李力怡，馬江萍，劉清穎，楊 燕

(西安培華學(xué)院 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710125)

在裝配建筑中，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)質(zhì)量重、施工麻煩。而鋼材屬于一種新型材料具有質(zhì)量輕、施工方便、節(jié)省資源等特性，剛好可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋼筋混凝土的缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)混凝土相比鋼材：質(zhì)量輕，抗震性好；材質(zhì)均勻，延展性好；施工簡(jiǎn)單，易于操作，成本相對(duì)較低。本文就裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接抗震加固設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓進(jìn)行試驗(yàn)(加載、測(cè)量、鋼化等)，對(duì)其抗震性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取5個(gè)裝配式鋼管混凝土柱試件，編號(hào)分別為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5。主要試驗(yàn)?zāi)康臑闇y(cè)試鋼管混凝土柱試件的螺栓直徑、軸壓比、加勁肋、端板厚度和混凝土強(qiáng)度。試件選取梁柱反彎點(diǎn)間距為2 010 mm的典型單元，梁端加載點(diǎn)與梁端柱面處的間距為1 400 mm的T形試件。如表1所示為試件的主要參數(shù)，其中鋼骨、梁和柱采用相同型號(hào)；螺栓采用8.8級(jí)長(zhǎng)螺栓，分別為M16和M20兩種，屬于高強(qiáng)度摩擦型長(zhǎng)螺栓。梁截面：為寬度；為高度；為壁厚；為立方體抗壓強(qiáng)度；為軸心抗壓強(qiáng)度；為彈性模量。柱截面：為公稱(chēng)內(nèi)徑；為公稱(chēng)高度；為公稱(chēng)寬度；為壁厚；為鋼管數(shù)量。

表1 試件主要參數(shù)

1.2 試件制作及材性試驗(yàn)

該試件采用的水泥為普通水泥，其中水泥的強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)，粗集料采用級(jí)配良好且最大粒徑為10 mm的卵石，混凝土外加劑選用JT-B1外加劑。實(shí)驗(yàn)所含有的主要作用成分(質(zhì)量占比)為：水(180)：水泥(525)：細(xì)集料(786)：粗集料(100)：外加劑(JT-B1)。實(shí)驗(yàn)利用攪拌機(jī)對(duì)混凝土進(jìn)行拌和，澆筑時(shí)為了混凝土更加密實(shí)，可以在頂部進(jìn)行從上往下的澆筑，同時(shí)再使用鋼筋在方鋼管柱內(nèi)進(jìn)行插搗，最后結(jié)尾時(shí)需要將混凝土頂部與鋼管上截面抹平。然后靜置自然養(yǎng)護(hù)，15 d之后將浮漿層去除，并在柱頂或其他位置使用高強(qiáng)混凝土實(shí)現(xiàn)鋼管與鑿去浮漿層后的裸露的混凝土表面之間尺寸一致，最后在進(jìn)行蓋板操作，保證鋼骨、鋼管和核心混凝土受力均勻。該實(shí)驗(yàn)需要制作3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試塊，試塊大小分別為：160 mm×160 mm×160 mm、160 mm×160 mm×310 mm，然后靜置自然養(yǎng)護(hù)。如表2所示為鋼材的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)該領(lǐng)域的相關(guān)要求，實(shí)驗(yàn)的比例系數(shù)=5.65，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)天進(jìn)行混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)(抗壓強(qiáng)度和彈性模量)。

表2 鋼材各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)

1.3 加載方案

該實(shí)驗(yàn)梁端低周反復(fù)荷載采用HLAW-2000KN電液伺服加載系統(tǒng)，設(shè)置作動(dòng)器位移行程為250 mm左右。如圖1所示為加載裝置簡(jiǎn)易示意圖。

A-鋼架；B-荷載傳感器；C-液壓千斤頂；D-H形鋼梁；E-螺桿；F-球鉸；G-試件；H-鋼敦；I-作動(dòng)器；J-側(cè)向支持

1.4 測(cè)量?jī)?nèi)容

電液伺服加載系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量荷載-位移滯回關(guān)系曲線(xiàn)，該測(cè)量器在鋼梁的各個(gè)節(jié)點(diǎn)(鋼梁上、下翼緣、腹板以及端板等)都設(shè)置了電阻應(yīng)變片。如圖2所示為位移計(jì)布置示意圖，和表示測(cè)量組合柱水平位移；和表示核心區(qū)的剪切變形；表示測(cè)梁柱間的相對(duì)位移；和表示梁的豎向位移。

圖2 位移計(jì)布置示意圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

2.1 試件1

試件1隨水平位移程度變化各部分工作狀態(tài)及破壞現(xiàn)象如表3所示。

表3 試件1隨水平位移程度變化各部分工作狀態(tài)及破壞現(xiàn)象

由表3可知，當(dāng)試件1水平位移小于等于16 mm時(shí)，未出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題，此時(shí)試件仍處于彈性工作狀態(tài)；隨著試件水平位移的不斷增大至16～18 mm時(shí)，試件出現(xiàn)裂紋Ⅰ，該裂紋位置如表3中所示；當(dāng)試件水平位移為18～24 mm時(shí)，裂紋Ⅰ整體位置不變，但開(kāi)始沿鋼梁垂直方向延伸；當(dāng)試件水平位移為22～28 mm時(shí)，裂紋Ⅰ最大寬度已高達(dá)0.77 mm，同時(shí)裂紋Ⅰ所處位置的CFDST 柱的外鋼管鼓出出現(xiàn)第2處破壞“突出Ⅱ”；試件1水平位移達(dá)到28～32 mm后，試件右側(cè)CFDST 柱的柱底被壓屈，此時(shí)出現(xiàn)第3處破壞“屈曲Ⅲ”；當(dāng)試件1水平位移達(dá)到40～48 mm時(shí)，試件左側(cè)CFDST 柱發(fā)生屈曲，此時(shí)出現(xiàn)第4處破壞“屈曲Ⅳ”；當(dāng)試件1水平位移達(dá)到64 mm時(shí)，試件中各承重及傳遞彎矩部件已基本失靈，試件1承載能力急劇下降；當(dāng)水平位移超過(guò)72 mm后，試件1承載結(jié)構(gòu)基本被完全破壞。

2.2 試件2

試件2與試件1相比，在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了一定變化，即采用了加強(qiáng)塊梁柱連接方式，因而其隨水平位移程度增強(qiáng)帶來(lái)的破壞位置、類(lèi)型等均發(fā)生了變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 試件2隨水平位移程度變化各部分工作狀態(tài)及破壞現(xiàn)象

由表4可知，試件2水平位移在16 mm以?xún)?nèi)時(shí)，與試件1同樣處于彈性工作狀態(tài)，此時(shí)未出現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)破壞；試件2水平位移在16～20 mm時(shí)，試件1CFDST 柱內(nèi)部填充混凝土首次出現(xiàn)破壞，主要表現(xiàn)為聲響，此時(shí)記錄為“聲響Ⅰ”；當(dāng)水平位移為20～24 mm時(shí)，試件2梁翼緣和端部蓋板的間隙增大，且二者之間進(jìn)行連接的高強(qiáng)度摩擦型螺栓出現(xiàn)滑動(dòng)，此時(shí)破壞類(lèi)型記錄為“滑動(dòng)Ⅱ”；當(dāng)水平位移達(dá)到32～36 mm時(shí)，試件2多處出現(xiàn)破壞；當(dāng)水平位移達(dá)到48～56 mm時(shí)，試件2 CFDST 柱的柱腳區(qū)域出現(xiàn)壓屈現(xiàn)象，此時(shí)記錄為“多處破壞Ⅲ”；當(dāng)水平位移達(dá)到64 mm后，試件2梁柱連接處發(fā)生嚴(yán)重破壞，此處外鋼管明顯鼓起，記錄為“鼓起Ⅳ”。由于試件2加強(qiáng)塊的存在，該試件因破壞而承載力下降幅度較試件1更加緩慢。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滯回性能

鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接抗震性的主要表征是滯回曲線(xiàn)和骨架曲線(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出5個(gè)試件的-Δ滯回曲線(xiàn)都相對(duì)飽滿(mǎn)，因此可以得出該試件具有良好的耗能能力。當(dāng)荷載較小時(shí)，5個(gè)試件的位移和彎矩均呈線(xiàn)性狀態(tài)，根據(jù)包辛格效應(yīng)可以得出，在正、負(fù)2個(gè)方向上滯回曲線(xiàn)均不對(duì)稱(chēng)。由此可知，荷載和位移對(duì)滯回環(huán)的飽滿(mǎn)程度有影響，對(duì)試件的耗能能力有影響。此外，破壞模式對(duì)滯回曲線(xiàn)形狀也具有較大的影響(分弓形、梭形和倒S形)。當(dāng)端板控制承載力時(shí)，試件Ⅰ-1、Ⅰ-4和Ⅰ-5的滯回曲線(xiàn)呈弓形；當(dāng)螺栓控制承載力時(shí)，試件Ⅰ-2的滯回曲線(xiàn)呈倒S形；當(dāng)鋼梁控制承載力時(shí)，試件Ⅰ-3滯回曲線(xiàn)呈梭形。因此，螺栓的脆性破壞對(duì)端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)具有重要影響，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意避免脆性破壞發(fā)生。

3.2 剛度退化

剛度退化是結(jié)構(gòu)反應(yīng)的一個(gè)過(guò)程，可以表示試件在加載過(guò)程中的剛度變化。其計(jì)算公式是荷載絕對(duì)值(正、負(fù)2個(gè)加載方向荷載的最大值)之和與位移絕對(duì)值之和的比，即：

式中：表示第級(jí)時(shí)試件的割線(xiàn)剛度；+表示第級(jí)時(shí)試件正向最大荷載；-表示第級(jí)時(shí)試件負(fù)向最大荷載；+和-分別對(duì)應(yīng)第級(jí)時(shí)試件正、負(fù)2個(gè)方向最大荷載所對(duì)應(yīng)的位移。

將5個(gè)試件的剛度變化劃分為3個(gè)階段：

(1)當(dāng)Δ<30 mm時(shí)，由于裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接在一定程度增強(qiáng)了試件的抗側(cè)剛度，因此，試件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割線(xiàn)剛度相近且大于試件Ⅰ-1；

(2)當(dāng)30 mm≤Δ≤40 mm時(shí)，試件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割線(xiàn)剛度接近試件Ⅰ-1；

(3)當(dāng)Δ>40 mm時(shí)，試件Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4、Ⅰ-5的割線(xiàn)剛度更大，裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁端板螺栓連接對(duì)試件Ⅰ-1抗側(cè)剛度影響很小。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)試件半剛性節(jié)點(diǎn)，其抗震強(qiáng)度隨端板厚度和螺栓直徑增大呈上升趨勢(shì)；

(2)當(dāng)控制試件的承載力不同時(shí)，滯回曲線(xiàn)的形狀受影響較大，會(huì)隨承載力的變化呈分弓形、梭形和倒S形變化；

(3)當(dāng)端板和鋼梁控制承載力時(shí)，對(duì)框架的承載力、剛度和延性的影響很小，可以有效改善框架的延性，對(duì)提高框架承載力和抗震性具有重要意義。