十字型钢管实验方案解析.docx
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十字型钢管实验方案解析
异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点
力学性能试验方案
（十字形节点部分）
国家自然科学基金项目（50978033）
长江大学城市建设学院
2010年2月
异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点力学性能试验方案
（十字形节点部分）
一、试验目的及试件概述
本试验的目的即为了解异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点的受力特点、截面应力和应变分布、破坏形态、变形特征、延性性能，提出合理的节点强度、刚度、变形的计算理论和设计方法。
本试验共设计了六个节点试体，拟进行不同轴压比，不同节点加强环下的异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点拟静力试验。
通过对轴压比为0.2、0.4、0.6（混凝土强度等级均为C40，截面布局及几何形状与尺寸相同并采用外加强环式构造，梁柱均取其反弯点范围且按强构件弱节点设计，竖向荷载和反复水平荷载分别加于柱顶和柱反弯点处），和混凝土强度等级为C40、轴压比为0.4，截面布局及几何形状与尺寸相同并采用内加强环式及柱内隔板外伸式构造试体，及轴压比取0.4，按强柱弱梁设计的构件等六种情况进行试验，研究异形截面钢管混凝土柱-钢梁节点的特殊受力性能及其机理。
二.试件设计
试验所取梁柱连接试件为图1.1所示的框架结构在侧向水平荷载作用下梁柱反弯点之间的典型单元，该模型为框架梁柱中间层边节点，在反对称荷载作用下，认为框架的反弯点在梁柱中点，边节点受力示意图如图1.2所示，模型的立体图如图1.3所示。
V
N
图1.2中节点受力图
N
V
试件
图1.1模型试件选取图
P
P
试验的目的是为了研究异形截面钢管混凝土柱-钢梁边节点核心区的受力性能，因此节点在设计的时候，按照“强构件、弱节点”的原则进行设计，让节点先于梁柱破坏。
由于异形柱的柱肢常做成与墙等厚，故柱的截面尺寸可先确定，主要是梁的截面尺寸需要计算确定，本试验模型按照1：
2的缩尺比例进行。
1．强构件弱节点型试件
2
柱的截面尺寸如图2.1所示，忽略钢管混凝土中混凝土的作用，单纯考虑钢管受弯，则柱在靠近节点处屈服时的弯矩为75.62kN·m，根据节点弯矩平衡可得梁在靠近柱表面所受到的弯矩为75.62kN·m。
计算过程如下：
空钢管的形心轴如图2.1所示，由此可求得Ix=37810895mm4，W1=252072mm3。
则柱在靠近节点处屈服时的弯矩为：
M=Wf=252072×300=75.62kN∙m
梁靠近柱表面处的弯矩为M=75.62kN·m。
要达到强梁的目的，必须使梁的抗弯承载力大于M，偏于安全的取此弯矩为1.5M，则可求得梁的抗弯截面系数W为：
W=M/f=1.5×75.62×106/300=378100mm3
据此选择梁的截面为300×100×8×10mm，其抗弯截面系数为378008mm3。
2．强柱弱梁的实现
根据强构件弱节点型试件中的计算可知，当梁的抗弯承载力小于M=75.62kN·m时，试件为强柱弱梁型试件，由此可求得梁的抗弯截面系数为：
W=M/f=75.62×106/300=252067mm3
据此选择梁的截面为250×100×6×8mm，其抗弯截面系数为238724mm3。
3．施加轴压力计算
试验考虑轴压比的影响，考虑到试验条件，取试验轴压比为0.2、0.4和0.6。
十字形柱的轴压承载力按式计算：
经计算得Nu=2937kN，则相应于轴压比0.2、0.4和0.6，对应的轴压力分别为587.4kN、1174.8kN和1762.3kN。
4．试件制作
试件采用十字形截面柱外加强环式节点、十字形截面柱内加强环式节点及柱内隔板外伸式节点，节点构造如图所示。
图2.2十字形截面柱构造图
十字形截面钢管采用300×100×4mm的矩形钢管和两块100×100×4的槽形截面焊接而成，如图2.1所示，在图示“1”、“2”位置采用坡口焊，焊缝均按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行设计。
进行节点钢管加工时，首先按要求的截面形式和长度加工空钢管，并保证钢管两端截面平整。
对每个试件加工两个厚度为10mm的钢板作为试件的盖板，先在空钢管一端将盖板焊上，另一端待混凝土浇灌之后再焊接。
其次，按要求的截面和长度加工钢梁，并保证钢梁尺寸的平直度。
再次，把节点外加强环按照设计的位置焊接到空钢管上。
最后，将加工好的钢梁焊接于节点环板上，焊接时要注意保证左右钢梁的轴线位置。
各试件设计参数见表1，各构件的尺寸如图2.2所示。
浇筑混凝土时，把钢管竖立，从顶部分层灌混凝土，并用插入式振捣棒分层振捣，同时在钢管外部进行侧振以保证混凝土的密实度。
各试件设计参数如表1所示。
表1试件设计参数表
节点编号
ZJD1
（外加强环）
ZJD2
（外加强环）
ZJD3
（外加强环）
ZJD4
（外加强环）
ZJD5
（内加强环）
ZJD6
（内隔板外伸）
梁
截面尺寸
mm×mm
300×100×8×10
300×100×8×10
300×100×8×10
250×100×6×8
300×100×8×10
300×100×8×10
型钢
H型
H型
H型
H型
H型
H型
柱
截面尺寸
mm×mm
300×100×4
+100×100×4
+100×100×4
300×100×4
+100×100×4
+100×100×4
300×100×4
+100×100×4
+100×100×4
300×100×4
+100×100×4
+100×100×4
300×100×4
+100×100×4
+100×100×4
300×100×4
+100×100×4
+100×100×4
混凝土强度等级
C40
C40
C40
C40
C40
C40
轴压比
0.2
0.4
0.6
0.4
0.4
0.4
三、试验装置及受力分析
1.试验装置
参照《建筑抗震试验方法规程》JGJ101-96，节点拟静力加载方式可以有两种：
柱端加载方式和梁端加载方式。
当以梁端塑性铰区或节点核心区为主要试验对象的试体，宜采用梁端加载；当以柱端塑性铰区或柱连接处为主要试验对象时，宜采用柱端加载，但应计入
效应。
考虑到实验室的具体条件和加载得以实现的难易程度，钢管混凝土的应用范围（一般为承受较大的轴向压力）以致于
效应不可忽略，故本实验采用柱端往复加载方案，以确保试验顺利进行，试验结果准确反映实际情况。
节点试体基本单元和加载简图与试验加载装置示意图分别见图3.1，图3.2所示。
本试验研究的边节点的边界条件是：
节点柱子下端和梁的支座边界条件均为铰接，柱子底部采用平板铰来模拟柱底的铰接边界条件，梁端的支座采用刚性杆来模拟，用铰接的边界条件模拟铰支座；柱子顶端为随着水平荷载的变化在平面内可自由转动的边界条件；柱顶施加保持恒定不变的轴力。
N
P
图3.2试验装置示意图
2．受力分析
柱端加载时的计算简图见图3.3所示。
图3.3柱端加载时计算简图
由图3知，节点的受力平衡方程为:
可由梁端剪力
求出柱顶水平荷载值
若忽略
，则：
，
实验中，柱顶轴向压力的作用导致柱顶产生摩擦力，故柱顶水平荷载大小可根据上述公式求得。
实际上，柱顶水平荷载等于由柱顶荷载传感器测得的荷载值减去柱顶摩擦力，但柱顶摩擦系数很难精确得到。
四、测试内容
1．位移测量
①节点核心区剪切变形的测量
通过测量节点核心区剪切变形，研究节点核心区的抗剪性能并分析它对结构受力性能、破坏形态等的影响。
节点核心区的剪切变形体现在节点核心区剪切角上。
方法：
节点核心区剪切角可通过量测核心区对角线的位移量来计算确定。
使用仪表：
电子百分表；量程为30cm；精度为0.01mm
②梁柱塑性铰区段曲率或转角的测量
测量节点核心区处梁、柱塑性铰区段的曲率或者转角。
方法：
对于梁一般可在距柱面
（梁高）或
处布点，对于柱子则可在距梁面
（柱宽）处布置测点。
使用仪表：
电子百分表；量程为50mm；精度为0.01mm
③柱端位移的测量
柱端位移的测量主要是测量柱顶水平荷载加载截面处的位移，并在控制位移加载阶段依此作为控制加载程序。
另外，通过测定柱端位移还可确定层间位移延性系数、层间变形角及相应的延性系数。
方法：
在柱顶水平荷载加载截面、柱脚截面、梁端支撑处布置位移计
使用仪表：
位移计；量程为30cm
④荷载-变形曲线观测
荷载-变形曲线采用电测位移计，通过X-Y函数记录仪记录整个试验荷载-变形曲线全过程。
要求位移传感器保证精度要求外，尚要保证足够的量程，以满足构件进入非线性阶段量测大变形的要求。
说明：
上述所有提到的测量仪表的布置见图4.1。
图4.1位移计及百分表布置
图4.2节点应变片测点布置（正面）
图4.3节点应变片测点布置（反面）
2．应变测量
1节点核心区钢管混凝土柱应变测量
通过测量节点核心区处型钢柱腹板和翼缘应变，了解节点核心区的受力特点，破坏形态，截面应力应变分布情况等。
节点核心区钢管：
在节点核心区钢管外表面沿对角线方向上布置应变花，测量节点核心区处钢管上应力分布情况，研究节点核心区的剪切滞回性能。
2节点梁端型钢、柱端钢管应变测量
测量靠近节点区梁端、柱端型钢上应力分布情况；了解塑性铰形成情况。
在梁端型钢翼缘、柱端钢管处布置应变片。
说明：
上述所有提到的应变片的布置见图4.2、图4.3。
五、加载方案
本试验采用柱端加载方式。
①第一步：
施加柱端轴向荷载N。
轴压比取0.2时（试体编号ZJD1），需在柱顶对应加载587.4kN的轴压力；
轴压比取0.4时（试体编号ZJD2、ZJD4、ZJD5），需在柱顶对应加载1174.8kN的轴压力；
轴压比取0.6时（试体编号ZJD3），需在柱顶对应加载1762.3kN的轴压力；
②第二步：
施加柱顶水平荷载。
水平荷载的施加按照位移控制。
加载初期，使每个循环峰值侧移率Δ/L增加0.25%，直至0.75%，每级加荷循环一次。
其中Δ为柱顶端加载处的侧向位移，L为位移测点到梁上翼缘表面的垂直距离。
对应于Δ/L=1%、2%、3%、4%……，每级加荷循环三次，直至柱顶水平荷载下降到极限水平荷载的85%以下或轴力无法稳定时停止加载，水平位移的加载制度见图5.1。
图5.1加载制度
表2试件加载情况
试件
轴力（kN）
水平位移（mm）
0.25%
0.5%
0.75%
1%
1.5%
2%
3%
4%
T1
587.4
1.75
3.5
5.25
7
10.5
14
21
28
T2
1174.8
1.75
3.5
5.25
7
10.5
14
21
28
T3
1762.3
1.75
3.5
5.25
7
10.5
14
21
28
T4
1174.8
1.8
3.6
5.4
7.25
10.88
14.5
21.75
29
T5
1174.8
1.75
3.5
5.25
7
10.5
14
21
28
T6
1174.8
1.75
3.5
5.25
7
10.5
14
21
28
循环次数
1次
3次
说明：
1.在节点正式进行加载以前，为了使加载装置的各部分与节点充分接触，先对节点进行预加载。
其目的是检查加载装置的某一部分与节点的接触是不是很密实，同时检查测量仪表工作状态是不是很不稳定，如果出现加载装置的某一部分与节点接触不是很密实或测量仪表工作状态不是很稳定的情况，则应进行及时处理，否则会影响整个试验的精度。
2.节点是否屈服，由荷载－位移曲线上出现拐点和型钢腹板的应变读数综合判断。
3.因为对于每个节点，轴压比是一定的，所以轴向力在整个过程中应保持不变。
由于在试验过程中，随着节点的开裂，破坏，轴压力将会出现下降的情况，所以在试验过程中应随时观察轴向力是否下降，如果数值下降，则进行及时的补压。
六、试体试样尺寸及材性试验结果
试样尺寸及材性试验结果见表4。
表4试件试样尺寸及材性试验结果
试件
编号
试件试样尺寸（mm）
（Mpa）
（Mpa）
（Mpa）
梁
柱
B×H
（mm）
B×H
（mm）
1
2
3
4
5
6
升级会员 