碳纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点的力学性能研究

碳纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点的力学性能研究

车媛

辽宁省交通高等专科学校辽宁沈阳110122

摘要：由于纤维复合钢管混凝土结构既在性能上具有优势，又在经济指标和社会效益上具有很强的竞争力，因此是一种十分有前途的新型结构型式。因此随着纤维复合钢管混凝土理论的日益完善和工程实践的广泛应用，纤维复合钢管混凝土柱与梁的连接节点成为钢管混凝土结构研究和推广的关键技术问题之一。本文通过对碳纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点的力学性能研究，探讨了纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点在不同配筋率下，在竖向荷载作用下节点的破坏形态，并对抗剪环的破坏模态进行了分析。

关键词：碳纤维复合钢管混凝土；钢筋混凝土环梁节点；力学性能

作者简介：车媛（1982-）女，四川人，讲师，博士，研究方向为组合结构。

基金项目：辽宁省交通高等专科学校校级科研项目（lnccky201614）。

1前言

由于钢管混凝土结构既在性能上具有优势，又在经济指标和社会效益上具有很强的竞争力，因此是一种十分有前途的新型结构型式[1]。特别是在高层建筑中，钢管混凝土柱应沿建筑物高度连续，不应中断。如把柱逐层分段，则钢管混凝土施工快捷的优点将不复存在。因此随着钢管混凝土理论的日益完善和工程实践的广泛应用，钢管混凝土柱与梁的连接节点成为钢管混凝土结构研究和推广的关键技术问题之一。所以对钢管混凝土梁柱节点性能开展深入的研究将有助于推动其工程设计和应用。

CFRP-钢管混凝土结构作为新型的管体内填混凝土结构形式，已经逐渐形成一个研究热点[2-5]。环梁节点是近年来应用于钢管混凝土柱-钢筋混凝土节点较为成功的一种节点形式，主要是由钢管混凝土柱、钢筋混凝土环梁、钢筋混凝土框架梁和抗剪环构成。抗剪环是一圈焊接在钢管柱壁上的圆钢筋，包裹在环梁之内，位置一般靠近梁底，需要时在环梁底部中部及其他位置加焊若干圈。环梁内钢筋布置方法与普通钢筋混凝土梁相似，包括与钢管壁平行的环形纵筋和与钢管壁垂直的矩形箍筋；框架梁的纵筋则直伸入环梁内锚固等形式。

2研究的目的

从节点的受力机理来看，节点的破坏形态有如下几种：（1）框架梁与环梁的交接处，框架梁受弯破坏；（2）环梁表面出现正截面或斜截面破坏；（3）环梁与CFRP-钢管之间的抗剪环传力机构或环梁混凝土的破坏。第（1）、（2）种破坏形态是由于框架梁传递的弯矩所引起的，属于节点受弯破坏，要通过抗弯试验来检验节点的抗弯能力；第（3）种破坏形态是由于框架梁传来的剪力引起的，属于节点的剪切破坏，要通过抗剪试验来检验节点的抗剪能力。为此，分别对8个碳纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点试件进行试验，以期验证节点在不同配筋率的情况下，在竖向荷载作用下的破坏形态；对抗剪环的破坏进行分析。

3试验概况

根据结构实验室的条件，模型试件按照实际工程尺寸1:4的比例进行设计，共设计了8个纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点试件，试件的节点形式如图1所示。试件钢管壁厚为4mm，外径157mm，高度为480mm，柱钢管采用Q345无缝钢管。钢管内以及梁的混凝土的强度等级为C60，碳纤维采用辽宁省建筑科学研究院生产的UDO碳纤维织物C200，碳纤维织物层数为2层，试件之间不做变化。钢筋采用HRB235级，箍筋直径为5mm，抗剪环筋直径为7mm，并将抗剪环筋紧贴钢管混凝土柱焊接在环梁下表面1/3处，节点制作完成之后如图2所示。试件的截面尺寸见表1。

（a）节点剖面图

（b）节点平面图

图1纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点示意图

图2制作完成的纤维复合钢管混凝土柱-钢筋混凝土环梁节点

表1试件截面尺寸

4加载方式

本试验研究的对象为中柱节点，节点的柱底和柱顶放置球铰，分别与反力架和千斤顶相连，节点的柱顶用500t的油压千斤顶施加竖向荷载，千斤顶固定在反力横梁上，千斤顶端部设有球铰，保证柱顶自由转动。梁端采用两个20t液压千斤顶，并联保持同步加载。

（1）球铰与试件盖板的连接

由于模拟框架中柱节点受力状态，为避免柱产生弯矩在试件上下端均采用球铰连接，试件上部盖板与500t千斤顶之间由千斤顶配套的球铰贴紧，依靠加载时的摩擦力限制试件滑出平面内。

（2）框架梁与千斤顶的连接

框架梁端和千斤顶的连接装置的设计既要保证连接装置可以左右自由转动，同时又能避免构件不发生平面外失稳，根据试验要求设计了单向铰装置。单向铰由两部分组成，一部分是与框架梁端相连的卡具，另一部分是与千斤顶连接的铰接法兰，两部分由钢销连接在一起。

5结论

直到抗弯试验结束，试件均没有因为抗剪环的破坏而导致节点的破坏，说明焊接长度为钢管周长1/3的抗剪环可以很好的传递剪力和弯矩。抗剪环上包裹的CFRP没有影响抗剪环传递弯矩和剪力的效果。由于各试件间框架梁和环梁的配筋率不同，试验结束后所测得各试件梁、柱的极限承载力也各不相同。

所有的试件均是抗剪环正上方混凝土完全破坏；有些试件抗剪环有断裂现象，但断裂是因为抗剪环筋未焊接在钢管壁上与钢管成为整体，导致钢筋剪切破坏，并不是在焊缝处破坏，说明焊接长度为周长1/3的抗剪环可以很好的传递剪力；有些抗剪环在未焊接处出现弯曲现象，在试验时表现出很大的延性，说明用抗剪环传递弯矩和剪力的这种节点形式有很好的延性。

综上所述，该节点钢管、碳纤维和环梁纵筋可以很好地协同工作，并且未完全焊接的抗剪环传递弯矩和剪力是安全可靠的。

参考文献

[1]韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2]王庆利,牛献军,冯立明.圆CFRP钢管混凝土压弯构件滞回性能的参数分析与恢复力模型[J].工程力学,2017,34(增刊):159-166.

[3]王庆利,张永丹,赵春雷.CFRP钢管混凝土核心轴压短柱静力性能研究[J].沈阳建筑大学学报,2005,21(4):289-292.

[4]王庆利,王金鱼,张永丹.圆截面CFRP-钢管砼轴压短柱静力性能研究[J].沈阳建筑大学学报,2005,21(3):185-188.

[5]王庆利,顾威,赵颖华.CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱试验研究[J].土木工程学报,2005,38(10):44-48.