节点区柱钢管非连续式矩形钢管混凝土柱—梁节点力学性能研究

发布时间：2019-08-08 19:50

【摘要】：钢管混凝土柱-混凝土梁的连接形式构造多样，存在节点区域梁纵筋与柱钢管空间上的不协调，处理较为复杂。目前关于钢管混凝土柱-混凝土梁节点的研究尚不系统，存在节点力学性能与施工便利性不能两全等问题。研究开发受力性能良好、构造简单、施工方便的节点形式是研究人员与设计者急待解决的课题。本文提出一种新型的柱钢管节点区全断开的矩形钢管混凝土柱-混凝土梁节点。该节点的特点：柱钢管在节点区域断开，保证楼层框架梁纵筋贯通节点；通过扩大节点截面及配置多层约束钢筋网以解决因柱钢管断开和采用低强度等级混凝土而导致承载力下降问题；在多层钢筋网外围竖向配置密集箍筋，改善节点区混凝土的抗裂性能；节点区可不配置柱箍筋，通过钢筋网与密集箍筋形成的新型钢筋笼整体承受节点剪力。该新型节点具有的优点：节点可与任意方向的楼盖梁连接，楼盖梁的布置灵活；节点的抗裂能力提高，有利于扩大结构的正常使用范围；现场钢结构的焊接工作减少，施工较为方便。本文对该新型节点的轴压、偏压静力性能以及抗震性能进行研究，主要包括以下几个方面的工作。（1）进行了48个节点区试件的轴压试验，研究节点核心区的截面系数、高度系数β、配筋系数ρ、混凝土强度fcu以及柱长宽比γ对新型钢筋网节点核心区轴压力学性能的影响。试验表明，通过新型钢筋网的约束与扩大节点截面的局压作用，节点具有较高的轴压承载力和较好的延性；钢筋网外围布置密集箍筋可提高节点区的抗裂能力。（2）在约束混凝土本构关系的基础上，采用等效侧向应力的概念，计算钢筋网约束混凝土抗压强度，同时考虑混凝土的局压作用，获取该类新型节点的核心混凝土峰值强度。借鉴Mander本构形式，提出可适用于该类节点分析的等效单轴本构关系。采用该本构关系对轴压试件的等效应力-应变关系进行全过程计算，并与试验结果比较，两者吻合良好。（3）进行了8个带上下柱的新型节点试件受压试验，研究节点截面系数、高度系数β、柱长宽比γ对试件破坏形态、峰值承载力、各裂缝宽度对应荷载等力学性能的影响。通过与工程上采用的常规钢管混凝土柱承载力计算对比，合理设计的节点在轴压、小偏压荷载下的峰值承载力可高于钢管混凝土柱，满足“强节点，弱构件”的设计理念。同时节点区配置外围箍筋能够限制节点核心区外混凝土的竖向膨胀变形，，限制各个侧面水平裂缝的产生和发展，有效地改善节点的抗裂性能。（4）在局压承载力理论的基础上，对混凝土局压与横向钢筋网约束双重作用机理进行分析，通过引入节点高度系数对已有的规范计算公式进行修正，提出该节点的轴压承载力计算公式一；并在此基础上，考虑偏心对局部受压承载力的折减，建立了该新型节点的偏压承载力计算公式。在Mander约束混凝土公式的架构下，考虑混凝土局压对横向钢筋网约束的影响作用，确定本试验环境中有效约束系数ke的计算方法，提出该节点轴压承载力计算公式二。根据试验现象，提出该节点峰值状态下试件受压有效截面的概念，并确定试件受压有效截面的计算方法，建立该节点轴压承载力计算公式三。通过验证比对，上述公式均可较精确地预测试验结果。（5）进行了5个试件的低周反复荷载试验，研究该新型节点的抗震力学性能。试验结果表明，随着相对配筋系数（节点体积配筋率/梁配筋率）与节点面积增大系数（节点面积/柱面积）的增大，破坏区域由节点区向框架梁根部转移，说明通过合理设计的节点在低周反复荷载作用下的受力性能是安全可靠的，可实现“强柱弱梁，节点更强”的抗震设计原则。对静力反复荷载作用后的节点试件进行轴压试验，结果表明在经历低周反复荷载作用后，节点钢筋网仍能有效约束节点核心区混凝土，节点仍具有较高的承载力与延性，说明通过合理设计的新型节点在震后也能体现“强节点，弱构件”的抗震理念。（6）在MCFT理论的基础上，确定新型节点计算关键参数的取值方法，提出了该新型节点抗剪承载力的计算方法。节点峰值剪应力计算结果与试验吻合良好，表明上述抗剪计算方法较为合理。
【图文】：

新型钢,平面图,照片,点焊

照片（方形）1AH平面图2-2(b)新型钢筋网

破坏形式,试件,局压

(a) A12-脆性破坏 (b) A16-延性破坏图 2-6 方形试件破坏形式形试件破坏形态如图 2-7 所示，其破坏过程表现出下列规律。1）低强度部破坏严重。加载过程裂缝由加载板角部通过试件上下表面向侧面延伸，角部侧面的竖向裂缝，加载后期发展为明显的破坏裂缝，开裂宽度可达 1眼可见内部外露出来的钢筋，并且伴有混凝土碎落。但在较高强度混凝土试比较小的 A14 试件同样出现严重的角部破坏外，其余试件角部破坏均不明现水平裂缝。大部分试件侧面中部出现了 1~2 条水平贯通裂缝；3）局压的裂缝将试件侧面裂分为若干区块。部分试件的局压区外混凝土侧面纵横加载后期使其碎裂成若干区块。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU398.9;TU311

【参考文献】