浅析钢管混凝土柱-预应力梁节点抗剪性能

作者：张毅    

  随着钢管混凝土结构的应用日益广泛，人们对钢管混凝土节点的设计问题也越来越关注。

  目前，国内外对混凝土梁·钢管混凝土柱节点的静力性能和抗震性能已进行了较为深入的研究，而对于预应力混凝土梁-钢管混凝土柱节点静力性能的研究还非常少，这些都影响了该种节点的工程应用与推广。并且，随着现代建筑的不断发展，普通混凝土难以满足建筑对裂缝控制、变形控制和大跨度等方面的要求，而对普通混凝土施加预应力则成为解决这一问题的一种有效途径。本文以某火车站实际工程中某预应力混凝土梁．钢管混凝土柱连接节点的缩尺模型为试验对象，设计3类不同试件进行对比试验，研究该种节点的抗剪受力性能，研究成果可为其他同类节点在实际工程中的应用提供技术依据。

1试验研究

1.1  试件设计

  试件为平面受力的高架层中间层边节点，试件尺寸按1：4的比例进行设计。柱采用圆钢管混凝土柱，梁采用后张无粘结部分预应力混凝土梁。共设计3个试件，其中PBCT-1有预应力筋，但不张拉，主要用于对比研究，PBCT-2和PBCT-3有张拉预应力筋，除预应力值大小不同外，3个试件其他参数都相同，用以研究预应力对节点抗剪性能的影响。试件尺寸及配筋如表1所示。试件截面配筋及预应力筋布置如图1所示。抗剪环筋采用HRB335级，ɸ25mm的钢筋，间距100mm，布置3个抗剪环筋；栓钉直径为19mm，长度100mm，每层布置6个；抗剪环筋与栓钉间隔布置。混凝土环梁中纵向钢筋采用HRB400级，ɸ18钢筋，沿外环板等间距布置12个，并将梁端焊接于上下环板；环梁的环向箍筋采用HPB300级，ɸ10钢筋，箍筋间距100mm。

1.2材料性能试验

1.3  加载装置和加载制度

  试验时将柱底固定于反力架上，模拟固定端支座。试验过程中，将起重机的钢丝绳勾住梁根部作为安全措施，以防加载过程中试件倾倒危及人身及财产安全，同时，保证钢丝绳刚好处于不受力状态，以免对试验数据产生影响。在实际加载过程中考虑到千斤顶从上往下施加荷载比较困难，且不够安全，于是考虑将试件倒置，从下而上施加荷载，因为试件的自重相对于所加荷载基本可以忽略，因此，与实际受荷情况符合较好。在两边梁上进行对称加载，两边梁的加载点离柱钢管壁的距离均为750mm，试验的加载装置如图2所示。在正式加载之前，先进行预加载，预加载时，按照预估计算极限荷载的5%进行加、卸载2次，以消除试件内部组织不均匀性。正式加载时，试验采用单调分级加载制，在60%预估计算极限荷载之前，按照10%预估计算极限荷载分级加载，在此之后或者出现明显的非线性变形时，降低荷载级别，按照5%预估计算极限荷载分级加载，直到荷载不能继续增加为止，注意，每级持荷15min左右且加载时保持均匀慢速，以免加荷过快而影响数据的可靠性。试验中，当出现下列情况之一时，停止加载，试验终止：①荷载值降低到峰值荷载的85%以下；②节点各部分组件发生严重破坏，不适于继续加载。

1.4  量测方案

  对梁施加竖向力的液压千斤顶通过压力传感器和应变仪来记录数据，压力传感器在试验前标定好，便于在试验过程中控制所加荷载。对于粘贴在不同部位的用于测量纵筋、箍筋以及节点区环箍筋应变值的应变片数据由DH3815N静态应变采集系统采集。试验过程中对钢管混凝土柱、预应力梁的变形和裂缝发展进行拍照和手动记录。

  荷载、变形、应变等数据在试验全过程中自动连续采集，图3为测点布置示意。试验过程中测量：①梁加载点以及梁根部竖向位移和柱的水平位移；②节点核心区的竖向变形，节点关键位置处钢筋和混凝土的应变；③梁中纵筋和箍筋的应变；④记录裂缝的宽度、位置以及裂缝间距等，并拍照。

2试验结果与分析

2.1  主要试验结果

  表3为试验的主要结果，其中开裂荷载是通过裂缝观测仪发现梁中第1条裂缝时对应的荷载，屈服荷载是梁中有受拉纵筋出现屈服时的荷载，极限荷载是采集系统中读出的荷载最大值，荷载达到峰值后继续加载，当采集系统中的荷载下降到峰值荷载的85%以后，记录此时的荷载值，即为破坏荷载，屈服位移是屈服荷载所对应的加载点处的位移。通过观察3个试件的破坏形态，发现破坏均首先发生在梁根处纵筋和箍筋，然后逐渐延伸至环梁节点核心区，但节点核心区的混凝土并未出现剥落或较大裂缝，且核心区的水平环箍筋以及竖向箍筋均未屈服，说明在梁根部破坏后，节点核心区还有一定的抗剪能力。

2.2  裂缝开展及破坏形态

  PBCT-1为没有张拉预应力的试件，当施加至50kN时，柱两边梁根出现第1条裂缝，裂缝宽度为0.05 mm，如图4a所示；随着荷载的增加，斜向剪切裂缝不断增多，裂缝向受压区（环梁方向）发展，裂缝宽度增大；当荷载加至713kN时，梁的箍筋屈服，此时混凝土最大裂缝宽度为0.7mm；当加载至800kN时，环梁出现斜裂缝，宽度为0.21mm，如图4b所示；当荷载加至1040kN时，梁斜剪裂缝宽度>1.5 mm，试验停止，此时环梁的最大裂缝宽度为0. 43 mm。破坏形态如图4c所示，梁剪切破坏时环梁并没有发生破坏。

  PBCT-2为张拉控制应力为0.5fptk试件，当在梁端施加至94kN时，梁根出现第1条裂缝，裂缝宽度为0. 05 mm，如图5a所示；随着荷载的增加，剪切裂缝不断增多，裂缝向环梁方向发展，裂缝宽度增大；当加载至800kN时，环梁出现斜裂缝，宽度为0.09 mm，如图5b所示；当荷载加至1005kN时，梁的箍筋屈服，此时混凝土最大裂缝宽度为1.16mm；当荷载加至1144kN时，梁斜剪裂缝宽度>1.5mm，试验停止，此时环梁的最大裂缝宽度为0. 25 mm。破坏形态如图5c所示，梁剪切破坏时环梁并没有发生破坏。

  PBCT-3为张拉控制应力为0.7fp．。试件，当在梁端施加荷载至133kN时，梁根出现第1条裂缝，裂缝宽度为0. 05 mm；随着荷载的增加，剪切裂缝不断增多，裂缝向环梁方向发展，裂缝宽度增大；当加载至1000kN时，环梁出现斜裂缝，宽度为0.23 mm，如图6a所示；当荷载加至1 047kN时，梁的箍筋屈服，此时混凝土最大裂缝宽度为1. 03 mm；当荷载加至1220kN时，梁斜剪裂缝宽度>1.5mm，试验停止，此时环梁的最大裂缝宽度为0. 25 mm。破坏形态如图6b所示，梁剪切破坏时环梁并没有发生破坏。

2.3  荷载-位移曲线

  在试件梁上距柱边750mm处施加单向对称荷载，其荷载-位移曲线如图7所示。

  从图7可知，施加预应力可以提高抗剪承载力，试件PBCT-1梁根抗剪承载力为1 040kN，试件PBCT-2梁根抗剪承载力为1 144kN，试件PBCT-3梁根抗剪承载力为1220kN。随着预应力的增大，抗剪承载力也随之增大。

2.4荷载与钢筋应变关系

  通过对比分析3个试件的梁纵筋、梁根处箍筋以及节点区竖向箍筋的应变，发现节点区的钢筋应变不大，而梁根处的纵筋及箍筋应变很大，说明此种节点具有足够的抗剪能力，符合强节点弱构件的设计原则。图8为主要测点区且应变较大钢筋的荷载与应变关系，应变量较小的钢筋对抗剪能力不起决定作用，故未列于图中。

  根据图8箍筋应变测量结果，在裂缝开展处箍筋应变发展较快，箍筋应变随预应力的增大而减小，节点区环箍筋的应变随预应力的增大也减小，但减小并不显著。从各个试件内部的不同钢筋应变对比发现，纵筋受力较为均匀，加荷初期箍筋应变有突变行为，但随着荷载的加大，箍筋受力也逐步均匀，说明梁柱交界面的连接可靠，传力形式合理。

3有限元分析

3.1模型建立

  采用有限元软件ABAQUS对该节点进行分析。混凝土采用8节点减缩积分实体单元C3D8R;钢管、钢牛腿及环板采用4节点减缩积分壳单元S4R模拟；纵筋、箍筋及预应力筋采用空间桁架单元T3 D2模拟；忽略钢筋与混凝土间的黏结滑移效应，采用EMBED技术模拟钢筋与混凝土的相互作用，预应力作用利用降温法施加。有限元模型建立如图9所示。

3.2结果分析

  从试件破坏时钢管及加强部件的应力云图可以看出，环板与钢筋焊接出现应力集中，局部拉应力达到900MPa；剪应力最大值为100MPa，没有发生剪切破坏。抗剪环筋的拉应力最大值为94MPa，剪应力为62. 6MPa;栓钉的最大剪应力为107. 5MPa．上牛腿与钢管焊接出现应力集中现象，剪应力为230. 6MPa，比没有施加预应力试件的略小，说明预应力改善了连接部位的剪力。

4结语

  1)试件发生受剪破坏时，环梁的箍筋最大应变均≤1  300με ，预应力梁先于节点破坏，环梁未发生破坏，节点满足“强柱、弱梁、强节点弱构件”的抗震设计原则，具有良好的力学性能。

  2)在一定范围内，随着预应力的增大，试件的抗剪承载力随之增加。

  3)预应力的增加提高了试件的极限荷载，与未施加预应力试件相比，施加0.5fptk和0.7fptk预应力试件的极限荷载分别提高了约9. 3%和19. 5%。

4)建立了钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点抗剪试验模型，有限元计算结果与试验结果基本吻合，表明环板与纵向钢筋的连接部位会出现应力集中现象；预应力的施加改善了连接部位环板、抗剪环、牛腿和栓钉的抗剪能力。试件破坏时，预应力试件的环板、牛腿和栓钉的剪应力比非预应力试件小，梁根各部件的剪应力均没有达到屈服，说明节点抗剪性能良好。[

5摘要]为研究钢管混凝土柱-预应力混凝土梁节点的抗剪受力性能，进行了单调对称的静力试验。对节点的荷载．位移曲线以及荷载-钢筋应变关系进行了分析，结果表明：该类节点的整体抗裂性能好、刚度大、挠度小，有充足的抗剪承载力。当在大荷载作用下，预应力梁发生剪切破坏时，节点核心区并未发生破坏。有限元分析结果与试验结果吻合较好。