三维框架部分外包混凝土柱Word文件下载.docx
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Inordertobemoreclosetotheactualsituationofengineeringstructure,theresearchontheseismicbehaviorofsemi-rigidconnectionofPECcolumnandprofilesteelbeamblotedbyanglewasconductedinthree-dimensionalframe.Ascalethree-dimensionalframewasestablished.Underthehorizontalcyclicloadingandconstantverticalload,thestrainanddisplacementdataofthebeam-end,connectinganglesandpanelzonewerecollectedandprocessed.Thejointfailuremode,hystereticbehavior,strainofangle,strainofpanelzone,jointrotationandinitialrotationalstiffnesswereanalyzed.Thetestresultsshowedthatthesemi-rigidjointsofconnectinganglehadbetterrotationabilityandweresimilartohingedjoints.Thejointshadgoodductility,hysteresisperformance,andgoodseismicbehavior.Duetotheslipsofboltsandangles,thehysteresiscurvesofthejointshadacertaindegreeofpinchphenomenon,buttheoverallcurveswerefull.
KEYWORDS：
threedimensional;
angle;
semi-rigidjoint;
seismicbehavior;
PECcolumn
PEC柱-型钢梁组成的框架是一种新型组合结构，节点处通过角钢将PEC柱与型钢梁用高强螺栓连接，传力路径明确，构造简洁[1]。
目前，关于PEC柱-型钢梁角钢连接半刚性节点的研究主要集中在单纯的梁柱节点组合体和平面框架内[2-4]，试验与实际工程结构相差较大，研究的仿真性较差。
针对目前研究的不足，通过一定的优化设计，开展了三维框架部分外包混凝土柱-型钢梁角钢连接的半刚性节点拟静力试验研究。
1试验概况
1.1试件设计
图1试件实体
图2节点强轴连接
以某办公楼为原型，按照1∶3制作缩尺试件。
横向跨度为1.2,1.5m，纵向跨度为1.2m，柱底到梁中心线距离为1.5m（后考虑水平千斤顶在剪力墙上固定的问题，调整为1.47m）。
试件实体见图1。
梁、柱采用Q235B级焊接H型钢。
PEC柱型钢翼缘之间焊接φ8@100（50）的HPB300级钢筋，混凝土强度等级C35。
梁柱节点强轴方向的连接角钢断面均为200mm×
125mm×
18mm，弱轴方向的连接角钢断面均为160mm×
100mm×
16mm。
角钢与梁、柱的连接螺栓为10.9级M20摩擦型高强螺栓，孔径22mm。
螺栓布置见图2。
顶部组合板厚120mm，采用型号为YX35-125-750的压型钢板，混凝土强度等级为C35，使用螺栓将其与梁翼缘板连接。
基础截面宽600mm、高500mm、长度为3.6m，基础之间用型钢连接。
1.2加载装置及加载制度
参考JGJ101—96《建筑抗震试验方法规程》[5]制定试验的加载方案。
先缓慢施加竖向荷载,使荷载维持在350kN。
之后以荷载、位移双控制的方式施加水平循环荷载。
水平荷载的施加：
前期采用荷载控制，增幅为20kN/级，每级循环1次；
加载至100kN之后采用位移控制，增幅为1mm/级，每级循环1次；
试件进入屈服阶段后，增幅为0.25Δy（Δy为试件的屈服位移），每级循环3次。
1—水平千斤顶；
2—竖向千斤顶；
3—反力墙；
4—地脚螺栓；
5—水平限位架。
图3试验加载装置
2试验现象
试验现象可总结为以下3个阶段：
1）第1阶段，荷载控制加载阶段的前期，试件尚未屈服，连接角钢无变形，PEC柱混凝土表面出现细微裂纹；
2）第2阶段，位移控制加载阶段中期，试件屈服，PEC柱混凝土表面裂纹不断发展，连接角钢在往复荷载下不断张开闭合，螺栓出现滑移，节点刚度开始下降，梁端翼缘发生屈曲，横向系杆屈曲甚至从焊接处被拉断；
3）第3阶段，位移控制加载阶段后期，试件发生塑性变形，梁端翼缘明显屈曲，连接角钢变形严重，节点域柱翼缘发生鼓曲，PEC柱发生弯曲破坏，组合楼板角部发生崩溃，最后连接角钢断裂，试验结束。
图4为试件破坏形态的典型照片。
a—梁端部翼缘屈曲；
b—柱翼缘鼓曲；
c—节点域变形；
d—角钢断裂。
图4试件破坏形态
由图4可以看出:
在整个加载过程中，连接角钢变形严重，甚至被拉断，梁翼缘屈曲明显，形成塑性铰，可见连接角钢和梁耗能作用明显。
3试验结果及分析
3.1滞回曲线
试件共有6个节点，包括4个边节点（A-1、A-3、B-1、B-3）及2个中间节点（A-2、B-2），分别设置了位移计，得到相应节点的滞回曲线，如图5所示,从中可以看出：
靠近加载端的节点（A-1、B-1）的滞回曲线均比较饱满，表现出优越的抗震性能和耗能性能；
中柱节点（A-2、B-2）施加了竖向荷载，附加内力随着水平位移的增加而增加，在每个循环周期内，卸载时反向的塑性变形较小，位移出现单向偏移，存在明显的残余变形，形成不对称的滞回环。
当梁端进入屈服阶段后，连接角钢产生塑性变形，表现出半刚性节点框架典型的非线性特征。
其主要原因是：
连接角钢与梁柱接触面之间产生滑移，高强螺栓在螺栓孔中产生滑移，PEC柱翼缘与混凝土之间出现裂缝，构件局部屈曲。
平衡位置附近出现捏缩现象，在循环荷载作用下，节点域混凝土开裂，高强螺栓预拉力损失及角钢滑移使节点产生相对较大的位移。
a—A-1；
b—A-2；
c—A-3；
d—B-1；
e—B-2；
f—B-3。
图5节点滞回曲线
3.2连接角钢应变分析
为测量连接角钢的应变，每个连接角钢上均布置了5个应变片，如图6所示。
a—正视；
b—侧视；
c—俯视。
注：
1～5为应变片编号。
图6连接角钢测点位置
框架整体屈服时，连接角钢强轴各测点的应变如图7所示，从中可以发现：
顶角钢的应变大多数情况下更大。
连接角钢的最大应变全部出现在3号测点，即角钢水平肢靠近圆角处，最大应变均超过角钢屈服应变，角钢圆角处最先达到屈服。
在节点变形过程中，梁端上、下翼缘对连接角钢产生撬力，使连接角钢水平肢产生较大的塑性变形。
试件的最终破坏也是由连接角钢的断裂引起的，角钢断裂的情况如图4d所示，可见连接角钢是此类连接的薄弱环节。
3.3节点域应变分析
为分析节点域的剪应力及剪切应变，在试件节点域柱腹板上布置了不同角度的应变片，应变片的位置如图8所示。
因两个中间节点受力性质相同，仅取其中一个为例进行分析。
图9为节点域柱腹板荷载-应变曲线。
从图9a、图9b可知：
柱腹板与翼缘对应处的应变很大，随着荷载的增大，节点域柱腹板的应变增大。
节点受推时，节点域部分包裹的混凝土承受了大部分荷载，柱腹板承担的荷载较小；
节点受拉时，节点域部分包裹的混凝土的黏结力在反复荷载作用下逐渐减小，混凝土承担的力减小，柱翼缘和腹板承担的力增大，所以节点受推的柱腹板应变小于受拉的应变。
由材性试验可知：
柱腹板的屈服应变为1938×
10-6，柱腹板应变均小于屈服应变，节点域混凝土承担了大部分的荷载。
图9c反映了中柱腹板纵向应变的变化情况。
由于中柱施加了竖向荷载，因而有明显的纵向应变。
水平往复荷载对纵向应变的影响很小，随着水平荷载的增加，纵向应变增长速率很小。
最大纵向应变为598×
10-6,仅为柱腹板屈服应变的30.9%。
图9d为节点域柱腹板主应力方向的荷载-位移曲线，荷载沿节点域45°
方向传递，最大为1292kN，达到柱腹板屈服应变的66.7%。
a—A-1;
b—A-2;
c—A-3;
d—B-1;
e—B-2;
图7连接角钢应变
图8节点域应变片布置
3.4节点初始转动刚度分析
ENV1993-1-8[7]规定：
半刚性框架的初始转动刚度K0应满足0.5i≤K0≤25i。
表1为节点的初始转动刚度。
各个节点的初始转动刚度均符合半刚性节点的要求。
由于加载端与水平千斤顶的连接，增加了节点刚度，故加载端的初始转动刚度均有所提升，大于非加载端。
可知：
PEC柱-型钢梁角钢连接框架具有较高的承载力及较大的初始转动刚度，但节点的非线性特征变得更加复杂。
a—梁上翼缘处柱腹板应变；
b—梁下翼缘处柱腹板应变;
c—节点域柱腹板纵向应变；
d—节点域柱腹板主应力方向应变。
图9节点域柱腹板荷载-应变曲线
表1节点初始转动刚度
节点K0/（103kN·
m·
rad-1）0.5i/（103kN·
m）25i/（103kN·
m）加载侧节点18.580.5829.00中节点17.430.6733.00非加载侧边节点16.030.7537.50
3.5节点转角分析
试件中共设置了8个百分表（图10），用来监测试件强轴方向的节点转角。
框架屈服荷载、极限荷载及破坏荷载时，各个节点的转角如表2所示，从中可以看出：
各节点在极限荷载下的转角平均值为0.49rad，在破坏荷载下的转角平均值为0.074rad。
AISC-97[6]指出，抗弯节点的非弹性转动能力大于0.03rad时为延性较好的节点。
可见：
PEC柱-型钢梁连接角钢形式的节点为延性较好的节点。
需要指出：
百分表2、5所测量的角钢发生断裂，对节点失去约束作用，故转动明显较大。
1～8为百分表编号。
图10百分表布置
表2节点转角
试件百分表编号屈服荷载对应节点转角θ/rad极限荷载对应节点转角θ/rad破坏荷载对应节点转角θ/rad推拉平均值推拉平均值推拉平均值A轴B轴10.00630.00660.00640.02570.02490.02530.01670.02150.019120.00110.02190.01150.04670.16590.10630.02570.26460.145130.00410.00630.00520.01820.01920.01870.02710.01900.023040.00930.01030.00980.04380.05860.05120.04760.08370.065650.00520.00590.00560.084
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