波纹钢板组合框架节点抗震性能试验研究_邹昀.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.202100742018 年江苏省科技厅社会发展面上项目(BE2018625),江苏省自然科学基金资助项目(BK20180623),2016 年江苏省建筑产业现代化示范基地项目。第第一一作作者者:邹昀,博士,教授,硕士生导师,主要从事钢-混凝土组合结构研究,Email:zouyun_22 。通通信信作作者者:王城泉,博士,副研究员,主要从事钢-混凝土组合结构、可恢复结构新体系研发及设计理论的研究,Email:wcqdesign 。波纹钢板组合框架节点抗震性能试验研究邹 昀1,缪嘉炜1,王城泉1,时建新1,陈 明2,吴艺超2(1 江南大学环境与土木工程学院,无锡 214122;2 上海欧本钢结构有限公司,上海 200127)摘要:基于波纹钢-钢管混凝土组合柱与 U 形外包波纹钢-混凝土组合梁,以“强节点弱构件”的设计原则提出了一种施工便捷、传力明确的节点连接方式。对中节点试件进行了低周往复加载下的拟静力试验,分析了节点的破坏形态、滞回曲线、耗能能力、延性、梁端塑性铰区以及节点核心区关键部位钢材的应变变化,通过有限元软件对节点进行模拟,并与试验进行对比发现二者吻合较好。研究表明:试件最终破坏的位置为梁端理想塑性铰区,节点核心区域未发生明显破坏,实现了塑性铰的外移;试件滞回曲线饱满,等效黏滞阻尼系数为 0.206,延性系数为 3.67,说明试件具有较好的耗能能力以及延性。节点域钢材各位置应变分布均匀,传力效果良好,节点核心区未屈服,梁下翼缘塑性铰区应变达到屈服应变,节点工作性能良好,能有效传递弯矩以及剪力。关键词:波纹钢-钢管混凝土组合柱;U 形外包波纹钢-混凝土组合梁;节点抗震性能;拟静力试验 中图分类号:TU398 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0136-005引用本文 邹昀,缪嘉炜,王城泉,等.波纹钢板组合框架节点抗震性能试验研究J.建筑结构,2023,53(5):136-140,118.ZOU Yun,MIAO Jiawei,WANG Chengquan,et al.Seismic performance test research on composite frame joint using corrugated steel plates J.Building Structure,2023,53(5):136-140,118.Seismic performance test research on composite frame joint using corrugated steel plates ZOU Yun1,MIAO Jiawei1,WANG Chengquan1,SHI Jianxin1,CHEN Ming2,WU Yichao2(1 School of Environment and Civil Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2 Shanghai Open Steel Structure Co.,Ltd.,Shanghai 200127,China)Abstract:Based on the corrugated steel-tubular composite column infilled with concrete and reinforced concrete beam with U shape corrugated steel webs developed,a connection method with convenient construction and clear force transmission was proposed based on the design principle of strong joints and weak components.A pseudo-static test under low-cycle reciprocating loading of the middle joint specimen was carried out,the failure form,hysteresis curve,energy dissipation capacity,ductility,plastic hinge area of the beam end and the strain change of the key parts of the core area of the joints were analyzed.Numerical simulation for joint was carried out through finite element software,which is consistent with the experimental phenomenon.The research results show that the final failure position of the specimen is the plastic hinge area at the beam end,the core area of the joint has no obvious damage,the plastic hinge is moved outward;the hysteresis curve of the specimen is full,and the equivalent viscous damping coefficient of the specimen is 0.206 and the ductility coefficient is 3.67,which show that the specimen has good energy consumption and ductility.The steel strains in the joint area are evenly distributed in various positions,and the force transmission effect is good.The core area of the joint is not yielded,and the strain of the lower flange of the plastic hinge area of the beam end reaches the yield strain.The joint work performance is good,and the bending moment and shear force can be effectively transmitted.Keywords:corrugated steel-tubular composite column infilled with concrete;reinforced concrete beam with U shape corrugated steel plate;joint seismic performance;pseudo-static test 0引言 组合结构在装配式建筑中有着较好的应用前景。波纹钢板混凝土组合结构是备受关注的组合结构之一,孙煜坤1总结了 U 形外包钢-混凝土组合梁的研究现状,分析表明该类组合梁具有较好的力学性能。Mashiri 等2对高强四角圆钢管混凝土柱进行了研究,结果表明高强钢对混凝土存在非常有效的约束效果,可以很好地提升柱的力学性能。第 53 卷 第 5 期邹 昀,等.波纹钢板组合框架节点抗震性能试验研究对于组合结构框架梁柱节点,赵毅3提出一种新型方钢管-H 型钢梁隔板贯通节点,结果表明节点在屈服后能够产生较强的耗能能力,具有良好的抗震性能。Hwang 等4提出了一种 U 形钢-混凝土梁与钢筋混凝土角钢柱节点,结果表明节点的耗能能力、变形能力均满足 AISC 标准中的要求。外包波纹钢-混凝土组合梁是在两块波纹钢腹板、一块底部钢板和两块顶部钢板焊接形成的 U 形外包钢中浇筑混凝土而成,相较于普通 U 形钢梁,外包波纹钢-混凝土组合梁有效节省了钢材,增强了混凝土与波纹钢板的协同工作,钱慧超5研究了其力学性能,研究表明,与等厚度直钢板相比,组合梁的抗剪能力明显提高。波纹钢-钢管混凝土柱是在四根方钢管与波纹钢板焊接连接的腔体中浇筑混凝土而成,相较于钢管混凝土柱,波纹钢-钢管混凝土柱充分发挥了波纹钢板的约束作用,提高了柱的力学性能。康金鑫6-7对波纹侧板-方钢管混凝土柱进行了试验及有限元分析,研究表明,波纹钢板与方钢管组成的腔体对混凝土有较好的约束,可以有效提高其承载能力。由于波纹钢-钢管混凝土柱与外包波纹钢-混凝土组合梁连接节点相关研究尚未开展,基于此,本文提出了波纹钢板组合框架节点的一种连接方式,并对其进行拟静力试验,以探究其抗震性能。该节点可通过工厂预制使得施工便捷,还可通过高频焊接工艺使得传力明确。目前,该节点形式已应用于国内某冷库工程中,如图 1 所示。图 1 国内某冷库工程应用为达到传力明确、构造形式简单等效果,满足“强节点弱构件”的设计原则,设计了图 2 所示的连接装置,理想塑性铰区为梁端直钢板与波纹板截面变化处,为提高梁柱的整体性,下柱的波纹钢板在靠近节点域时转化为缀板,柱与梁、楼板整体进行混凝土浇筑,使节点域混凝土贯通;节点域范围内梁的波纹腹板转化成直钢板,梁节点域上下翼缘通过拉板进行连接,使得剪力、弯矩在梁端与节点域内可以有效传递。图 2 节点构造图1试验概况1.1 试件概况 为探究波纹钢-钢管混凝土柱与外包波纹钢-混凝土组合梁的中节点的抗震性能,制作了波纹钢-钢管混凝土柱与外包波纹钢-混凝土组合梁中节点试件,试件详细尺寸以及约束方式如图 3 所示。图 3 节点尺寸图1.2 材料性能 试件所用钢材牌号均为 Q345,负弯矩钢筋与楼板内钢筋牌号均为 HRB400,柱钢管内使用 C60类水泥基灌浆料,柱以及梁腔体内为 C40 普通混凝土,根据混凝土物理力学性能试验方法标准731建 筑 结 构2023 年(GB/T 500812019)8和金属材料室温拉伸试验方法(GB/T 2282002)9有关规定,对试件混凝土、钢材及钢筋等材料性能进行检测,材料性能检测结果如表 1、2 所示。表 1 混凝土材料性能混凝土强度等级C40C60立方体抗压强度均值 fcu/MPa38.960.3表 2 钢筋与钢材材料性能材料屈服强度fy/MPa极限强度fst/MPa弹性模量Es/(105MPa)HRB400 钢筋4155822.05Q345 钢材402.29565.372.011.3 加载方案 试验的加载装置如图 4 所示,加载方式根据建筑抗震试验规程(JGJ/T 1012015)采用柱端加载。柱顶施加轴压比为 0.4 的竖向轴力,在施加水平荷载时,通过柱顶球铰保持轴力与加载面垂直且大小不变;水平加载采用荷载和位移双控制加载,试验时以推为正向,拉为负向;位移加载以层间位移角为依据控制,加载方法示意如图 5 所示。图 4 试验加载装置图 5 位移加载方法示意1.4 测量内容 测点布置如图 6 所示,主要测量内容如下:1)柱端水平向拉压荷载以及位移值;2)钢材的应变,选择关键位置布置应变片,主要位置为节点核心区,梁下翼缘钢板,梁端理想塑性铰区,用于判断钢材是否屈服。图 6 测点布置图2试验现象 试件的破坏形态如图 7 所示,破坏过程经历了弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段,破坏位置为梁端理想塑性铰区,实现了塑性铰的外移;节点核心区未发生明显破坏,符合“强节点弱构件”的设计原则。图 7 试件破坏形态加载初期,试件无明显现象;试件加载至层