到的兩節(jié)點的延性系數(shù)μ。從表1可以看出：節(jié)點主管中填充混凝土?xí)档凸?jié)點的延性[19-20]。

2.5 節(jié)點剛度退化分析

節(jié)點的剛度退化率可以用割線剛度Ki來表示。圖8為K0、KC在各加載循環(huán)時的割線剛度與位移的關(guān)系曲線。通過對比可以看出，兩節(jié)點的剛度退化規(guī)律相似，退化曲線都較平緩。但節(jié)點KC的割線剛度比節(jié)點K0提高近0.3倍。

表1 節(jié)點延性系數(shù)

試件編號受拉受壓ΔuΔyμΔuΔyμK018.011.821.52-14.95-10.011.49KC12.749.661.32-14.3-10.521.36

圖8 割線剛度-位移曲線

2.6 節(jié)點耗能分析

圖9 能量耗散系數(shù)-位移曲線

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的能量耗散能力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承受地震荷載時吸收能量的能力，用能量耗散系數(shù)表示。圖9為兩節(jié)點在各加載循環(huán)時的能量耗散系數(shù)E與位移關(guān)系曲線。從圖9中可以看出，位移相同時，KC的能量耗散系數(shù)比K0小，這是由于主管填充混凝土后會限制主管鋼材的部分塑性變形，因此耗能能力降低。

3 結(jié)論

1)主管填充混凝土的節(jié)點與未填充混凝土的節(jié)點的破壞都發(fā)生在豎向支管與主管相連接處的支管管壁上。

2) 通過對兩節(jié)點的滯回曲線分析發(fā)現(xiàn)，兩節(jié)點的滯回曲線都比較飽滿，與主管填充混凝土的節(jié)點相比，未填充混凝土的主管節(jié)點滯回曲線更加飽滿，滯回性能更好。

3) 通過對節(jié)點骨架曲線、延性系數(shù)、割線剛度-位移曲線以及能量耗散系數(shù)-位移曲線的分析和對比發(fā)現(xiàn)：節(jié)點主管填充混凝土后，節(jié)點的承載能力和剛度都顯著提高，但是卻降低了節(jié)點延性和耗能能力。

4)試驗研究了節(jié)點主管填充混凝土對節(jié)點抗震性能的影響，但對于所填充混凝土等級對節(jié)點抗震性能的影響尚且不明確，今后可以通過進一步的試驗或有限元模擬進行探究。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

Influence of Concrete on Seismic Performance of K-Type Square Steel Tubular Joints

JIANGDeqian,LIMing

(ShandongProvincialKeyLaboratoryofCivilEngineeringDisasterPreventionandMitigation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

To investigate the influence of the filled concrete on the seismic behavior of K-type square steel tubular joint, the low cycle repeated load test is carried out for one K-type square steel tubular joint (empty tubular joint) and one K-type square steel tubular joint of the main tube filled with concrete. According to the experimental data, the failure mode, hysteretic behavior, bearing capacity, ductility, stiffness and energy dissipation capacity of the joints are analyzed. The results show that the bearing capacity, ductility and stiffness of the joint are improved after the K-type square steel tubular joint of the main tube is filled with the concrete, but the energy dissipation capacity decreases.

K-type square steel tube joint; low cyclic repeated load test; seismic performance;design

2017-01-05

姜德乾(1989—)，男，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向為結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與應(yīng)用.E-mail:jiangdeqian2008@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.010

TU392.3

A

1672-0032(2017)01-0058-06