钢管混凝土柱-钢梁平齐端板连接节点抗倒塌性能试验研究_徐嫚.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 中央高校基本科研业务费专项 国家自然科 学基金国家留学基金陕西省陕西高 校青年创新团队宁夏回族自治区重点研发计划重大重点项目 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 徐 女博士副教授 年生 通信作者 高山 男博士副教授 年生 钢管混凝土柱 钢梁平齐端板连接节点抗倒塌性能试验研究 徐 高山 郭兰慧 东北林业大学土木工程学院哈尔滨 西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室西安 重庆大学土木工程博士后流动站重庆 哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨 摘要为解决传统螺栓连接钢管混凝土柱钢梁节点构造复杂承载力和刚度偏低的问题设计了三个采用穿 心螺栓的钢管混凝土柱钢梁平齐式端板连接节点并对其进行了中柱失效下的抗倒塌性能试验研究分析了节点中抗 弯机制和悬索机制的形成与发展对节点的抗倒塌转动能力进行了评价以及等效动力分析主要结论如下采用穿心螺栓 和平齐式端板的钢管混凝土柱钢梁节点具有较好的抗倒塌能力端板厚度和螺栓直径的匹配程度会影响抗弯机制和悬 索机制的过渡提出一种新的节点抗倒塌转动能力需求计算公式可以较好体现节点细部构造对其转动性能的影响 规范中给出的动力放大系数计算公式在抗弯机制下可以有效地体现节点的动力效应但无法考虑悬索机制的影响 关键词钢管混凝土柱连续倒塌平齐式端板悬索机制动力效应 中图分类号 文献标志码 传统设计中梁柱节点通常只承受单向或往复的弯 矩和剪力并不考虑轴力的作用而当结构中柱子发 生破坏时竖向荷载则要通过与之相连的梁来传递尤 其在大变形下梁中将发展出轴力即悬索效应以此抵 抗竖向荷载此时节点将承受弯矩和轴力的共同作 用轴力将会明显影响节点的力学性能同时节点的转 动能力也应当能满足在梁中产生悬索效应的要 求 针对在中柱失效下节点的抗倒塌性能及相应 的悬索作用各国学者进行了大量的试验和理论分析 在不同节点连接形式的基础上分析了悬索效应和压 拱效应对于结构抗倒塌性能的影响推导了节点在抗 倒塌各阶段的荷载位移相关公式提出了简化分析 方法和相应的设计建议 针对钢管混凝土柱钢梁节点工程中通常所采 用的连接方式是环板连接该连接方式存在现场焊接 量大占用空间影响混凝土灌注等问题因此端板和 螺栓连接的钢管混凝土柱钢梁节点开始逐渐被关 注 为便于施工操作该连接方式常采用单边螺 栓 或在钢管外焊接一段槽钢 以方便螺栓的安装施工但这两种方式均是钢管壁直 接参与螺栓上内力的传递存在刚度和承载力较低的 问题同时也会增加造价 针对以上问题采用穿心螺栓与平齐式端板的构 造将钢梁与钢管混凝土柱进行连接 既简化了施 工增加了节点的承载力和刚度同时又能保证节点具 有良好的转动能力在连续倒塌工况中为悬索作用提 供有效的支持 本文设计了三个钢管混凝土柱钢梁平齐式端板 连接节点采用穿心螺栓进行连接对其进行中柱失效 下的抗倒塌性能试验研究着重分析对比了节点的破 坏模式和悬索机制的形成与发展基于已有规范对节 点的抗倒塌转动能力进行评价并采用能量平衡法对 节点进行等效动力分析 试验概况 试件设计 根据实际工程中某钢管混凝土框架结构设计了 三个 缩尺的钢管混凝土钢梁节点采用平齐式 端板和穿心螺栓进行节点连接试件尺寸和设计参数 如图和表所示试件两侧梁取 跨度尺寸以模拟 全跨梁的反弯点处其中方钢管均采用 钢梁均采用 型钢在端板上设 置上中下三排 级高强穿心螺栓由于端板和 螺栓的尺寸在节点性能中起到重要作用因此设计试 件 为控制试件端板厚度和螺栓直径均为 试件 和 的端板厚度均为 螺栓直径分别 为 和 表试件设计 试件编号 端板厚度 螺栓直径 螺栓预紧 力 图试件尺寸 材性试验 试件所使用的钢材强度等级均为 分别取钢 梁翼缘及腹板端板和钢管壁处的钢材制作标准拉伸 试件材性试验结果如表所示在浇筑钢管柱内混 凝土时制作了边长为 的混凝土立方体试块测 得混凝土立方体抗压强度平均值为 采用 棱柱体试块测得混凝土的 弹性模量平均值为 表钢材力学性能 钢梁 翼缘 腹板 端板 钢管 加载及测量装置 试验在东北林业大学结构实验室进行试验加载 装置如图所示反力墙与反力架为试件提供水平约 束试件两端的铰接端使梁端只承受轴力作用竖向支 座避免了铰接端承受过大的剪力同时采用了出平面 的限位装置避免了在加载过程中试件发生平面外 变形 通过在节点上方试件竖向荷载来模拟中柱失效的 工况同时在反力架内布置荷载传感器以记录梁中轴 力的产生和发展 为测量节点的竖向变形在钢梁和钢柱上分别布 置位移传感器如图 所示同时在钢梁上四个截 振 动 与 冲 击年第卷 面分别布置应变片以测量钢梁截面应变并计算得到 梁截面轴力 图实验装置 图位移计和应变片布置 试验现象及结果分析 当中柱失效后失效柱上方节点所承担的总荷载 一般有两部分组成即将通过抗弯机制所承担的竖向 荷载 和悬索机制所承担的竖向荷载 式中悬索机制所承担的竖向荷载可由梁中轴力 和 节点转角计算得到 如图和图所示梁中轴力 可由荷载传感器 直接测得或由梁截面布置的应变片所测得数据计算 得到 式中 为钢梁截面面积为一个截面上应变片布置 数量 节点所承担的总荷载可由作动器传感器得到故 此可由式得到抗弯机制所承担的竖向荷载 因 此在由试验中直接得到的竖向荷载位移曲线的基 础上可以分解得到不同承载机制所承担的荷载与竖 向位移的关系曲线值得注意的是由于压拱效应三 个试件中前期的梁中轴力并不完全为 试件 试件 采用 厚端板和 直径穿心螺 栓图为试件 的竖向荷载位移曲线总荷载曲线 由试验测得悬索机制和抗弯机制承担荷载曲线由式 式计算得到下同 由图可以看到在受荷初期主要是抗弯机制承 载总荷载曲线与抗弯机制承载曲线完全重合随着荷 载的增加试件进入塑性强化阶段但悬索机制仍未被 激活节点的左右四个下排螺栓在该阶段被逐渐拉脱 造成了总荷载曲线上三个起伏当位移达到 左 右四个下排螺栓全部被拉脱如图 所示此时悬 索机制开始发挥作用总荷载曲线逐渐超过抗弯机制 承载曲线中排螺栓开始承受较大拉力当四个中排螺 栓全部被拉脱后试验终止如图所示此时悬 索机制承担了的总荷载 图竖向荷载位移曲线 图试件 试验现象 试件 试件 采用 厚端板和 直径穿心螺 栓由图可见在加载初期只有抗弯机制发挥作用 当荷载增加至约 节点右侧下排螺栓被先后拉 第期徐等钢管混凝土柱钢梁平齐端板连接节点抗倒塌性能试验研究 脱造成了节点承载力大幅降低随后节点左侧两个下 排螺栓先后被拉脱当位移达到 下排螺旋全 部被拉脱如图 所示悬索机制开始发挥作用总 荷载也开始明显上升当三个中排螺栓被拉脱后试验 终止如图所示此时位移达到 悬索机制 承担了总荷载 图竖向荷载位移曲线 图试件 试验现象 试件 试件 采用 厚端板和 直径穿心螺 栓由图所示在弹性和弹塑性阶段主要是节点抗 弯机制承载当位移增加至 左右节点左侧下 排一枚螺栓发生断裂如图 所示使节点抗弯承载 力由 下降至 之后随着悬索机制的参 与节点承载力开始重新上升当位移增加至 时节点下排其余三个螺栓均被拉脱造成了节点承载 图竖向荷载位移曲线 图试件 试验现象 力的降低当竖向位移增加至 时节点中排螺 栓被拉脱如图所示试验终止此时悬索机制 承担了的总荷载 试件受力对比分析 荷载变形曲线 如图所示当端板厚度和螺栓直径增加时节 点的初始刚度屈服荷载变形能力和极限荷载均得到 了一定程度的提升对比试件 和试件 可以看 到增加端板厚度对节点的前期性能影响较为明显而 进入悬索阶段后两者的荷载位移曲线的斜率基本相 同虽然由于端板的增强使试件 的极限位移要明 显大于试件 但由于两者的螺栓直径和破坏模式相 同均为螺栓拉脱因此两者的极限荷载相差并不大 图竖向荷载位移曲线对比 而对比试件 和试件 可以看到虽然随着螺 栓直径的增加试件 的初始刚度和屈服荷载均得 到了增加但两者差距并不大而在悬索机制发挥作用 初期两者的曲线也较为接近但随着悬索机制承担荷 载的增加两者的差距逐渐拉大可见对于平齐式端 板连接节点端板厚度对于节点前期性能影响较大而 节点的后期性能尤其是悬索机制下的性能则受螺栓 影响较大 由图可知增加端板厚度会推迟悬索机制的作 用而对比试件 和 可以发现当端板厚度和螺 栓直径较为接近时悬索机制会触发的更早可见端 振 动 与 冲 击年第卷 板厚度和螺栓直径的匹配程度会影响抗弯机制和悬索 机制的过渡早晚同时当连接的抗弯机制较弱时悬 索机制也会更早发挥作用 图梁中轴力竖向位移曲线对比 悬索机制影响 表为悬索机制对节点极限性能的影响可以看 到当不考虑悬索机制即仅抗弯机制发生作用时节 点的承载力均有一定程度的下降其中试件 悬索 机制的发展最为充分 值得注意的是试件 虽然悬索机制的触发要 远晚于试件 但悬索机制对试件 承载力的提高 程度要大于试件 而对比是否考虑悬索机制的节点 极限位移可以看到是否考虑悬索机制对节点的延性 影响并不明显虽然试件 的极限位移增大了将近 但试件 和试件 的极限位移几乎没有受到 悬索机制的影响 这主要是由于对于三排螺栓的平齐式端板连接 在承受弯矩作用时中排螺栓所承担的荷载较小即内 力储备较大当下排螺栓失效后随着节点内力重分 配中排螺栓使节点仍可以承担一定的弯矩并其抗弯 能力随着材料的强化而继续增加 表悬索效应影响 考虑悬索 机制承载 力 不考虑悬 索机制承 载力 考虑悬索机 制竖向最大 位移 不考虑悬索 机制竖向最 大位移 转动能力分析 美国 规范中给出了三大类节点的抗倒塌转动 能力需求即完全约束节点 刚性部分约束节 点 和柔性部分约束节点 对于后两 者文献针对不同组件的破坏模式又给出了详细的转 动能力需求大致分为螺栓受剪和受拉破坏连接件 角钢型钢等受拉和受弯破坏 由于在 规范中外伸式端板连接被归为 因此本文所采用的平齐式端板连接应介于 和 之间而三个试件的破坏模式均为螺栓 受拉破坏图为三个试件的转动能力与规范需求 对比可以看到节点的转动能力远远超过了规范的需 求同时 规范中还给出了一个 的节点转 动能力要求该要求并未对节点类型进行划分也不需 要考虑楼板贡献较为保守由图可见对于 可 以满足该要求而 则相差较多可见在节点设计 上相对较薄的端板可以有效增大节点的转动能力 图节点转动能力需求 文献中对型钢柱钢梁平齐式端板连接节 点进行连续倒塌工况下的有限元参数分析其计算得 到的节点转动能力约为规范要求的倍目前尚未 在已有研究成果中见到针对本文所采用的节点形式所 提出的相关节点转动能力计算公式基于此在考虑 螺栓直径和端板厚度的基础上提出新的平齐式端 板连接节点转动能力需求计算公式 采用本文三个试件和文献 中的平齐式端 板节点试件对式进行验证由图可以看到式 的计算结果虽然仍与试验和模拟结果有一定差异 但总体较为接近可以体现出螺栓组高度端板厚度和 图节点转动能力计算公式验证 第期徐等钢管混凝土柱钢梁平齐端板连接节点抗倒塌性能试验研究 螺栓直径的影响相比于 规范中所给出的转动需 求更接近节点的真实性能 等效动力分析 文献中提出了一种基于能量平衡的等效动力 分析方法以弥补连续倒塌静力分析的不足简化连续 倒塌分析过程其原理是将一条节点的静力荷载位 移曲线 进行积分根据能量平衡的原理即结构 内能与外部做功相等得到节点的等效动力响应 式中 为等效动力荷载 相应的动力位移 根据式可以得到一条与静力荷载位移曲线一 一对应的动力荷载位移曲线再将两条曲线上相同位 移对应的静力荷载与动力荷载相除即可得到动力放 大系数 根据式可得三个试件的动力放大系数曲线 与 规范所给出的式计算得到的动力放大系数 进行对比 塑性转角 屈服转角 如图所示在抗弯机制承担荷载阶段由等效 动力法得到的三个试件的动力放大系数与 规范公 式所得到的结果吻合非常好当节点中有组件发生失 效时试验结果会发生向下的波动但随着内力重分配 的进行动力放大系数随着位移的增加而增加而当悬 索机制被激活后试验结果与 规范结果差距逐渐 拉大且三个节点均体现出相同的趋势可见美国 规范所给出的计算公式仅在抗弯机制下能够得到 较为合理的结果而并没有将悬索机制考虑在内 值得注意的是在悬索阶段可以看出动力放大系 数是近似于随着位移的增加而增大的甚至接近于增加 至初始的 因此可以偏于保守的将悬索阶段的动力 放大系数取为 而在前期的抗弯阶段为了充分利用 材料塑性可以依据 规范给出的公式进行取值 图动力放大系数对比 结论 本文进行了三个采用穿心螺栓的钢管混凝土柱 钢梁平齐端板连接节点的抗倒塌试验研究分析了节 点的破坏模式和悬索机制的形成与发展对节点的抗 倒塌转动能力进行了评价并对节点进行等效动力分 析主要结论如下 采用穿心螺栓和平齐式端板的钢管混凝土 柱钢梁节点具有较好的抗倒塌能力当部分螺栓失 效时节点其它组件可以有效地进行内力重分配使其 可以继续承担荷载 对于平齐式端板连接节点端板厚度和螺栓 直径的匹配程度会影响抗弯机制和悬索机制的过渡 当连接的抗弯机制较弱时悬索机制也会更早发挥 作用 对于设置中间排螺栓的平齐式端板连接节 点悬索机制虽然会增大其极限承载力但并不会明显 影响其极限位移 提出一种新的节点抗倒塌转动能力需求计算 公式可以较好体现节点细部构造对其转动性能的 影响 规范中给出的动力放大系数计算公式在 抗弯机制下可以有效地体现动力效应但无法考虑悬 索机制的影响 参 考 文 献 霍静思王宁陈英钢框架焊接梁柱节点子结构抗倒塌 性能试 验 研 究 建 筑 结 构 学 报 振 动 与 冲 击年第卷 王开强李国强杨涛春考虑悬链线效应的约束钢梁在 分布荷载作用下的性能理论模型 土木工程 学报 秦希王伟隔板贯通式全螺栓节点抗连续性倒塌性能 数值模拟分析 振动与冲击 史艳莉石晓飞王文达等圆钢管混凝土柱钢梁 内隔板式节点抗连续倒塌机理研究 振动与冲击 何庆锋刘义仁周超等冲击作用下钢筋混凝土框架抗 连续倒塌数值模拟 振动与冲击 李国强李六连陆勇平面钢框架瞬时冲击去柱抗连续 性倒塌 试 验 研 究 振 动 与 冲 击 乔惠云杨应华钟炜辉中柱失效下多层框架的连续性 倒塌分析与机理研究 振动与冲击