十字型钢管实验方案案例.doc

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 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） 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。 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 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75.62 kN·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Ixm4，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=75.62 kN·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1.5 M，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=75.62 kN·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。 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×