杭州西站桥建合一承轨层复杂关键节点抗震性能试验研究.pdf
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1、tureofJun.2023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023年6 月Vol.45,No.3第45 卷第3 期工程抗震与加固改造文章编号1002-8412(2023)03-0102-09D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.013杭州西站桥建合一承轨层复杂关键节点抗震性能试验研究熊学炜(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉43 0 0 6 3)【提要针对承轨层复杂关键节点,设计1/8 缩尺试件,并进行低周往复试验和数值分析,以研究其抗震性能。所选节点为左右等高、等跨和左右不等高、不
2、等跨的预应力箱梁-钢管混凝土柱节点JD-1和JD-2。由于箱梁宽度大于柱宽,故节点区增设柱帽,梁腹板内纵筋及预应力筋从节点两侧柱帽穿过。对节点的承载力、刚度、延性、耗能能力及钢筋和预应力筋应力、应变进行分析。研究结果表明:节点JD-1和JD-2分别主要表现为梁端弯曲破坏和上柱端部压弯破坏,均达到了强节点弱构件的设计目的;从节点的滞回性能、承载力退化规律、延性及耗能能力等可以看出其具有良好的抗震性能。【关键词承轨层;节点;抗震性能;钢管混凝土柱;预应力梁;低周往复试验中图分类号TU352.1*1文献标识码 AStudy on seismic performance of complex key
3、joints in integrated station-bridge structHangzhou West StationXiong Xue-wei(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd,Wuhan 430063,China)Abstract:In view of the complex key nodes of rail bearing layer in practical engineering,1/8 scale specimens are designed to study theseismic performanc
4、e through low cycle reciprocating load test and numerical analysis.The selected joints are JD-1 and JD-2prestressed box girder-concrete-flled steel tubular column joints with equal height and span and equal height and span.As the width ofbox girder is larger than the width of column,the column cap i
5、s added to the joint area.The longitudinal bars and prestressed bars inthe web pass through both sides of the joint column cap.Based on the low cycle reciprocating load test,the bearing capacity,stiffness,ductility,energy dissipation capacity and stress and strain of steel bar and prestressed bar ar
6、e analyzed.The results show that the jointsJD-1 and JD-2 mainly exhibit bending failure at the beam end and bending failure at the upper column end,respectively,whichachieve the design purpose of strong joints and weak members.It can be seen that the joint has good seismic performance from itshyster
7、etic performance,degradation law of bearing capacity,ductility and energy dissipation capacity.Keywords:intergrated station-bridge structure;node;seismic performance;concrete-filled steel tube column;prestressed beam;lowcyclereciprocation testE-mail:近年来新建的特大型站房中承轨层大多采用桥建合一的结构形式,承轨层是整个站房结构中,荷载最为复杂的部分
8、一需要直接承受列车运行产生的荷载,它与一般房建结构有诸多不同。承轨层结构设计需同时满足铁路桥梁结构和建筑结构的规范,其结构重要性对于行车安全、站房结构和旅客舒适不言而喻。而承轨层的梁柱节点又是确保承轨层梁收稿日期2022-02-24柱安全的重要部位,如何确保节点具备足够的强度和较好的延性至关重要。程文壤等 报道了6 个钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土梁连接节点在往复荷载作用下的试验,研究结果表明,开穿筋小圆孔的节点抗震性能最好;李惠等 2 通过轴压试验研究了该类构造形式的可靠性,试验结果表明:核心区竖向承载力大于柱身竖向承载力,构造连接可靠;聂建国等 3 开展了3 个外环板式钢管混凝土叠合柱-钢筋
9、混凝土梁连接节点的梁端往Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.2023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023Vol.45,No.3103.熊学炜:杭州西站桥建合一承轨层复杂关键节点抗震性能试验研究第45 卷第3 期复加载试验,研究结果表明:外环板式节点均发生梁端破坏,实现“强节点、弱构件”的设计原则,环板的形式对该类节点的承载力与破坏形态等无明显影响。对于杭州西站等相关大型站房,其桥建合一的承轨层结构中采用预应力混凝土箱型梁与型钢混凝土柱,承轨梁受力钢筋及预应
10、力筋布置在箱梁腹板区域。因梁宽大于柱宽,需在梁柱相交的节点区域增设柱帽,以保证传力的合理性。由于此做法可保证梁腹板范围内的纵向钢筋和预应力筋不与柱十字钢骨相碰,因此增加了施工的便捷性且保证预应力钢筋线型的精确。但是箱梁腹板在柱宽范围之外,柱帽是否能够保证梁、柱之间的可靠传力,这种构造形式的节点抗震性能 4 如何等均未知,故需对此关键复杂节点进行抗震性能研究。针对目前国内外对承轨层节点方面研究 5 的不足,本文以杭州西站为研究对象,根据缩尺节点试验数据,结合有限元分析,对实现承轨层结构“强柱弱梁、强节点弱杆件”提出了有针对性的实质建议和借鉴(见图1)。柱帽一柱帽(a)(b)图1承轨层梁柱节点柱帽
11、Fig.1Column cap for beam-column joints on integratedstation-bridge structure1试验概况1.1试件设计按照1:8 的缩尺比例模拟实际工程节点,设计了2 个试件(编号分为JD-1、JD-2)。试件基本尺200钢管混凝土柱预应力钢筋混凝土梁节点90920141112591451413142014114停141213501414二二钢管混凝土叠合柱9909987.5525275.%2987.5(a)基本尺寸4004004001005盒141005142142650/100(4)业6 0 5 0/10 0(4)9650/100(
12、4)4业64业644业68988业84业68业84业6*46491451440142-47(109,40.54,0.1,0.5,0.1)2-47(109,4054.0.1,0.5,0.1)2-47(81.40,54.0.1,0.6.0.1)(b)1-1(c)2-2(d)3-3400275水8 0 162914M3,L=15,1008$650/100(4)业6 5 04468业8H24金696459142002-407(81.40.54,0.10.6.0.1)(e)4-4(f)5-5(g)型钢2752754002008业16169880168416业6 5 0260500605060026050
13、(h)6-6(1)7-7G)8-8(k)9-9图2试件JD-1尺寸Fig.2SpecimenJD-1Jun:Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023.1042023年6 月工程抗震与加固改造寸、构造和参数情况如图2 和图3 所示,其中试件JD-2上下柱及节点截面与试件JD-1相同,图3 中从略。其中JD-1为左右等高、等跨预应力混凝土箱梁-钢管混凝土柱节点,JD-2为左右不等高、不等跨预应力混凝土箱梁-钢管混凝土柱节点。2 个试件构造相似,左右梁截面为箱型梁(如1-1截面),靠近节点处的梁截面为实心截面(如2-2 截面);下柱底
14、部为型钢混凝土截面(如5-5 截面),向上延伸为钢管混凝土截面(如7-7 截面),其中为了防止型钢混凝土柱转向钢管混凝土柱的刚度突变,在其两种截面之间设置过渡截面(如6-6 截面);为了便于梁腹板内纵筋及预应力筋的穿人,在节点处设置柱帽(如8-8 截面);上柱截面为钢管混凝土截面(如9-9 截面)。200钢管混凝土柱预应力钢筋混凝土梁-节点2盒141112501450141314201443431501412135盒1414二钢管混凝土叠合柱100Z70100(a)基本尺寸40040040010010059145014281426850/100(4)06050/100(4)06050/100(
15、4)8业6862-407(109.68.54.0.1.0.5.0.1)012处88988082-5(L1.137.5.137.5)245(L1.137.5,137.5)8065业1452145盒142-447(81.40.54,0.1.0.5,0.1)2-47(81.40.54.0.1.0.5.0.1)2-247(169.4d.109.0.1.0.5.0.1)(b)1-1(c)2-2(d)3-34002鱼14鱼6.0 5 0/10 0(4)8业612d82-4*7(109.68,54,0.1.0.5,0.1)59142-207(169.40.109.0.1.0.5.0.1)(e)4-4图3试件
16、JD-2尺寸Fig.3Specimen JD-21.2试件制作及材性本次试验构件混凝土分两批次进行浇筑,其中梁采用C45混凝土,柱采用C50混凝土。1.3试验装置及加载制度本次试验采用低周往复荷载试验 6 的方法,对设计试件的抗震性能进行研究。如图4所示,柱顶通过反力架上的刚性横梁限制柱的侧移,柱底用限制底座防止节点发生整体侧移,从而形成柱两端铰接、梁两端自由的力学模型。柱顶千斤顶通过反力梁反作用于柱顶,梁端通过千斤顶施加反对称荷载,同时设置侧向支撑来防止加载过程中构件的侧转失稳。根据实际要求的轴压比(0.3 2)首先进行柱顶轴力加载,然后对梁端反对称施加竖向往复荷载,屈服前按荷载控制分级加载
17、,试件屈服后,以屈服位移的整倍数进行位移控制加载。每级位移下进行3 次循环加载,直到试件破坏(构件在该循环下达到的最大承载力下降至极限承载力的8 5%及以下),则停止加载。试验加载制度如图5 所示。刚性横梁(侧向支撑)转轴限制底座(a)(b)图4试验装置Fig.4Experimental unit1.4测点布置及测量方案试验采用位移计和电阻应变片量测试件的变形2023Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45,No.105.熊学炜:杭州西站桥建合一承轨层复杂关键节点抗震性能试验研究第45 卷第3 期荷载(kN)位移(mm)43
18、4荷载控制加载1-44位移控制加载图5加载制度Fig.5Loading system特征。测点布置如图6 所示 6 。试验中的测试内容如下:(1)梁加载端荷载和位移;(2)节点核心区附近梁端和柱端钢筋(钢管)应变;(3)试验中采用裂缝放大镜测量混凝土上的裂缝宽度。W1木W2W3W4图6 试件位移计布置位置Fig.6Position of displacement gauge2试验结果及分析2.1试件破坏过程及破坏形态2.1.1JD-1破坏过程为便于试验现象的描述,对于JD-1,规定以左梁受到向下的荷载和位移以及右梁受到向上的荷载和位移为正。JD-1破坏过程如图7 所示。前期进行力控制加载,当加
19、载至3 0 kN正向循环后,左梁距节点区420mm处(箱梁实心和空心截面相交处)上部和右梁距节点区2 2 0 mm处下部各出现一条竖向弯曲裂缝见图7(a),宽度分别为0.0 2 mm和0.0 1mm;加载至40 kN时,节点区开始出现斜裂缝。当加载至5 0 kN反向循环后,右梁上部距节点区440 mm处出现宽度约0.0 2 mm的前后面贯通裂缝见图7(b)。随后裂缝开始增多、弯曲裂缝出齐。试件屈服后,以正向14mm(屈服荷载为106.3kN)、反向18 mm(屈服荷载为12 1kN)为屈服位移对JD-1进行位移加载控制。加载至2 Ay正向第一循环后,左右梁上竖向裂缝向斜裂缝方向转变,同时节点区
20、交叉斜裂缝增多见图7(c);3 y 正反向第一循环加载过程中,右梁侧面靠近节点区出现纵向(劈裂)裂缝见图7(d);加载至4y反向第一循环后,节点区柱帽部分出现主斜裂缝见图7(e);加载至5 Ay正向第一循环后,左梁混凝土压碎剥落严重,同时节点区交叉斜裂缝宽度增大,也开始出现混凝土剥落现象;加载至5 y反向第一循环后,左右梁靠近节点区下部混凝土剥落严重见图7(f),荷载下降至极限荷载的8 5%以下,停止加载。JD-1梁端首先出现塑性铰并耗能,然后上柱钢管开始屈服,最后节点区箍筋、钢管屈服参与耗能。最终的破坏主要为梁端弯曲破坏、节点区破坏区域小,破坏程度低,属于强节点弱构件破坏形态。(a)首次出现
21、裂缝(b)右梁上部前后两面裂缝贯通(c)竖向裂缝向斜裂缝方向转变(d)右梁出现纵向(劈裂)裂缝(e)节点区斜裂缝增多()左右梁端混凝土破坏严重图7试件JD-1试验破坏过程Fig.7Failureprocess of specimenJD-1Jun.Earthquake Resistant EngineeringandRetrofitting2023.1062023年6 月工程抗震与加固改造2.1.2JD-2破坏过程JD-2加载方向的规定与JD-1相同。JD-2破坏过程如图8 所示。前期进行力控制加载,当加载至40 kN反向循环后,左梁靠近节点区正面下部出现第一条裂缝见图8(a),宽度约0.02
22、mm;当加载至8 0 kN正向循环后,节点区交叉斜裂缝增多见图8(b),宽度在0.0 3 0.0 6 之间;当加载至9 0 kN反向循环后,右梁顶部距节点区400mm处出现贯通裂缝见图8(c),宽度为 0.2 mm。试件屈服后,以正向14mm(屈服荷载为78.1kN)、反向17 mm(屈服荷载为9 5.6 kN)为屈服位移对JD-2进行位移加载控制。加载至2 y正向第一循环后,左右梁竖向弯曲裂缝向斜裂缝方向转变 见图8(d),同时节点区交叉斜裂缝继续增多;加载至4y正向第一循环后,左梁正面侧边靠近节点区出现纵向裂缝见图8(e);加载至4Ay正向第二循环后,左梁靠近节点区下部混凝土部分压碎破坏见
23、图8(f),同时发现上柱钢管底部被拉断见图8(g),荷载下降至极限荷载的8 5%以下,停止加载,试验结束。JD-2首先上柱钢管开始屈服并耗能,然后梁纵筋开始屈服梁端塑性铰参与耗能,最后上柱钢管由于疲劳破坏被拉断。节点区较完好,破坏程度较小,也为强节点弱构件破坏形态。2.2滞回曲线试验得到的荷载-位移滞回曲线如图9 与图10所示。加载初始阶段,节点处于弹性工作状态,加载曲线大致为一条直线,且加载和卸载路径基本重合,滞回环狭长。随着加载级别的增大,由于裂缝的开展以及混凝土进入塑性,梁端荷载卸载为零后,裂缝不能完全闭合,位移无法回零。往复加卸载后,节点内部发生内力重分布,滞回曲线斜率开始变小。但是,
24、试件屈服以前,滞回环包围面积小,耗能很少,卸载后残余变形很小。试件屈服之后,每级加载的第二、三次循环的加载曲线与上一次相比,曲线峰值点和曲线斜率均有所降低(不再重复上一次加载路径);卸载曲线与上一次也有不同,荷载完全卸除之后,残余位移随着循环次数的增加依次增大。由于正向荷载的残余变形,反向加载时,加载曲线与上一级反向加载曲线相比刚度有很大降低;随着循环位移级别的增大,加载(a)左梁首次出现裂缝(b)节点区交叉斜裂缝(c)右梁顶部贯通裂缝(d)竖向裂缝转变为斜裂缝(e)左梁纵向劈裂裂缝()左梁底部混凝土压碎破坏钢管疲劳破坏(g)上柱底部钢管被拉断图:试件JD-2试验破坏过程Fig.8Failur
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