第40卷第6期建 筑 结 构2010年6月钢 混凝土组合梁与钢筋混凝土柱连接节点的试验研究许 巍1,2, 梁书亭2, 陈 林3, 张根俞2(1东南大学建筑设计研究院,南京210096;2东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京210096;3北京市建筑设计研究院,北京100045)[摘要] 依托实际工程,通过两个钢 混凝土组合梁与钢筋混凝土柱连接节点的缩尺模型试验,提出了以对拉钢筋代替钢梁翼缘穿过节点核心区的梁柱节点做法。

试验证明,此类节点构造合理,传力可靠,施工方便,具有良好的承载能力和抗震性能。

在试验研究基础上,提出了节点的抗剪承载力及构造措施,为该类节点的设计与施工提供参考。

[关键词] 钢 混凝土组合梁;钢筋混凝土柱;节点Experimental research on joint between steel concrete composite beam and reinforced concrete columnXu Wei 1,2,Liang Shuting 2,C hen Lin 3,Zhang Genyu2(1Archi tectural Design &Research Insti tute,Southeast Universi ty,Nanjing 210096,China;2Key Lab of RC &PC Structure of M inistry of Education,Southeast Universi ty,Nanjing 210096,China;3Beijing Institute of Architectural Design and Research,Beijing 100045,China)Abstract :Based on a real case,design concept and constructional details of the joints between steel concrete composi te beam and reinforced concrete column were introduced through the experi ment of two models,in which steel beam flanges were substitu ted wi th reinforcement in the case design of a conference building.The test resul ts indicate that the joint is comparatively safe and rational.Shear capacity and cons truction methods are also advanced which provide reference for the project desi gn and construction.Keywords :steel concrete composi te beam;rei nforced concrete column;joint作者简介:许巍,博士,Email:xuwei 97@s 。

0 工程背景江苏省商检局办公大楼主体结构为25层(含地下1层),另有裙房3层。

裙房第3层为会议大厅,屋面大梁跨度约16m,其上为屋顶花园,设计覆土约1m 。

经综合比较后采用钢 混凝土组合梁方案[1]。

结构设计中,采用了用对拉钢筋代替钢梁翼缘穿过节点核心区的钢 混凝土组合梁与钢筋混凝土柱节点,并对该类节点形式进行了试验研究。

图1 组合梁剖面1节点设计裙房屋面的钢 混凝土组合梁采用Q345钢材,混凝土强度等级为C30,连接件采用圆柱头焊钉。

组合梁剖面如图1所示。

钢梁和节点在厂家加工完成后,两者在现场焊接拼装。

组合梁与柱子连接节点的立面形式如图2所示。

图3中,节点1为裙房组合梁与主楼边柱的连接节点(主楼楼面和裙房屋面有1 2m 高差),钢梁部分在伸过节点区时,用对拉钢筋代替上下翼缘,腹板保持连续。

在梁柱接头位置,对拉钢筋焊接在两块端承面板图2 试件立面与加载示意图上。

节点2为裙房组合梁与裙房圆形端柱连接的节点,构造与节点1类似。

组合梁腹板的连续和钢板翼缘用对拉钢筋的替换,既保证了组合梁的连续性,也减少了节点区构造钢筋的数量,便于柱的纵向受力钢筋穿过节点区和柱混凝土的浇筑。

正交方向的框架梁受力钢筋可直接焊接在腹板上;或者在腹板开洞,将受力钢筋从洞口穿过。

2试验分析2 1试验设计为验证该类节点的安全性,进行了1 3缩尺模型图3 组合梁的节点照片和结构详图的伪静力试验。

其中,试件J1和J2分别仿照节点1和节点2来设计制作。

具体截面设计参数见表1。

试验采用荷载 位移控制的分级加载制度,每级反对称加载并循环往复三次。

按照工程实际情况,取柱轴压比 =0 25,在试件J1和J2的柱顶分别施加850和600kN 的轴压力,加载示意见图2。

在试件开裂前后及极限荷载附近,荷载级差减小。

在梁端屈服之前用荷载控制,之后用屈服荷载所对应的梁端位移 控制,施加2 ,3 ,,每级仍循环三次,直至试件丧失承载力。

试件的截面设计参数表1试件翼缘B f!t f腹板h w!t w柱截面b c!h c纵筋箍筋水平箍筋节点区梁腹板t w!b w!h w端板截面b!h!t板面钢筋板底钢筋J1160!10180!10405!405121610@8010@8010!380!575650!40!10550!40!1012@70(双向)8@200(横向)J2160!10180!10D=33081610@8010@8010!310!310650!40!1012@70(双向)8@200(横向)2 2滞回曲线及骨架曲线试件的荷载和位移控制数值列于表2。

图4为试件的整体破坏形态。

试验的滞回曲线及骨架曲线如图5所示。

由图可见,试件J1的滞回曲线呈梭形,而试件J2则有一定的捏缩,但正向加荷时承载能力和变形能力均无下降的趋势,可认为节点具有良好的抗震性能。

从反复加载的滞回曲线看出:向下加载时,受压区主要为工字钢梁的下翼缘部分,只要下翼缘部分不发生屈曲,荷载不会明显下降,变形性能很好;向上加载时,板为主要受压区,受压混凝土被压碎剥落,承载能力和变形性能明显下降,表现出与普通钢筋混凝土梁柱节点相似的滞回特性。

试件的主要指标表2试件P y kN P u kN y m m u mm正向反向正向反向正向反向正向反向破坏形态J121022032038015105837混凝土柱完好,组合梁破坏J221018035028018185043混凝土柱和组合梁均出现塑性铰 注:正向为向上加载,反向为向下加载。

2 3耗能能力评价为了定量评价试件的耗能能力,定义耗能系数E及各循环的平均耗能系数E为:E=E i∀P y y, E=E n nP y y式中,Ei为在某一循环耗散的能量,En为总耗能能量,n为总循环数,∀Pyy为外力功,∀P y y=0 5P+y +y+0 5P-y -y其中,P+y,P-y分别为试件正反的屈服荷载, +y, -y 分别为试件正反方向的屈服位移。

图4 试件的破坏形态图图5 试件滞回曲线及骨架曲线E消除了屈服荷载和屈服位移的影响,其物理意义是非线性耗能之比。

En反映了试件总的非线性耗能能力。

En越大,试件在地震作用过程中的耗能就越多。

经过计算[2],在循环荷载作用下,试件J1,J2的 E 分别为7 565,2 667。

可见,组合梁发生破坏时,耗能能力比较高;如果组合梁破坏的同时,发生柱的破坏或图6 试件J1节点区钢梁和对拉钢筋应力变化过程轻微破坏,耗能能力相对较差一些。

2 4节点区应变测试在试验过程中,在J1节点核心区腹板和对拉钢筋上选取特征位置,布置应变片以观测试验过程中的应变分布和变化。

从试验结果[2]可以看出,在反复荷载作用下,对拉钢筋的抗拉作用明显,在核心区受剪过程中起拉杆的作用。

节点区腹板下部水平截面上的应变变化与对拉钢筋的应变变化规律相似,即加载端应变大,远离加载端应变逐渐减小。

腹板对角线应变大小基本不变,可作为建立节点受剪承载力计算方法的试验依据。

主要测试结果如图6所示。

图7 试件J1有限元结果3计算与构造(1)采用有限元计算软件ANSYS 对试件J1进行了分析[2],部分结果如图7所示。

分析结果与试验结果基本吻合,验证了节点区受剪时的斜压杆机理。

节点对拉钢筋上的拉应力分布与试验结果类似,且处于同一高度平面的对拉钢筋受力相当。

节点区出现裂缝后,拉应力转移到对拉钢筋上,对拉钢筋上的应力趋于均匀。

有限元分析计算出的节点最大转角与试验测得的节点最大转角也基本相当,误差大约10%。

(2)柱边面承板是梁端传递内力的关键部件。

为了防止柱边面承板厚度不足产生塑性变形,应确保其厚度不宜小于钢梁腹板厚度。

柱边面承板受力复杂,尚缺乏足够的试验数据,其厚度计算暂时参考美国ASCE 的研究成果[3],公式为:t #t 0=0 13P f y a式中,P 为面承板受到的混凝土斜压杆的水平推力 N,f ya 为柱边面承板的屈服强度 MPa,t 为柱边面承板的厚度 mm 。

当对拉钢筋代替翼缘穿过节点时,偏安全考虑取:P =T =f y A st式中f y 为对拉钢筋屈服强度 MPa,A st 为对拉钢筋面积 mm 2。

(3)对拉钢筋主要起拉杆的作用,确保钢梁上下翼缘的拉压力传递到节点核心区。

为了防止对拉钢筋过早屈服,应使得:T bt +T s #f y A st式中T b t 和T s 分别为钢梁翼缘和混凝土板中主筋到达极限状态时的拉力。

(4)对拉钢筋与面承板焊接部位是受力集中部位,为改善该处的受力性能,建议在对应位置设置耳板。

节点区的钢箍可以对半切开焊在腹板上,仍可按常规计算方法承担部分剪力。

江苏省商检局办公大楼采用了以上研究成果,竣工以来的监测表明,使用状况一直良好。

其计算方法和设计构造还有待于进一步试验、分析和完善。

4结论(1)在梁柱的节点区,由腹板、对拉钢筋及柱边面承板组成的∃钢框架%,可与混凝土共同形成强核心区,具有良好的延性和耗能能力,能满足∃强节点、弱构件%的要求。

(2)腹板的连续和翼缘用对拉钢筋的替换,既保证了组合梁的连续性,同时也减少了节点区构造钢筋的数量,便于柱的纵向受力钢筋穿过节点区。

(3)试验表明,该类节点构造简单,传力合理,承载力满足设计要求,具有较好的抗震能力。

参考文献[1]白永生,许巍,蒋永生,等.对某大跨、重载裙房屋面大梁结构设计方案的比较和分析[J].江苏建筑,2002(1):13 16.[2]陈林.钢筋混凝土组合梁与钢筋混凝土柱节点设计方法的试验研究[D].南京:东南大学,2003.[3]ASCE Task committee on design criteria for composite s tructures i n s teeland concre te.Guideli nes for design of j oi nts between s teel bea ms and reinforced concrete column[J].Journal of Structural Engineeri ng,ASCE,1994,120(8).。