方钢管混凝土K型节点滞回性能试验研究Word格式.docx

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刘永健[4-6]、马美玲[7]和刘金胜[8]通过试验和数值分析手段，对矩形钢管混凝土节点的塑性发展历程、失效模式、节点的承载能力和节点延性进行了探讨；

Huang对管节点的破坏状态进行了试验研究，指出支管破坏和冲剪破坏是钢管混凝土K型节点主要的破坏模式，并对主管内部布置栓钉对节点抗冲剪能力的影响进行了探讨[9]。

目前，对方主管内局部填充混凝土节点的破坏模式和延性等性能的研究并不充分，已有成果多为圆钢管混凝土结构节点[10-12]、环口板以及内隔板加劲节点[13-14]。

因此，为促进主管内部局部填充混凝土K型管节点在建筑工程中的应用，探讨拉、压循环荷载下管节点的破坏模式、屈服后节点P-Δ曲线变化规律以及节点的耗能特征都是非常有意义的。

1试验模型和装置

1.1试件设计和试验装置

表1为本次试验的7个试件的几何参数，其中1个为普通的K型方钢管节点试件，用“K”表示；

6个为主管内填充混凝土的试件，用“KC”表示；

字符“B”表示支管，其后数值表示管件的截面尺寸；

字符“G”和后面的数值表示支管之间的间隙，如“0”表示无间隙，“20”和“40”表示支管之间的间隙为20mm和40mm。

如编号KC-B80-G20表示该试件的主管内部局部填充混凝土、支管尺寸为80mm、支管间隙为20mm。

表中β=b1/b0、γ=b1/（2t0）。

考虑到K型管节点试件的加载要求以及实验室的具体情况，主管采用一端铰接、一端自由的约束方式，主管与实验室地面呈45°

夹角且下部与反力架底部平台采用销轴连接，试验未考虑主管轴力的影响；

试件设计未考虑支管与主管夹角的变化，二者的夹角一律为45°

；

第1个支管水平放置且与加载架端部的立柱采用销轴连接；

第2个支管竖向布置且与竖向放置的作动器连接。

试件的布置以及加载架构造和尺寸见图1。

表1试件节点几何参数

构件编号主管尺寸b0×

t0/mm支管尺寸b1×

t1/mm支管间隙/mmβγK⁃B80⁃G0□100×

4□80×

300．812．5KC⁃B80⁃G0□100×

300．812．5KC⁃B80⁃G20□100×

3200．812．5KC⁃B80⁃G40□100×

3400．812．5KC⁃B60⁃G0□100×

4□60×

300．612．5KC⁃B60⁃G20□100×

3200．612．5KC⁃B60⁃G40□100×

3400．612．5

试验用的钢管为高频焊接管，连接焊缝采用手工直流焊，焊缝厚度为6mm，是支管壁厚的2倍；

主管内的混凝土采用人工振捣并在振捣过程中敲击主管外壁以检查混凝土是否密实。

钢管混凝土养护时将主管竖直放置，试验开始前将主管端部的混凝土打磨掉并焊接6mm厚的端板。

1.2材性试验

钢材的屈服强度和抗拉强度见表2。

标准立方体试块的养护条件与节点试件混凝土相同，养护28d后按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定混凝土的强度，混凝土立方体抗压强度fcu=37.6MPa，弹性模量Ec=1.68×

104MPa。

1—主管；

2—支管1；

3—支管2；

4—竖向可滑动连接板；

5—水平方向滑动连接板；

6—作动器；

7—加载架；

8—斜撑；

9—台座。

图1试件加载装置示意

表2钢材的力学性能

构件规格板厚t/mm屈服强度fy/MPa抗拉强度fu/MPa弹性模量Es/MPa伸长率δ/%□100×

4433924856201×

105213□80×

3334754963198×

105202□60×

3336814755208×

105214

1.3试验装置与加载制度

管节点拟静力加载制度差别较大，如文献[14]借鉴了JGJ101—96《建筑抗震试验方法规程》的规定，荷载控制阶段采用2次循环，但位移加载前期采用3次循环、后期则采用2次循环的方式；

在确定试件的屈服荷载时，试验主要采用了荷载循环加载的方式，但其中1个试件在荷载完成预计循环后采用位移控制进行缓慢加载以寻找拉、压状态下的屈服荷载。

文献[15]全程采用位移控制的方式进行逐级加载，环口板加固节点的加载制度与直接焊接型节点完全相同。

在借鉴相关文献的基础上，本次试验借鉴混合加载的方式，即首先采用力控制方式进行加载并循环1次，对支管施加竖向拉力后改变成竖向压力；

根据P-Δ试验曲线判断试件是否进入屈服状态；

当试件进入屈服状态后采用位移控制，位移增量采用屈服位移的50%且进行1次循环；

当节点试件的承载力降至峰值荷载85%以下或出现明显的破坏即停止试验。

正式加载前进行预加载以检测设备是否正常，力控制为每级10kN。

试验测试主要包括位移测试、荷载测试和应变测试。

位移计共计3个，2个用来测量作动器的竖向位移，1个用来测量主管底面的位移。

三向应变片共计12个，布置在节点区主管的侧壁。

采用东华DH-5922动态采集仪进行试验数据的采集，采样频率为2Hz。

2试验结果及分析

2.1试验现象

试件K-B80-G0在荷载控制阶段未观察到有焊缝或构件破坏的现象，根据试验曲线确定屈服荷载Py=98kN，屈服位移采用竖向支管的整体竖向位移，即Δy=3.9mm；

进入位移加载阶段，在位移增至4Δy且试件处于受拉循环时，竖向支管与主管连接的焊缝在焊趾处开裂，见图2a；

在随后按4.5Δy位移加载且受拉循环时观察到裂缝延伸至支管的管壁并逐渐扩展，受压循环时可观察到主管的侧壁轻微鼓曲；

加载至5Δy时，竖向支管在拉力作用下断裂，见图2b，试验停止。

a—支管角点处焊缝开裂；

b—支管管壁断裂。

图2试件K-B80-G0破坏模式

a—焊缝开裂（KC-B80-G0）；

b—支管的管壁开裂（KC-B80-G0）；

c—焊缝开裂（KC-B80-G20）；

d—支管鼓曲（KC-B80-G20）；

e—主管开裂（KC-B80-G40）；

f—主管角部开裂（KC-B60-G0）；

g—圆角处板件出现凹痕（KC-B60-G20）；

h—圆角处开裂（KC-B60-G20）。

图3矩形钢管混凝土管节点破坏模式

试件KC-B80-G0的屈服荷载Py=117kN，屈服位移Δy=3.7mm；

位移加载至3.5Δy时，焊趾处出现裂缝；

位移增至5Δy且处于受拉循环时，竖向支管一侧的管壁被拉断，另一侧则在焊缝处拉开，如图3a和图3b所示。

试件KC-B80-G20的屈服荷载Py=116kN，屈服位移Δy=3.9mm；

位移增至2.5Δy时，支管与主管连接焊缝处出现细小裂纹；

加载至5.5Δy且处于受拉循环时，竖向支管与主管的焊缝处开裂，循环至受压状态时，竖向支管的管壁鼓曲，见图3d，此时也是该试件的峰值荷载；

继续采用位移控制进行加载，发现试件的承载力逐渐下降，当承载力降至峰值荷载的85%时，试验停止。

试件KC-B80-G40的屈服荷载Py=118kN，屈服位移Δy=3.2mm；

位移增至3.5Δy时，焊缝处开始出现裂缝；

位移增至5.5Δy且处于受拉循环时，试件发出巨大的声音，此时观察到位于支管中间的主管上表面出现裂缝并延伸至主管侧面，见图3e，试验停止。

试件KC-B60-G0的屈服荷载Py=69kN，屈服位移Δy=2.6mm；

进入到4Δy循环前，未观察到有破坏现象；

试件在进入到4Δy受拉循环时，靠近受拉主管的主管圆角的管壁处突然开裂，见图3f。

试件KC-B60-G20的屈服荷载Py=60kN、屈服位移Δy=2.5mm；

在进入到3Δy受拉循环时，靠近竖向支管的主管圆角处出现明显的凹痕，见图3g；

进入到3.5Δy的受拉循环时，主管两侧管壁的圆角处被拉断，见图3h，试验结束。

试件KC-B60-G40的屈服荷载Py=48kN、屈服位移Δy=2.8mm；

在3.5Δy受拉循环时观察到受拉支管与主管的连接焊缝有细小的裂缝；

位移增至4.5Δy且处于受压循环时，可观察到竖向支管的管壁出现凹陷和鼓曲；

进入到5.5Δy时，节点承载力降至峰值荷载的85%以下，试验结束。

2.2滞回曲线

图4为本次试验7个构件的滞回曲线，由图可见：

1）钢管节点试件的滞回曲线比较饱满，这是因为节点区的主管变形所产生的耗能作用比较稳定，尤其是受压阶段的最后4次循环，作用在支管上的荷载变化甚小，同时可观察到受拉循环阶段的荷载一直处于增长的状态，直至因支管受拉破坏而停止试验；

2）钢管混凝土节点试件的承载力明显大于钢管节点试件，但滞回曲线的饱满程度要弱于钢管节点试件；

3）试件KC-B80-G20、KC-B60-G40在最后一个循环时支管因受压而出现鼓曲变形，此时的承载力大幅削弱；

4）钢管混凝土节点试件具有较强的承载能力和较大的刚度，除两个试件因支管屈曲而导致承载力大幅削弱，其余试件的刚度变化并不显著。

需要注意的是，试件KC-B60-G20循环次数较少时就出现主管管壁的撕裂破坏，试件的峰值荷载小，怀疑是该区域混凝土浇筑不密实所致。

a—试件K-B80-G0；

b—试件KC-B80-G0；

c—试件KC-B80-G20；

d—试件KC-B80-G40；

e—试件KC-B60-G0；

f—试件KC-B60-G20；

g—试件KC-B60-G40。

图4各试件P-Δ滞回曲线

2.3骨架曲线和延性系数

图5试件B80的P-Δ骨架曲线

图6试件B60的P-Δ骨架曲线

图5、图6为试件骨架曲线，表3为试验结果。

延性是衡量结构抗震性能的重要指标，通常定义为μ=Δu/Δy，其中Δy为屈服位移，Δu为试件破坏对应的位移。

由于本次试验的7个试件中的4个为突然破坏，为便于数据比较，本文采用峰值点对应的位移进行试件延性的分析，即以Δmax代替Δu。

由图和表可知：

1）钢管混凝土节点的屈服荷载较钢管节点有所提高。

以B80组试件为例，4个试件在加载过程中都因支管受拉而出现连接焊缝开裂，钢管混凝土节点的屈服荷载比钢管节点仅增加19%、18%和20%。

2）钢管混凝土节点的峰值荷载较管节点增加幅值差别较大，这与试件的破坏模式相关。

如试件KC-B80-G40的破坏模式为主管的管壁开裂，受拉时峰值荷载较钢管节点提高52%；

KC-B80-G0和KC-B80-G20受拉时都出现了支管与主管之间的连接焊缝开裂这一现象，受拉状态下两个试件的峰值荷载提高了26%和38%，这应是填充混凝土改变了连接处的应力集中程度，节点受拉性能有所改善；

B80组的3个钢管混凝土K型节点试件受压状态下的峰值荷载增幅都非常显著，增幅都超过60%，这显然是因为填充混凝土可增加主管的抗弯承载能力。

3）钢管节点因主管具有较大的