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        復(fù)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的削弱設(shè)計及其對抗震性能的影響研究

        2022-09-24 09:17:38李偉浪
        四川水泥 2022年9期
        關(guān)鍵詞:承載力混凝土

        李偉浪

        (江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

        0 引言

        過去的一段時間里,人們對傳統(tǒng)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究較多,主要側(cè)重在混凝土、立柱、橫梁、連環(huán)板等結(jié)構(gòu)方面的研究,而對復(fù)式鋼管混凝土構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的研究則較少。從幾次大地震來看,以往抗彎框架的剛性連接方式并不能達(dá)到人們所預(yù)期的目的,于是提出了削弱鋼梁的方式,形成“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計理念。本文主要針對復(fù)式鋼管混凝土柱-H梁節(jié)點(diǎn)鋼梁受力進(jìn)行研究分析,研究鋼梁腹板削弱和鋼梁翼緣削弱兩種設(shè)計方式,重點(diǎn)研究這種設(shè)計對抗震性能的影響,這對復(fù)式鋼管混凝土在實(shí)際工程的應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。

        1 試件設(shè)計

        在試件設(shè)計中,首先對節(jié)點(diǎn)的柱的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計,根據(jù)《新型組合結(jié)構(gòu)柱—試驗(yàn)、理論與方法》[1]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[2]提到的矩形鋼管混凝土柱邊長尺寸應(yīng)≥150mm。模型按照1∶2比例縮尺建模,本文設(shè)計的鋼管混凝土外柱為250mm×250mm,內(nèi)柱為150mm×150mm,兩層柱的截面如圖1所示,柱壁厚度≥3mm,柱壁厚度為12mm,柱高取1800mm,滿足規(guī)范要求。按照規(guī)范規(guī)定,混凝土強(qiáng)度等級不低于C30。復(fù)式鋼管混凝土柱的承載力較大,為了節(jié)省混凝土材料,故采用C30混凝土。鋼梁采用的尺寸為250mm×125mm×8mm×10mm[3]。

        圖1 兩層柱的截面節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格圖

        具體施工工序:先在外鋼柱與梁端連接部位鑿孔,為了方便施工,孔可以稍大→內(nèi)、外鋼柱固定好→將鋼梁與內(nèi)鋼柱焊接→進(jìn)行內(nèi)、外鋼柱兩層混凝土澆筑[4]→外加強(qiáng)環(huán)板與鋼梁、外鋼柱進(jìn)行焊接[5]。

        2 鋼梁腹板削弱對節(jié)點(diǎn)抗震性能影響

        腹板削弱形狀如圖2所示,各削弱參數(shù)如表1所示。其中a、b分別為矩形削弱的寬和長,r為圓形削弱與半圓形削弱的半徑[6],x、y分別為十字形削弱小矩形寬和長。

        圖2 鋼梁腹板削弱平面示意圖

        表1 鋼梁腹板削弱形狀參數(shù)

        2.1 滯回曲線

        滯回曲線如圖3所示。由圖3可知,4種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均經(jīng)歷了彈性階段,加載初期曲線呈直線上升。NFB-JX節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較規(guī)則飽滿,節(jié)點(diǎn)鋼梁腹板削弱形狀較規(guī)則,而其他3種節(jié)點(diǎn)由于鋼梁腹板削弱較不規(guī)則,在每次循環(huán)加載到峰值點(diǎn)后,由于鋼梁承載力不足,不能恢復(fù)到最大的應(yīng)力值,滯回曲線出現(xiàn)不規(guī)則的情況。說明節(jié)點(diǎn)NFB-JX的抗震性能要優(yōu)于其他3種節(jié)點(diǎn)。

        圖3 不同削弱形式四種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線

        2.2 骨架曲線

        由圖4可知,4個節(jié)點(diǎn)的骨架曲線均經(jīng)歷了彈性階段,屈服位移有差別,在加載初期4條曲線的斜率基本重合,加載初期節(jié)點(diǎn)的性能相差不大,加載中后期,4條曲線增長緩慢,由于鋼梁腹板削弱導(dǎo)致鋼梁承載力下降,4個節(jié)點(diǎn)的極限荷載均較小[7]。鋼梁腹板削弱形狀不同,曲線的屈服荷載、極限承載力也不同。其中節(jié)點(diǎn)NFBJX的極限承載力最大。節(jié)點(diǎn)NFB-BY因?yàn)殚_孔面積相較與其他3個節(jié)點(diǎn)最小,所以屈服荷載與極限承載力比節(jié)點(diǎn)NFB-YX、NFB-SZ大??梢婁摿焊拱逑魅跣螤?、開孔面積大小對節(jié)點(diǎn)的承載力、抗震性能影響較大。

        圖4 4種不同鋼梁腹板削弱節(jié)點(diǎn)骨架曲線

        2.3 延性系數(shù)與承載力

        延性系數(shù)與承載力見表2,由表2可知,節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)均大于3,說明4個節(jié)點(diǎn)均具有良好的抗震性能。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)NFB-BY的開孔面積最小,其屈服荷載、極限承載力最大,延性系數(shù)也最大。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)NFBJX、NFB-YX、NFB-SZ開孔平面面積大小相等,節(jié)點(diǎn)NFB-JX因?yàn)槠溟_孔形狀相較于節(jié)點(diǎn)NFB-SZ、NFBYX來說較規(guī)則,所以其屈服荷載、極限承載力、延性系數(shù)也更大。說明節(jié)點(diǎn)NFB-BY可承受的塑性變形更大、抗震性能更好。

        表2 節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)與承載力

        3 鋼梁翼緣削弱對節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響

        鋼梁翼緣削弱位置如圖5所示,削弱參數(shù)如表3所示。按照規(guī)范《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8],所取削弱參數(shù)如下:削弱寬度f,取0.65h<f<0.85h,這里取175mm;削弱深度h取0.08bf、0.16bf、0.24bf,其中bf為梁翼緣寬度;梁端到削弱區(qū)中心距離e取225mm,g?。?.5~0.75)bf,削弱端離梁端距離d取137.5mm。

        圖5 鋼梁翼緣削弱構(gòu)造圖

        表3 節(jié)點(diǎn)鋼梁翼緣削弱構(gòu)造參數(shù)(單位:mm)

        3.1 滯回曲線

        從圖6可知,4種節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均經(jīng)歷了彈性階段,加載初期曲線呈直線上升。4種節(jié)點(diǎn)滯回曲線均較飽滿。其中節(jié)點(diǎn)NXR-30的滯回曲線高度較低,相對其他3個節(jié)點(diǎn)的滯回曲線沒那么飽滿,到達(dá)的峰值荷載也較小,這是因?yàn)樵诩虞d過程中出現(xiàn)鋼梁的承載力不足,加強(qiáng)環(huán)板又得不到充分利用,說明削弱深度太大會降低節(jié)點(diǎn)的抗震性能[9]。

        圖6 不同削弱深度節(jié)點(diǎn)滯回曲線

        3.2 骨架曲線

        骨架曲線如圖7所示,4個節(jié)點(diǎn)的骨架曲線均經(jīng)歷了彈性階段,屈服位移相差較大,在加載初期4條曲線的斜率基本重合,加載初期節(jié)點(diǎn)的性能相差不大,隨著鋼梁翼緣削弱深度的增加,曲線的屈服荷載、極限承載力下降??梢婁摿阂砭壪魅跎疃鹊脑龃蟛焕谔嵘?jié)點(diǎn)的抗震性能。

        圖7 4種不同削弱深度降低骨架曲線

        3.3 節(jié)點(diǎn)延性與承載力

        節(jié)點(diǎn)延性與承載力見表4。由表4可知,4種不同鋼梁翼緣削弱深度的屈服荷載、極限承載力、屈服位移、延性系數(shù)均隨著削弱深度的增大而減小。節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)基本大于3,節(jié)點(diǎn)均具有良好的延性,進(jìn)入塑性狀態(tài)后所能承受的變形能力更大。節(jié)點(diǎn)NXR-0延性系數(shù)最大,具有更好的塑性變形能力,抗震性能也更優(yōu)[10]。

        表4 4種不同鋼梁翼緣削弱深度節(jié)點(diǎn)延性與承載力

        4 結(jié)束語

        利用ABAQUS軟件研究復(fù)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的削弱設(shè)計,分析這種結(jié)構(gòu)對抗震性能的影響,得出以下結(jié)論:

        (1)節(jié)點(diǎn)NFB-JX、NFB-BY的抗震性能良好,均能形成“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計理念。

        (2)在鋼梁腹板削弱平面面積相等的情況下,削弱越規(guī)則的節(jié)點(diǎn)抗震性能越好;抗震性能又與削弱平面面積大小密切相關(guān)。

        (3)考慮到實(shí)際施工成本和材料,在設(shè)計與施工過程中,可以考慮對鋼梁腹板進(jìn)行矩形或者半圓的削弱。

        (4)各節(jié)點(diǎn)的抗震性能良好,均能形成“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計理念,并且隨著鋼梁翼緣削弱深度的增大,抗震性能逐漸減弱。又考慮到實(shí)際施工成本和材料,鋼梁翼緣削弱深度控制在0~10mm之間更優(yōu)。

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