屈曲约束支撑混凝土锚固节点力学性能试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 3 期 2012 年 3 月 Vol. 33No. 3Mar． 2012 012 文章编号 1000-6869 2012 03-0089-07 屈曲约束支撑混凝土锚固节点力学性能试验研究 李国强 1，郭小康2，孙飞飞1，刘玉姝1，陈 琛 2 1． 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092; 2． 同济大学 土木工程学院，上海 200092 摘要 提出了一种用于混凝土框架结构中屈曲约束支撑连接锚固节点构造形式。通过 8 个对比试验， 分别考察该节点在 拉、 剪、 拉剪复合受力状态下的单调受力性能与滞回性能， 分析了各种受力状态下节点的受力特点与破坏模式。试验结果 表明， 在各种受力状态下， 节点屈服前位移均较小， 对屈曲约束支撑耗能效率影响并不显著。通过试验结果与规范计算结 果的对比发现， 现行 GB 500102010 混凝土结构设计规范 对单一受力状态下锚固节点承载力的计算比较准确， 但对拉剪 复合受力状态偏于保守; 而采用 JGJ 1452004 混凝土后锚固技术规程 中的锚栓破坏相关方程能较为准确地估算拉剪复 合受力状态下锚固节点承载力。另外， 由于该锚固节点具有下锚固板， 锚筋不会被整体拔出破坏， 可取消现行规范中锚筋 屈服强度取值小于300 MPa 的限制。同时， 在构造上应限制锚固板的弯曲变形， 确保锚固钢筋共同受力， 以使节点承载力在 较小的位移下得以充分发挥。 关键词 屈曲约束支撑;混凝土锚固节点;静力试验;静力性能;滞回性能 中图分类号 TU375. 4TU317. 1文献标志码 A Experimental study of anchorage connection for buckling restrained braces LI Guoqiang1，GUO Xiaokang2，SUN Feifei1，LIU Yushu1，CHEN Chen2 1． State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2． College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China AbstractA type of anchorage connection was proposed to connect buckling restrained braces in reinforced concrete frames． 8 comparative tests were conducted on the anchorage connections to study the static and hysteretic behaviors under tension，shear and combination of tension and shear，respectively． The mechanical characteristics and failure modes of the anchorage connection were discussed according to the test results．It was shown that the yield displacement of the anchorage connection under different load conditions is so small that the effectiveness of energy dissipation ability of the buckling restrained braces can be guaranteed in earthquakes，when the anchorage connection is in elastic state． It was found that the code design of GB 500102010 can predict capacity of the connection under mere tension or shear well，but will underestimate the capacity under combination of tension and shear． However，better agreement can be achieved by using the correlation equation for anchor failure in the JGJ 1452004 ‘Technical specification for post- installed fastenings in concrete structures’ ． Moreover，the anchor bars will not be pull out for the effect of lower anchor plate，so the restriction that design strength of anchor bar is lower than 300 MPa in the current code can be eliminated． On the other hand，it is better to take measure to restrict the bending deation of the anchor plate to make sure capacity of the anchorage connection is activated with small displacement． Keywordsbuckling restrained brace;anchorage connection;static test;static behavior;hysteretic behavior 基金项目 国家自然科学基金项目 51108340 ， 国家科技支撑计划项目 2006BAJ01B02 。 作者简介 李国强 1963 ， 男， 湖南株洲人， 工学博士， 教授。E- mail gqli tongji. edu. cn 收稿日期 2010 年 12 月 98 0引言 屈曲约束支撑作为一种新型抗震耗能构件， 在 日本、 美国等国家和我国台湾地区应用已较为普 遍 ［1- 2 ］。其在弹性范围内作用与普通支撑相同， 可为 结构提供较大的抗侧刚度; 进入塑性后， 可通过支撑 轴向拉压屈服耗散地震输入能量， 不但可以保护结 构主体在大震作用下不受或少受损伤， 同时也增大 了结构阻尼， 可有效减小结构位移。但屈曲约束支 撑在上述地区多用于钢结构， 在混凝土结构中应用 较少， 其中， 屈曲约束支撑与混凝土框架的连接较复 杂是原因之一， 通常需在混凝土梁、 柱内预埋型钢。 在我国， 混凝土结构仍然占主导地位， 但其抗震 性能较钢结构差， 震后修复困难。GB 500112010 建筑抗震设计规范 ［3 ］为改善混凝土框架结构的抗 震性能， 增加了混凝土框架- 钢支撑结构体系的内容。 如将屈曲约束支撑用于混凝土框架则能极大地提高 其抗震性能， 而屈曲约束支撑混凝土锚固节点的设 计与构造是其应用于混凝土框架结构中的关键。 锚固型钢节点为混凝土结构与钢构件常用的连 接方式， 其施工简便、 造价低廉， 但目前多用于连接 非结构构件或非抗震构件， 且无节点滑移限制的相 关要求。若将锚固节点用于连接屈曲约束支撑， 仍 需通过试验考察其受力特点及抗震性能， 而目前的 相关研究还较少 ［4 ］。为此， 本文提出了一种屈曲约 束支撑混凝土锚固节点的构造形式， 并设计了 8 个 对比试件， 分别考察其在拉、 剪以及拉剪复合受力状 态下的单调受力性能与滞回性能。通过试验了解其 受力特点及破坏模式， 考察现行设计规范的适用性， 提出合理的构造措施， 为工程实际应用提供参考。 1节点构造 该锚固节点共包括 4 个部分， 即上下锚固板、 直 立锚筋、 节点板与节点板加劲肋、 箍筋， 其具体构造 形式如图1 所示。结合混凝土浇筑支模要求， 两块锚 固板分别与梁、 柱表面平齐; 锚固钢筋长度同梁、 柱 截面高度， 并通过塞焊与锚固板相连; 节点板与锚固 板焊接连接， 在节点板上缘与侧面焊接加劲肋， 防止 可能由节点板面外刚度不足而造成的支撑整体屈曲 失稳。支撑可通过螺栓、 焊接与销轴等方式与节点连 接。施工时， 可先将锚固节点钢筋骨架与节点板加工 成一整体， 定位于混凝土浇筑模板内， 待混凝土梁、 柱 内钢筋绑扎完毕， 进行混凝土浇筑， 养护完成后即可 安装支撑。该锚固节点为整体装配式， 且易实现准 确定位， 较预埋型钢方式更为经济， 施工更加便捷。 a梁上节点 b梁柱节点 图 1锚固节点构造形式 Fig． 1Details of anchorage connection 2试验概况 2. 1试验目的 为考察该锚固节点在不同受力状态下的单调受 力性能和滞回性能， 观察各受力状态下节点的受力 特点与破坏模式， 考察锚固钢筋锚固长度满足规范 要求时， 下锚固板对节点受剪性能的影响， 验证现行 规范 GB 500102010［5 ］锚固节点承载力计算公式是 否适用于屈曲约束支撑锚固节点的设计， 共设计 8 个试件进行对比试验， 各试件的试验目的见表 1。 表 1各试件试验目的 Table 1Test objective of each specimen 试件 编号 试验目的 S- 1考察节点单调抗拔性能及破坏机理 S- 2考察节点往复拉压性能及破坏机理 S- 3考察节点单调受剪性能及破坏机理 S-4考察节点往复受剪性能及破坏机理 S- 5考察节点拉剪复合受力状态下单调受力性能及破坏机理 S- 6考察节点拉剪复合受力状态下往复受力性能及破坏机理 S- 7 S- 8 考察锚固长度满足规范［5 ］要求时， 下锚固板对节点受剪 性能的影响 09 2. 2试件设计 试验装置为同济大学多功能试验机， 其可在垂 直方向提供 10 000 kN 压力与 3 000 kN 拉力， 标高 0. 65 ～1. 25 m 范围内提供水平推力 1 500 kN 与水平 拉力 1 000 kN。考虑到试验条件， 节点的水平受剪极 限荷载控制在 1 000 kN 以下， 又因是对比试验， 设计 受拉与拉剪复合受力状态下的试件时， 节点锚筋布 置方式与锚固节点受剪试件相同。 8 个试件的锚筋与混凝土承载梁内主筋均采用 二级螺纹钢 HRB335， 每个节点采用的 9 根锚筋直径 为 16 mm。节点板、 节点板加劲肋与上下锚固板采用 Q345 钢， 其中节点板与节点板加劲肋厚度为 20 mm， 锚固板厚度为 10 mm， 混凝土强度等级为 C40。8 个 锚固节点的宽度均为 400 mm， 试件 S- 1 ～ S- 6 的锚固 钢筋长度同节点高度， 为 500 mm; 为考察锚固长度满 足规范 ［5 ］要求时下锚固板的作用， 试件 S- 7 与 S- 8 的 锚固长度设计为 800 mm， 并且试件 S- 8 不设下锚固 板。锚筋布置位置与试件主要尺寸见图 2。 2. 3材性试验 对试件材料进行了材性试验。钢板与钢筋材性 试验为单向拉伸全程试验， 钢板与钢筋各取 4 个试 件， 材性试验结果均值见表 2; 混凝土试块为边长 150 mm的标准立方体， 6 个试件的立方体抗压强度均 值为 38. 5 Nmm －2。由材性试验结果可见， 锚筋屈 服强度均略低于标准值， 锚固板屈服强度略高于标 准值， 混凝土抗压强度略高于标准值， 但均处于正常 范围内。 表 2材性试验结果 Table 2Measured material properties 材料试件规格 屈服强度/ Nmm －2 极限强度/ Nmm －2 锚固板厚度 9. 24 mm350. 2501. 4 锚筋直径 15. 86 mm330. 9500. 2 2. 4加载制度 1 对试件 S- 1、 S- 3 与 S- 5， 采用位移控制单调加 载， 加载速率为 0. 3 mm/min， 直至试件破坏。 2 对试件 S- 2， 考虑到节点受压承载力要明显 高于受拉承载力， 采用力控制加载。取 700 kN 作为 第 1 级荷载， 随后每级荷载增加 100 kN， 每级荷载步 包括 3 个荷载循环， 加载至试件破坏。 3 对于试件 S-4， 采用力与位移控制加载。取 4 mm为第 1 级加载的位移幅值， 取 600 kN 作为力的 幅值进行后续加载， 第 1 级加载包括 4 个荷载循环， 后续力控制加载循环至试件破坏。 4 对于试件 S- 6、 S- 7、 S- 8， 采用力与位移控制加 载。在试件弹性阶段， 采用力控制加载， 分别取由单 调加载试验所得试件屈服荷载的 25、 50、 75 作 为控制荷载， 后续位移控制加载则以试件屈服位移 的倍数作为各级加载的位移幅值， 每级加载包括 3 个荷载循环。 2. 5测点布置 由于加载高度所限， 需将锚固节点垫高， 采用 2 根锚栓将混凝土承载梁固定于高强反力地板上。试 件的垂直、 水平、 斜向加载试验布置方案见图 3。图3 中 D1 ～ D9 为拉线式位移计布置情况， 试验应变片的 布置情况见图 2a。 3试验结果与分析 3. 1试验现象描述 3. 1. 1竖向加载试验 竖向加载中， 试件 S- 1 与 S- 2 在加载初期受拉 时， 节点位移很小， 荷载迅速增加。由于锚固板厚仅 为 10 mm， 其面外抗弯刚度较小， 而节点板与节点板 加劲肋的面内刚度很大， 造成节点受拉时， 与锚固板 相焊接的 9 根锚筋受力不均， 锚固板的弯曲变形使 角部的4 根锚筋受力较小。随竖向位移的增大， 锚固 板中部与混凝土首先开始分离， 上锚固板有较大的 弯曲变形， 如图4a 所示。试件 S- 1 与 S- 2 在拉力作用 下锚筋的破坏模式有 3 种 ①锚筋上部颈缩断裂 图 4b ; ②锚筋上部脆性断裂 图 4c ; ③锚固板在 锚筋塞焊处撕裂 图 4d 。 3. 1. 2水平加载试验 单调剪切试验中试件 S- 3 与往复剪切试验中试 件 S-4、 S- 7 与 S- 8 的试验现象类似， 发生锚筋前部混 凝土压碎与锚筋的弯曲变形 图 5a 以及节点的轻微 转动 图 5b 。由于该锚固节点的抗剪刚度、 承载力 由锚筋前端混凝土受压与锚筋受剪共同提供， 在混 凝土被压碎前， 节点剪切位移较小， 性能无明显退 化; 在锚筋前端混凝土被锚筋压碎后， 节点的受剪承 载力与刚度主要靠锚固钢筋提供， 此时锚筋上部发 生了弯曲变形， 其受力状态发生了改变 由受剪变为 受拉剪 ， 同时节点剪切滞回性能退化， 刚度、 承载力 随荷载循环次数的增加不断降低。试件的最终破坏 状态为锚筋的连续断裂， 有明显的脆性破坏特征。 但由于焊接缺陷的随机性， 锚固钢筋的断裂位置并 不相同， 试件 S- 7 与 S- 8 锚筋断裂位置分别如图5c 与 图 5d 所示。 3. 1. 3斜向加载试验 斜向单调加载试验试件 S- 5 与往复加载试验试 件 S- 6 的试验现象类似， 节点屈服前其性能无明显退 化， 随位移增大， 上锚固板与混凝土发生整体分离 图 6a ， 锚固板未出现弯曲现象。但斜向加载试验 19 图 2试件主要设计参数 Fig． 2Design parameters of specimens 29 图 3试验布置方案 Fig． 3Test setup for specimens 图 4竖向加载试验现象 Fig． 4Phenomenon of vertical tests 图 5水平加载试验现象 Fig． 5Phenomenon of horizontal tests 节点延性较差， 2 个试件的破坏均为 9 根锚筋同时断 裂， 锚固节点被整体拔出 图 6b 。 3. 2主要试验结果及分析 试验得出的 8 个试件的荷载- 位移曲线见图 7， 图 6斜向加载试验现象 Fig． 6Phenomenon of oblique tests 其中横坐标为节点位移， 纵坐标为节点所受荷载。 根据单调加载试验曲线得到的各受力状态下的节点 屈服位移、 屈服荷载、 极限位移、 极限荷载以及初始 刚度等特征参数见表 3。 观察试验曲线， 可得如下主要结论 1 由试件 S- 1， S- 3 与 S- 5 的单调加载荷载- 位移 曲线对比可见， 相同情况下， 节点的受拉承载力、 抗 拉初始刚度最大， 延性最好; 屈服前， 节点位移均较 小， 其中节点受拉时屈服位移最小。 2 由试件 S- 2 的拉压循环加载荷载- 位移曲线 可见， 该节点的受压性能要优于受拉性能， 节点受压 时基本无刚度与强度退化。节点域混凝土在节点受 压时参与工作， 传递了部分压力。 3 由试件 S-4， S- 7 与 S- 8 的往复剪切试验滞回 曲线可见， 节点屈服前性能稳定， 刚度、 承载力无明 显退化现象， 节点位移较小; 节点屈服后， 节点刚度、 承载力降低较大， 性能退化， 捏拢现象严重。 4 对比试件 S- 7 与 S- 8 的滞回曲线可见， 当锚 筋的锚固长度大于规范 GB 500102010［5 ］要求时 对于本对比试验为 533 mm ， 下锚固板对节点的剪 切性能无明显影响。 5 由试件 S- 6 的试验滞回曲线可见， 节点在斜 向往复荷载作用下， 工作性能存在较大差异， 节点压 剪复合受力状态的工作性能要优于拉剪复合受力状 态， 这同样与混凝土参与受压有关， 其滞回曲线呈不 对称的捏拢现象。 39 图 7各试件的荷载- 位移曲线 Fig． 7Load- displacement curves of specimens 6 由试件 S- 2、 S-4、 S- 6、 S- 7 与 S- 8 的循环加载 试验滞回曲线可见， 虽然拉压滞回曲线较剪切滞回 曲线更饱满， 但各种受力状态下， 节点滞回次数较 少， 刚度与承载力退化严重， 低周疲劳性能并不理 想。由于焊接缺陷的存在， 该锚固节点易发生锚筋 疲劳断裂破坏。 表 3单调加载试验主要结果 Table 3Main results from monotonic tests of specimens 试件 编号 屈服荷载/ kN 屈服位移/ mm 极限荷载/ kN 极限位移/ mm 初始刚度/ kNmm －1 延性 系数 强屈比 S- 1445. 50. 84838. 227. 57530. 4 10233. 021. 88 S- 3411. 31. 12600. 65. 34367. 2 1024. 791. 46 S- 5475. 31. 51706. 16. 93314. 8 1024. 591. 49 4试验结果与规范计算结果比较 我国 GB 500102010混凝土结构设计规范 ［5 ］ 与 GB 500112010建筑抗震设计规范 ［3 ］均给出了 锚筋预埋件承载力的计算方法， 现将公式计算值与 上述试验结果进行对比。 4. 1受拉承载力 规范 GB 500102010［5 ］给出的锚固受拉承载力 计算公式为 N 0. 8αbAsfy 1 式中 0. 8 为考虑受拉状态重要性的调整系数; αb为 锚固板弯曲变形的影响系数，αb 0. 6 0. 25t/d， t 为锚固板厚度， d 为钢筋直径; fy为锚固钢筋屈服强 度设计值， 且 fy≤300 MPa; As为锚筋总的截面面积。 为了与试验结果对比， 不考虑式 1 中的重要性调整 系数 0. 8， 且 fy采用实测值。这是由于规 范 f y≤300 MPa 的限制是为了确保锚固长 度足够， 而本节点有下锚固板的构造形式 使得锚筋整体拔出的破坏情况不会发生， 即不必考虑锚固长度的限制， 可得 N αbfyAs 0. 76 1 809 330. 9 452. 6 kN 2 49 该值与单调受拉试件 S- 1 的屈服强度实测值 445. 5 kN较为接近， 误差仅为 2。 4. 2受剪承载力 规范 GB 500102010［4 ］给出的锚固受剪承载力 计算公式为 V αrαvAsfy 3 式中 αr为群锚共同受力调整系数， 3 层时取 0. 9; αv 为半经验半理论的受剪承载力调整系数，αv 4. 0 － 0. 08dfc/f 槡 y， 且 αv≤0. 7， fc为混凝土抗压 强度， αv反映了钢筋直径、 混凝土强度与受剪承载力 的关系。采用材料强度实测值， 用式 3 计算的节点 受剪承载力为 V 0. 9 0. 7 1 809 330. 9 377. 1 kN 4 该值低于试件 S- 3 的屈服强度实测值 411. 3 kN 约 8. 3。 4. 3拉剪复合承载力 对拉剪复合状态， 规范 GB 500112010［3 ］采用 线性相关方程对锚固节点进行抗震承载力验算 N ≤ 0. 8fyAs γRE cos θ 0. 8αbΨ sin θ αrα v 5 根据试件 S- 5， 支撑与梁的夹角 θ π/4 ; 偏心影 响系数 Ψ 1. 0 ; 取抗震调整系数 γRE 1. 0。 采用材 料强度实测值， 计算节点的屈服承载力为 291. 0 kN; 若根据规范锚筋强度设计值 fy≤300 MPa 的限制， 计 算的承载力设计值仅为263. 8 kN， 与实测值475. 3 kN 相差过大， 显然过于保守。 参考我国 JGJ 1452004混凝土后锚固技术规 程 ［6 ］及欧洲标准 ETAG- 001［7 ］， 考虑到该节点不会 发生混凝土剪撬破坏， 其破坏模式类似于锚栓破坏， 对应的相关方程为 N N d 2 V V d 2 ≤ 1 6 式中 N 为节点所受拉力; Nd为节点受拉承载力; V 为节点所受剪力;Vd为节点受剪承载力。采用式 6 计算拉剪复合状态下的节点屈服荷载。根据试 件 S- 1 与 S- 3 的屈服荷载实测值， 可求得试件 S- 5 的 屈服承载力为 428. 8 kN， 其比实测值 475. 3 kN 小约 9. 3。 5结论 1 在各种受力状态下， 该锚固节点的屈服位移 均较小， 若使节点保持在弹性状态， 则对屈曲约束支 撑耗能效率影响不大， 可不计节点位移的影响。 2 现行规范 GB 500102010［5 ］公式计算锚固 节点受拉与受剪承载力较为准确， 但计算拉剪复合 承载力偏于保守， 而采用 JGJ 1452004混凝土结构 后锚固技术规程 ［6 ］的锚栓破坏相关方程计算结果 较为准确。 3 相同条件下， 该锚固节点的受拉承载力、 初 始刚度与延性最好， 而受剪与拉剪复合受力状态下 节点延性较差， 锚筋易发生疲劳断裂破坏。 4 该锚固节点若采用下锚固板， 锚固钢筋不会 被整体拔出， 则不必考虑锚筋屈服强度取值 fy≤300 MPa 的限制。 5 构造上， 应限制上锚固板的弯曲变形， 使锚 固钢筋共同受力， 以使锚固节点承载力在较小位移 下充分发挥。 参考文献 ［ 1］ Uang C M，Nakashima M，Tsai K C． Research and applications of buckling- restrained braced frames［J］ ． Journal of Steel Structures， 2004， 82 4 301- 313． ［ 2］ Xie Q． State of the art of buckling- restrained braces in Asia［J］ ．Journal of Constructional Steel Research， 2005， 61 6 727- 748． ［ 3］ GB 500112010建筑抗震设计规范［ S］ ． 北京 中 国建筑工业出版社，2010． GB 500112001Code for seismic design of buildings［S］ ．BeijingChina Architecture ＆ Building Press， 2010． in Chinese ［ 4］ 顾炉忠， 高向宇， 徐建伟， 等． 防屈曲支撑混凝土框架 结构抗震性能试验研究［ J］ ． 建筑结构学报， 2011， 32 7 101- 111． GU Luzhong，GAO Xiangyu，XU Jianwei， etal．Experimentalresearchonseismic perance of BRB concrete frames［J］ ． Journal of Building Structures，2011，32 7 101- 111． in Chinese ［ 5］ GB 500102010混凝土结构设计规范［ S］ ． 北京 中国建筑工业出版社，2010． GB 500102010 Code for design of concrete structures［S］ ． Beijing China Architecture＆BuildingPress， 2010． in Chinese ［ 6］ JGJ 1452004混凝土结构后锚固技术规程［S］ ． 北京 中国建筑工业出版社，2004． JGJ 1452004 Technical specification for post- installed fastenings in concrete structures［ S］ ． BeijingChina Architecture ＆ Building Press， 2004． in Chinese ［ 7］ ETAG- 001Guideline for European technical approval of metal anchors for use in concrete［S］ ．Brussels， Belgium EuropeanOrganizationforTechnical Approvals， 1997 26- 27． 59