賈金青，李　勇，劉　偉

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

軸壓比對SRHC柱-RC梁框架邊節(jié)點抗震性能試驗研究

賈金青，李勇，劉偉

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

摘要：為研究軸壓比對型鋼超高強混凝土柱-鋼筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架邊節(jié)點抗震性能影響，通過對3個試件進行擬靜力加載試驗，得到了試件在低周反復(fù)荷載作用下的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、延性性能及耗能能力。試驗結(jié)果表明軸壓比對試件的破壞形態(tài)有著顯著的影響，軸壓比為0.25時，試件發(fā)生延性較好的梁端塑性鉸區(qū)破壞；軸壓比為0.38時，試件發(fā)生節(jié)點核心區(qū)剪切破壞并伴隨梁端形成塑性鉸；軸壓比為0.45時，試件破壞過程明顯縮短，發(fā)生典型的節(jié)點核心區(qū)脆性破壞；試驗軸壓比為0.25時，試件的滯回環(huán)飽滿程度較為理想，骨架曲線下降段較平緩，軸壓比提高到0.38時，位移延性系數(shù)降低幅度高達53%，同時等效黏滯阻尼系數(shù)也相應(yīng)的降低了20%左右，說明試驗軸壓比越大，試件的延性性能越弱，抗震耗能能力越差。

關(guān)鍵詞：型鋼高強混凝土；邊節(jié)點；破壞形態(tài)；延性；耗能能力

高強混凝土作為現(xiàn)代工程中混凝土的發(fā)展趨勢，具有強度高、耐久性好、徐變小的特點[1]。但是高強混凝土的高脆性嚴重影響了其受力性能，高強混凝土不僅相對抗拉強度低，而且在壓力作用下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎沒有下降段，導(dǎo)致高強混凝土容易發(fā)生脆性破壞，從而限制其使用[2]。為解決高強混凝土的脆性問題，國內(nèi)外工程人員嘗試將實腹型鋼內(nèi)置于高強混凝土中，形成型鋼高強混凝土(SRHC)組合結(jié)構(gòu)[3]。這種結(jié)構(gòu)充分利用型鋼抗拉性能和高強混凝土抗壓性能，從而使兩種材料組合成的結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能。然而節(jié)點區(qū)域受力又極為復(fù)雜，它不僅承受著柱軸向荷載的作用，還承擔著梁柱連接處的彎矩和剪力，所以，要設(shè)計出構(gòu)造合理、施工方便的節(jié)點形式就必須要搞清楚節(jié)點核心區(qū)的受力性能和破壞機理。因此，國內(nèi)科研人員已經(jīng)開始進行這種組合結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震性能的試驗研究[4-6]。但我國現(xiàn)行規(guī)范《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7](JGJ138-2001)和《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8](YB9082-2006)中規(guī)定混凝土強度等級最高為C80，現(xiàn)行規(guī)范顯然對C100級型鋼高強混凝土結(jié)構(gòu)不適用，這勢必影響該結(jié)構(gòu)體系在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展。因此，本文通過對型鋼超高強混凝土柱-鋼筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架邊節(jié)點模型進行低周反復(fù)加載試驗，分析在節(jié)點配箍率、型鋼混凝土柱含鋼率相同的情況下，重點研究試驗參數(shù)軸壓比對節(jié)點核心區(qū)破壞形態(tài)、滯回性能、延性及耗能能力的影響，以期為SRHC柱-RC梁框架邊節(jié)點的進一步研究和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1試驗概況

1.1　試驗設(shè)計

參考已有組合結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能試驗研究方法[9-10]，并結(jié)合本次試驗的目的，研究柱軸壓比對型鋼超高強混凝土柱-鋼筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架邊節(jié)點模型抗震性能的影響，共制作3個截面尺寸相同的SRHC柱-RC梁框架邊節(jié)點模型，試件主要參數(shù)見表1，試件尺寸及配筋情況見圖1。

表1　試件主要參數(shù)

圖1試件尺寸及配筋圖(單位：mm)

1.2　加載方案與測點布置

本次試驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室中進行，試件采用梁-柱加載的方式，試驗時試件的柱頂和柱腳均用型鋼鋼板固定，以免發(fā)生在柱軸向荷載作用下柱頂和柱腳的局部壓碎；試件加載時柱頂用3 000 kN液壓千斤頂施加在柱頂平板鉸支座上；為了放松柱腳的轉(zhuǎn)角約束，在柱腳同樣設(shè)置平板鉸支座；梁自由端低周反復(fù)荷載的施加方法參照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》[11](JGJ101-96)中關(guān)于擬靜力試驗的相關(guān)加載規(guī)定，采用300 kN液壓千斤頂逐漸分級施加，具體加載制度如圖2所示，試件加載裝置及測點布置如圖3所示。

圖2試驗加載制度

2試驗結(jié)果分析

2.1　試件破壞過程分析

試驗中3個試件發(fā)生了不同的破壞形式：試件SRHC-RC-1發(fā)生了梁端塑性鉸區(qū)彎曲破壞，試件SRHC-RC-2發(fā)生了節(jié)點核心區(qū)剪切破壞并伴隨梁端塑性鉸產(chǎn)生，試件SRHC-RC-3破壞前無明顯征兆，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。各個試件的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4試件破壞形態(tài)

(1) 試件SRHC-RC-1梁端塑性鉸區(qū)彎曲破壞

隨著梁自由端反復(fù)荷載的逐漸增大，梁柱連接處開始產(chǎn)生細小的豎向彎曲裂縫，此時裂縫寬度很小，裂縫的產(chǎn)生屬于梁柱連接處混凝土保護層的破壞。隨著梁端反復(fù)荷載的逐漸增大，梁端塑性鉸區(qū)域開始交替出現(xiàn)較多的豎向裂縫，原有細小豎向彎曲裂縫不斷發(fā)展形成交叉斜裂縫。梁端荷載的進一步增大，梁上裂縫的范圍也由梁柱連接端不斷向梁自由端擴展，并不斷出現(xiàn)新的裂縫，而試件節(jié)點核心區(qū)并沒有出現(xiàn)明顯的開裂情況。繼續(xù)加載，梁柱連接處的轉(zhuǎn)角逐漸增大，梁端開始形成塑性鉸，進入塑性變形狀態(tài)，此時荷載大部分由梁端塑性鉸承擔。梁端屈服進入位移循環(huán)后，梁柱連接處梁上表面混凝土輕微壓碎。當接近極限荷載后，梁柱連接處混凝土開始大塊剝落，主筋外露，梁端承載力明顯降低。試件宣告破壞，試驗結(jié)束。但此時節(jié)點核心區(qū)混凝土只是出現(xiàn)一些微小的裂縫并沒有影響柱的承載力。完全卸載后，節(jié)點核心區(qū)殘留的裂縫寬度很小，而且裂縫都是斷斷續(xù)續(xù)的，并沒有完全貫通。根據(jù)試驗測得梁端箍筋應(yīng)變值可知，梁端塑性鉸區(qū)鋼筋達到極限應(yīng)變導(dǎo)致試件破壞，而節(jié)點核心區(qū)仍處于正常工作狀態(tài)。

(2) 試件SRHC-RC-2節(jié)點核心區(qū)剪切破壞并伴隨梁端形成塑性鉸

加載初期，梁柱連接處出現(xiàn)細小的豎向彎曲裂縫，卸載后原有裂縫閉合。梁端荷載逐漸增大，梁上下表面交替出現(xiàn)較多的豎向裂縫，此時節(jié)點核心區(qū)也開始出現(xiàn)一些微小的交叉斜裂縫。梁端荷載逐漸增大，節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)明顯的雙向交叉斜裂縫，將核心區(qū)混凝土分成若干個菱形小塊，呈現(xiàn)明顯的剪切受力狀態(tài)，梁柱連接端原有裂縫不斷斜向發(fā)展，轉(zhuǎn)角逐漸變大，形成塑性鉸。循環(huán)荷載的進一步增大，交叉斜裂縫開始貫通，節(jié)點區(qū)混凝土分擔的節(jié)點剪力基本喪失，試件的抗剪承載力主要由節(jié)點核心區(qū)型鋼腹板承擔，在這個過程中，梁端塑性鉸區(qū)裂縫發(fā)展緩慢。型鋼腹板屈服后，試件承載力仍可繼續(xù)增大。節(jié)點核心區(qū)混凝土裂縫進一步交叉貫通，裂縫寬度明顯加大，節(jié)點核心區(qū)混凝土開始出現(xiàn)輕微的剝落現(xiàn)象。當達到極限荷載時，柱端承載力顯著下降，節(jié)點核心區(qū)混凝土剝落現(xiàn)象嚴重，并有部分柱筋鼓出，此時試件宣告破壞，試驗結(jié)束。

(3) 試件SRHC-RC-3節(jié)點核心區(qū)顯著脆性破壞

由于軸壓比較高，柱子承受的荷載較大，試件在屈服前就發(fā)生了節(jié)點核心區(qū)破壞。破壞過程明顯縮短，并沒有出現(xiàn)試件SRHC-RC-1、試件SRHC-RC-2所具有的彈性、屈服、極限和破壞四個階段，且破壞前無明顯征兆，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征。試件SRHC-RC-2、試件SRHC-RC-3均發(fā)生節(jié)點核心區(qū)的剪切破壞，而且節(jié)點核心區(qū)裂縫形態(tài)均以“X”形交叉貫通斜裂縫為主，但由于試件SRHC-RC-3試驗軸壓比較高，過大的軸向荷載使得節(jié)點核心區(qū)承受的斜向壓力過大，導(dǎo)致節(jié)點核心區(qū)混凝土在梁端及節(jié)點區(qū)箍筋屈服前就已經(jīng)達到了極限壓應(yīng)變而導(dǎo)致斜向壓碎。

2.2　滯回曲線特征及變化規(guī)律

滯回曲線是試驗過程中得到的節(jié)點在反復(fù)荷載作用下的荷載-位移曲線。本次試驗得到的試件滯回曲線為梁自由端加載點與其豎向位移的關(guān)系曲線，它能夠反映出試件的延性和耗能能力、強度退化、剛度退化等特性。本次試驗各試件滯回曲線如圖5所示。

圖5試件滯回曲線

從圖5中可以看出：

(1) 試件SRHC-RC-1、試件SRHC-RC-2、試件SRHC-RC-3在加載初期，未達到混凝土的開裂荷載，試件滯回曲線在加載和卸載循環(huán)過程中沿直線變化，沒有產(chǎn)生殘余變形，當超過混凝土開裂荷載后，滯回曲線開始出現(xiàn)較小的殘余變形，但整個試件仍處在彈性受力范圍內(nèi)，構(gòu)件承載力主要由混凝土承擔；

(2) 軸壓比是影響試件抗震性能的主要因素之一，試件SRHC-RC-1的軸壓比較小，其滯回曲線比較飽滿，該試件的強度在下降不明顯的情況下，梁自由端能夠承受較多的位移加載循環(huán)，具有較大的極限變形能力、較好的延性性能，隨著軸壓比的增大，試件的延性性能顯著降低；

(3) 相對于鋼筋高強混凝土[12]節(jié)點，SRHC柱-RC梁節(jié)點模型的滯回環(huán)飽滿程度較為理想，其具有較好的抗震耗能能力，但SRHC柱-SRHC梁節(jié)點[13]和純鋼節(jié)點[14]試件相比，SRHC柱-RC梁節(jié)點試件滯回曲線捏縮現(xiàn)象卻比較嚴重，延性和耗能能力相對較差；

(4) 高軸壓比作用下，試件SRHC-RC-3在梁端屈服前由于節(jié)點核心區(qū)混凝土承受的相對名義剪應(yīng)力[15]較大，使得核心區(qū)混凝土過早的被壓碎，導(dǎo)致該節(jié)點在沒有明顯預(yù)兆的情況下發(fā)生剪切脆性破壞，達不到預(yù)期的抗震能力，不滿足構(gòu)件延性的設(shè)計要求。

2.3　骨架曲線特征及其變化規(guī)律

試件在低周反復(fù)荷載作用下將其滯回曲線各峰值點用較平滑的曲線連接起來即可得到該試件的骨架曲線。它是研究試件抗震性能的重要基礎(chǔ)，運用骨架曲線可以準確的反映出試件在地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況及破壞發(fā)展情況，同時試件的延性性能還能夠得到較為直觀的體現(xiàn)。試件SRHC-RC-1、試件SRHC-RC-2的骨架曲線如圖6所示。由于試件SRHC-RC-3試驗軸壓比為0.45，設(shè)計軸壓比接近0.9，軸壓比較高，柱承受的荷載較大，在試件屈服前就已經(jīng)發(fā)生節(jié)點核心區(qū)的脆性破壞，因此無法從其滯回曲線中獲取骨架曲線，也不能進一步分析其延性和耗能性能。從圖6中可以看出：

圖6試件骨架曲線

(1) 軸壓比對試件的延性和耗能能力有著顯著的影響，隨著軸壓比的增加，反映在試件骨架曲線上的屈服平臺段長度急劇變短，下降段也變得十分陡峭，當試件承受的荷載達到極限值后，其抵抗變形的能力顯著下降，脆性性能逐漸顯現(xiàn)，抗震延性開始變差；

(2) 試驗SRHC柱-RC梁節(jié)點試件的骨架曲線與鋼筋超高強混凝土節(jié)點相比，其下降段較長并較為平緩，在大變形階段仍能保持較好的延性性能和耗能能力，但與型鋼混凝土節(jié)點相比，由于超高強混凝土的高脆性，使得其骨架曲線的上升段和下降段都較為陡峭，因而其延性性能和耗能能力相對較差。

2.4　延性及耗能能力

衡量試件抗震延性性能最重要的指標是延性系數(shù)，它直接體現(xiàn)了試件延性性能的好壞。根據(jù)試驗中測點的布置特征，本文采用位移延性系數(shù)μΔ來研究節(jié)點的延性特征，其計算公式如下[16]：

式中：Δu為節(jié)點試件的極限位移；Δy為節(jié)點試件的屈服位移。

耗能能力是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標，而等效黏滯阻尼系數(shù)he是試件耗能能力的衡量標準，其定義為[17]：

式中：E1為試件達到極限荷載時滯回環(huán)的面積；E2為試件達到極限荷載時所具備的彈性變形能力，按照下式確定：

由上述計算公式得到的μΔ和he的計算結(jié)果分別見表2、表3。

表2　位移延性系數(shù)

表3　等效黏滯阻尼系數(shù)

由表2、表3可知，試件的軸壓比越大，其位移延性系數(shù)和等效黏滯阻尼系數(shù)越小，究其原因是因為隨著試件軸壓比的增大，分布在節(jié)點核心區(qū)截面上的主壓應(yīng)力逐漸變大，過早的達到核心區(qū)混凝土的極限壓應(yīng)變，導(dǎo)致試件延性變差。進而說明低軸壓比試件具有更好的延性及耗能能力。

試件SRHC-RC-1的延性系數(shù)要比試件SRHC-RC-2的延性系數(shù)大很多，說明軸壓比是影響試件延性的主要因素之一。試件的延性系數(shù)越高，抵抗變形的能力越強，在地震荷載作用下不會產(chǎn)生脆性破壞，并可利用構(gòu)件的塑性變形能力來耗散地震能量。

3結(jié)論

本文通過對3個軸壓比不同的型鋼高強混凝土柱-鋼筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架邊節(jié)點試件模型進行低周反復(fù)加載試驗，得到如下結(jié)論：

(1) 不同的軸壓比對試件的破壞形態(tài)影響較為顯著：試件SRHC-RC-1的軸壓比為0.25，經(jīng)歷若干個位移循環(huán)加載后，試件梁端塑性鉸區(qū)達到極限承載力而發(fā)生彎曲破壞；試件SRHC-RC-2的軸壓比為0.38，試件屈服進入彈塑性階段后，節(jié)點核心區(qū)混凝土壓碎，柱筋壓屈，節(jié)點核心區(qū)發(fā)生剪切破壞并伴隨梁端塑性鉸產(chǎn)生；試件SRHC-RC-3的軸壓比為0.45，由于軸壓比較高試件破壞過程明顯縮短，裂縫擴展加劇，試件延性很差，發(fā)生典型的節(jié)點核心區(qū)脆性破壞；

(2) 軸壓比對試件SRHC柱-RC梁邊節(jié)點抗震性能有著顯著的影響：軸壓比小的試件，其滯回環(huán)呈飽滿穩(wěn)定的梭形，而且能夠承受較多的位移循環(huán)，極限變形較大其延性和耗能能力相對較好；隨著軸壓比的提高，試件的延性降低、等效黏滯阻尼系數(shù)減小，抗震耗能性能逐漸變差。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.001

收稿日期：2015-03-14修稿日期：2015-05-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目資助(51178078)

作者簡介：賈金青(1962—)，男，河北滄州人，教授，博士，主要從事型鋼超高強混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能分析工作。E-mail:keyknown@163.net

中圖分類號：TU375.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144(2015)04—0001—05

Experimental Study on the Effect of Axial Compression Ratio on the Aseismic Behavior of SRHC Column and RC Beam Frame Side Joints

JIA Jinqing, LI Yong, LIU Wei

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

Abstract：In order to study the effect of axial compression ratio on the seismic behavior of frame side joints of the steel reinforced high-strength concrete (SRHC) column and reinforced concrete (RC) beam, static loading tests were conducted on 3 joint specimens, through which the failure patterns, hysteretic curve, frame curve, ductility and energy dissipation of the specimens under low-cycle repetitive loading were obtained. The results showed that, the axial compression ratio had a significant impact on the failure patterns of the specimens, when the axial compression ratio reached 0.25 the plastic hinge failure occurred at the beam ends with better ductility; when the ratio reached 0.38, shear failure occurred at the core section of the joints along with the plastic hinge failure at the beam ends; when the ratio reached 0.45, the failure process shortened significantly, and shear failure occurred at the core section of the joints. It is found that when the ratio was 0.25, the hysteretic loop presented an ideal full curve, the frame curve descended gently; while when the ratio was 0.38, the displacement ductility coefficient decreased 53%, and the equivalent viscous damping coefficient decreased 20%. These results indicate that the higher the axial compressive ratio the weaker the ductility and therefore the worse the aseismic energy dissipation of the specimens.

Keywords:Steel Reinforced High-strength Concrete(SRHC); frame side joints; failure pattern；ductility; energy dissipation