腹板开洞型抗剪连接件的抗震性能试验研究_王雪飞.pdf

第 卷 第期 年 月广西大学学报（自然科学版）（）收稿日期：；修订日期：基金资助：国家自然科学基金项目（）；江西省地质局科技研究项目（）通讯作者：曾思智（），男，江西吉安人，江西中煤建设集团有限公司高级工程师；：。引文格式：王雪飞，曾思智，黄海，等腹板开洞型抗剪连接件的抗震性能试验研究广西大学学报（自然科学版），（）：腹板开洞型抗剪连接件的抗震性能试验研究王雪飞，曾思智，黄海，胡淑军（赣州建工集团有限公司，江西 赣州 ；江西中煤建设集团有限公司，江西 南昌 ；南昌大学 建筑工程学院，江西 南昌 ；赣州建筑工业化有限公司，江西 赣州 ）摘要：提出一种应用于装配式混凝土梁柱钢支撑组合节点中的腹板开洞型抗剪连接件，以腹板布置方式、腹板面积和加载方式为参数设计个试件，并进行往复加载试验，研究其破坏形态、滞回曲线、骨架曲线和剪力 应变曲线等。结果表明：个试件的破坏形态基本一致，首先各抗剪腹板与混凝土梁侧面出现横向裂缝，并向正面和各抗剪腹板之间扩展，随后混凝土出现部分压溃现象；各滞回曲线趋势基本相同，包括弹性、弹塑性和破坏个阶段。另外，预定荷载下，腹板竖向均匀布置和不等面积布置的位移值分别为 、，满足装配式混凝土梁柱 钢支撑节点中位移不小于的要求。腹板开洞型抗剪连接设计时，宜采用腹板截面两端大、中间小的形式。关键词：腹板开洞型抗剪连接件；抗震性能；滞回曲线；破坏模式；骨架曲线中国分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，）：（），广西大学学报（自然科学版）第 卷 ，：；引言在钢与混凝土之间合理设置抗剪连接件可保证两者协同工作，并将钢构件上的剪力有效传递至混凝土中，使两者形成可靠连接。目前，常用抗剪连接件包括圆柱头焊接钉、槽钢、抗拔不抗剪和开孔钢板连接件等形式，可使钢与混凝土组合楼板之间形成可靠连接。将形偏心钢支撑引入装配式混凝土框架结构中，可有效提高其抗侧刚度和抗震性能等。在往复荷载作用下，混凝土梁柱与钢支撑节点主要受压力 弯矩 剪力或拉力 弯矩 剪力共同作用，且存在开合效应等问题。为此，在装配式混凝土梁端采用铰接连接，形成一种装配式混凝土梁柱 钢支撑组合节点，其特点包括：支撑连接板在梁柱上的剪力由抗剪连接件承担，且滑移值小于；其他内力由对穿螺杆承担，可有效实现弯剪分离，如图所示。然而，上述抗剪连接件存在承载力弱、刚度小和变形大等问题，无法满足该节点受剪性能。图装配式混凝土梁柱 钢支撑组合节点 等 对一字型、十字型和十字带侧板型抗剪连接件的抗剪承载力研究，指出十字带侧板力学性能最优，且具有承载力大、变形小、预定荷载下损伤小等特点；等 在钢梁与剪力墙间的连接处设置预埋铨钉、预埋锚杆、预埋 型钢和预埋槽钢等方式，可在混凝土柱与钢梁之间实现可靠连接；王涛等 提出了种用于钢连梁预埋端板构造方法：纯锚筋、角钢加抗剪板和锚筋加抗剪板，均能满足承载力要求，并验证了弯剪分离设计方法的可靠性；刘阳等 提出一种改进型钢连梁 钢板混凝土组合剪力墙结构，并研究了钢连梁跨高比和加劲肋布置方式对结构抗震性能的影响。尽管以上抗剪连接件具有承载力和刚度大等特点，但在装配式混凝土梁柱中使用时，不利于与对穿螺杆受弯承载共同使用。另外，由于装配式混凝第期王雪飞，等：腹板开洞型抗剪连接件的抗震性能试验研究土梁柱预制时主要采用水平浇筑，抗剪连接件的使用还需考虑混凝土浇筑时的密实度问题。因此，装配式混凝土梁柱 钢支撑组合节点中抗剪连接件需同时具有刚度大、承载力大、变形小、易浇筑等特点。为此，本项目提出一种新型腹板开洞型抗剪连接件，设计并制作个考虑腹板布置形式的腹板开洞型抗剪连接件试验模型，并进行往复荷载作用下的受剪性能研究，得到其滞回曲线和剪力 应变曲线等，为其在相应结构中的分析和应用提供理论基础。试验概况 试件模型及材料性能试件模型。设计个腹板开洞型抗剪件模型，以研究其抗剪性能。各模型的加载钢梁和混凝土梁尺寸相等，且各腹板开洞型抗剪连接件材质为 ，混凝土强度等级均为 ，尺寸如图所示。加载钢梁的尺寸为 ，材质为 ；两侧混凝土梁的截面尺寸为 （长度宽度高度）；箍筋直径为，牌号 ；纵筋直径为，牌号 ；抗剪连接件端板截面尺寸为 （长度宽度高度）。试件、中块腹板竖向设置，尺寸为 ，间距为；中块腹板水平设置，尺寸为 ，间距为；中块腹板竖向设置，两端尺寸为 ，中间块腹板尺寸为，间距为。（）试件、（）试件图腹板开洞型抗剪连接件构造图 试验模型采用了厚度为、的钢板和直径为、的箍筋，强度等级为 的混凝土平均轴心抗压强度标准值为 。不同型号构件的材料性能见表。表材料力学参数 材料厚度 直径屈服强度 抗拉强度 弹性模量 伸长率钢板 箍筋 加载装置及制度加载装置。本次试验在南昌大学结构实验室进行。如图所示，试验装置包括反力架、作动器、垫广西大学学报（自然科学版）第 卷梁、垫板、锚杆、螺栓、固定梁、试件等。作动器最大输出荷载和位移分别为 和 。试验加载前，竖向作动器上端与固定梁连接，以对试件施加竖向往复荷载；混凝土梁下端放置在垫梁上端，混凝土梁上端设置垫板，且在垫板与垫梁上翼缘之间采用锚杆将混凝土梁固定。另外，整个试验装置底部均通过地锚螺栓与地槽固定相连（试验装置中未画出）。（）正面图（）侧面图图加载装置 加载制度。试件、采用力控制的往复加载方式，加载速率为。第级荷载为 ，之后每级荷载增幅为 ，每级荷载循环次；每级荷载结束后停止 后进入下一级荷载。在当级荷载不同循环次数加载时位移差明显增大后，下一级荷载增幅减小至 ，直至试件破坏。试件采用单调位移加载方式。量测方案对试件、的量测内容主要包括荷载、位移和关键截面应变。其中，为防止加载钢梁、固定梁和反力架等变形对试件实际位移产生影响，分别在加载钢梁的上端和下端、位置各设置一个位移计，如图（）所示。对应变的测量，在、的块腹板上距加载钢梁翼缘 处分别设置、和，如图（）所示。各应变计测量的量程为 。（）位移计（）应变测量图位移及应变测点布置 试验现象及破坏形态 试件 在往复加载作用下，的破坏形态如图（）所示。加载初期，在第、级荷载目标值分别第期王雪飞，等：腹板开洞型抗剪连接件的抗震性能试验研究为 、时，混凝土梁未发生任何开裂和变形。第级（）加载中，第次受拉（荷载为负）时，抗剪连接件与混凝土梁侧面第个抗剪腹板（由上至下分别为第、个）处出现号裂缝并向上蔓延；第次受压时，正向距侧面 底部出现一条号竖向裂缝。第级（）加载中，第次受压时，侧面第个抗剪腹板向上发展一条号斜裂缝；第次受拉且荷载值为 时，第个抗剪腹板正面与侧面相交处向上发展一条号斜裂缝；荷载值为 时，正面顶部出现斜裂缝并向下部发展至第抗剪腹板上端；第次受压且荷载值为 时，正向第、个抗剪腹板上分别发展号水平裂缝和号竖向裂缝；第次受拉且荷载为 时，号裂缝上端开始发展号斜裂缝，并向上继续发展号裂缝与号裂缝相交；继续受拉加载时，正向侧面底部分别出现 号竖向短裂缝和 号竖向长裂缝。随后，在号与号裂缝相交处，沿号裂缝方向发展 号竖向裂缝，且在侧面第个抗剪腹板上端发展 号水平裂缝。至此，混凝土出现压溃现象，试件达到极限状态。试件往复加载下，破坏过程和形态如图（）所示。在达到第、级荷载目标值分别为 、时，混凝土梁未发生任何开裂和变形，滑移值分别为 、。第级（）加载中，混凝土未出现开裂现象，但滑移值已达到 ，进入了弹塑性阶段。第级（）加载中，第次受压时，在侧面第、个抗剪腹板上端沿上部分别出现、号斜裂缝；第级（）加载中，第次受压时，侧面号裂缝下方由上至下发别出现、号水平裂缝。继续加开载至第级（），第次受拉且荷载为 时，号裂缝向正向发展出长约 的水平裂缝；荷载为 时，号裂缝经第、个抗剪腹板发展贯穿整个正面的号延长斜裂缝，并到达第个抗剪腹板下方。随后，混凝土被压溃，加载结束。试件往复荷载下，试件 的破坏过程和形态如图（）所示。第、级加载中，混凝土梁上同样未发生任何开裂和变形。第级（）加载中，第次受拉且荷载为 时，侧面第个抗剪腹板中间出现号斜裂缝。第级（）加载中，第次受压且荷载为 时，侧面第个抗剪腹板处向上发展号斜裂缝；继续加载至 ，侧面第二抗剪腹板处出现号水平斜裂缝；第次受拉且荷载为 时，侧面第三抗剪腹板向第一腹板方向发展号斜裂缝，并向正面继续发展；第次受压时，侧面距底部、处分别出现号、号和号水平裂缝，且号裂缝向正面沿第、个抗剪腹板继续发展成斜裂缝；第次受拉时，正向顶部出现号水平裂缝，并在第个抗剪腹板右侧距端部 处出现号斜裂缝。第级（）加载中，第次受压时，沿正面顶部中间向下至第个抗剪腹板处出现 号斜裂缝；第次受拉且荷载为 时，号裂缝中部向右上方发展 号短斜裂缝；第次受拉时，向下发展 号斜裂缝至第二抗剪腹板上方。第级（）加载中，第次受拉且荷载为 时，号裂缝迅速蔓延，且混凝土开始出现明显压溃；第次受压且荷载为 时，正面左侧距底部 处开始向上产生 号斜裂缝，并沿第、个抗剪腹板中部发展。荷载继续增加时，混凝土出现明显破坏，试验结束。试件单向加载下，试件 的破坏过程和形态如图（）所示。当荷载小于 时，混凝土梁未发生任何损伤。荷载达到 时，侧面底部 处向右上方产生号斜裂缝；荷载为 时，在第、个抗剪腹板间产生侧面号斜裂缝，并向正向产生一段 的水平裂缝后，向第、个抗剪腹板方向产生号斜裂缝。随后，荷载为 时，侧面第个抗剪腹板上方出现号斜裂缝，且号裂缝向正面发展长度约为 的号水平短裂缝。荷载为 时，侧面第个抗剪腹板上方出现号斜裂缝；荷载为 时，侧面底部产生号斜裂缝。当荷载达到 时，抗剪连接件滑移急速增大且荷载下降，随后试件破坏并停止加载。广西大学学报（自然科学版）第 卷（）试件（）试件（）试件（）试件图不同试件破坏图 以上分析表明，个腹板开洞型抗剪连接件的破坏形态基本一致，主要表现为：各抗剪腹板与混凝土梁侧面连接处首先出现横向裂缝，并向正面发展；随着荷载增大，裂缝在各抗剪腹板之间产生并扩展。加载后期，各试件滑移值增大明显，抗剪连接件附近的裂缝增多，且混凝土在垫板和垫梁间受压并出现部分压溃现象，最终达到极限承载力。试件和产生的裂缝数较多，而试件在达到极限荷载时裂缝数较少。另外，往复加载与单向加载的裂缝数量和极限承载力有较大差异。试验结果与分析 滞回曲线在往复荷载作用下，试件，的剪力 位移曲线如图所示，可以看出，试件、的曲线总体趋于对称。个试件的剪力 滑移曲线走势基本相同，大致可分为个阶段：初始弹性阶段。试件均未产生裂缝，混凝土和抗剪连接件均处于弹性，剪力与位移成正比。弹塑性阶段。剪力加载约至极限荷载 时，试件裂缝逐渐增多，曲线斜率开始减小。破坏阶段。加载后期，各试件均出现较多裂缝，位移随荷载的增大而急剧增大，直至试件破坏。各试件在不同加载步下的力和位移值见表。对比试件和可知，将抗剪腹板由竖向转至水平布置，最大荷载由 小幅增大至 ，但极限位移由 增大至 。对比试件和可知，改变竖向抗剪腹板厚度，最大荷载由 增加至 ，极限位移由 增大至 ，且试件在拉压作用下的承载力和延性也变化较小。当试件的预定荷载为 时，试件、和 的位移分别为 、，试件 和能满足预期荷载下位移小于 的要求，并适用于该种装配式混凝土梁柱 钢支撑组合节点第期王雪飞，等：腹板开洞型抗剪连接件的抗震性能试验研究中。另外，对比试件 和 可知，加载方式由往复加载改为单向加载，最大荷载由 小幅增大至 ，极限位移由 增大至 ，这主要是混凝土未受往复荷载的累积损伤。（）试件（）试件（）试件（）试件图不同试件的剪力 位移曲线图 表不同加载步下试件的荷载和位移 加载步 荷载 位移试件试件试件加载步 荷载 位移试件试件试件 （）（）（）（）（）（）（）（）（）注：荷载中 （）表示为荷载为 的第次循环加载，下同。骨架曲线试件，的骨架曲线如图所示。试件 和 的初始刚度分别为 、，即改变抗剪腹板方向对其初始刚度无明显影响；试件进入弹塑性后，试件 的刚度明显减小，并导致极限荷载下位移值增大。试件 的初始刚度为 ，较试件广西大学学报（自然科学版）第 卷的初始刚度提高 ，原因可能是两端抗剪腹板的承载最大，增大该处截面可有效提高其初始刚度，且个构件在进入弹塑性和塑性阶段后极限位移值基本相同。试件 的初始刚度为