曾　磊， 吳園園， 張　地， 崔振坤， 龔倩倩

(1.長江大學 城市建設學院，湖北 荊州　434023; 2.華中科技大學 建筑與城市規(guī)劃學院，武漢　430074)

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鋼骨混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點抗震性能試驗研究

曾磊1， 吳園園1， 張地2， 崔振坤1， 龔倩倩1

(1.長江大學 城市建設學院，湖北 荊州434023; 2.華中科技大學 建筑與城市規(guī)劃學院，武漢430074)

摘要：為了研究鋼骨混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點的抗震性能，進行了4個T形鋼骨混凝土柱-鋼梁節(jié)點和4個L形鋼骨混凝土柱-鋼梁節(jié)點的擬靜力試驗。試驗考慮了混凝土強度等級、核心區(qū)配箍率和軸壓比等參數的影響，對骨架曲線、承載力、核心區(qū)剪切變形、延性和耗能能力等抗震性能指標進行了分析。結果表明，在低周往復荷載作用下，鋼骨混凝土異形柱-鋼梁框架節(jié)點滯回曲線飽滿，表現出良好的延性性能和耗能能力，典型破壞形態(tài)為節(jié)點核心區(qū)剪切斜壓破壞和節(jié)點區(qū)焊縫失效破壞；高軸壓力下節(jié)點具有較高的承載能力但延性性能降低；混凝土強度越高，節(jié)點承載能力越大，但延性性能越差；增大核心區(qū)配箍率對試件的延性和承載力有明顯的提高，并能改善試件屈服后的耗能能力。

關鍵詞：鋼骨混凝土；框架節(jié)點；擬靜力試驗；抗震性能

鋼骨混凝土柱、鋼梁和組合樓板組成的新型組合結構具有承載能力高、抗震性能好、施工便捷等優(yōu)點，能滿足工程結構大跨、重載的要求，已被大量應用于高層建筑特別是超高層建筑結構中[1-3]。實際工程中，鋼骨混凝土柱的配鋼形式可分為對稱配鋼和非對稱配鋼兩種，建筑的邊柱和角柱采用T形、L形等異形配鋼形式能更好的滿足不均勻受力狀態(tài)。

國內外學者對鋼骨混凝土結構開展了較多研究。Oya等[4-6]進行了鋼骨混凝土異形柱的軸壓、偏壓和抗震性能實驗，提出了鋼骨混凝土異形柱正截面、斜截面承載力計算公式和軸壓比限值，結果表明鋼骨混凝土異形柱具有較高的承載能力和良好的抗震性能；Chou等[7-10]對鋼骨混凝土節(jié)點承載力、受剪機理、抗震性能等進行了深入的研究和總結，形成了較為成熟的設計理論。但相關研究主要集中在鋼骨混凝土異形柱和普通鋼骨混凝土節(jié)點，而對鋼骨混凝土異形柱節(jié)點及結構研究甚少，現行規(guī)程亦未建立相應的設計公式和構造措施[11-12]。

為研究鋼骨混凝土異形柱-鋼梁節(jié)點的抗震性能，本文進行了4個T形柱-鋼梁節(jié)點和4個L形柱-鋼梁節(jié)點的擬靜力試驗，試驗參數為混凝土強度等級、核心區(qū)配箍率和軸壓比，對滯回特性、骨架曲線、承載能力、延性性能、核心區(qū)剪切變形等抗震性能指標進行了對比分析，以期為鋼骨混凝土異形柱結構工程應用提供參考。

1試驗概況

1.1試件設計

按照“強構件，弱節(jié)點”的原則，設計了4個T形柱-鋼梁節(jié)點和4個L形柱-鋼梁節(jié)點，具體設計參數見表1。其中軸壓比n=N/(fcAc+fsAs)，N為柱軸壓力，fc、fs分別為混凝土軸心抗壓強度和鋼材屈服強度，Ac、As分別為柱截面混凝土和鋼骨截面面積。

主要研究混凝土強度等級、核心區(qū)配箍率和軸壓比3個參數對抗震性能和承載力的影響。通過在鋼梁翼緣與柱翼緣連接處設置矩形或L形加勁肋來保證傳力路徑，柱縱向鋼筋與底部端板焊接，箍筋與鋼骨相交處焊接來確保連接可靠，節(jié)點核心區(qū)上下200 mm范圍內箍筋加密。試件幾何尺寸、截面配筋、見圖1。

圖1　試件尺寸與截面配鋼(單位：mm)Fig.1 Specimen dimension and steel details

試件編號混凝土強度核心區(qū)箍筋間距配箍率ρsv/%軸壓比n破壞形態(tài)TJ-1C304Φ4@1000.8250.3焊接失效TJ-2C304Φ4@1000.8250.6剪切斜壓TJ-3C307Φ4@501.6510.3焊接失效TJ-4C604Φ4@1000.8250.6剪切斜壓LJ-1C304Φ4@1000.8250.3焊接失效LJ-2C304Φ4@1000.8250.6剪切斜壓LJ-3C307Φ4@501.6510.3焊接失效LJ-4C604Φ4@1000.8250.6—

注：n=0.3時，N=600 kN；n=0.6時，N=1 200 kN

1.2材料性能

分別采用C30和C60碎石混凝土澆筑試件，縱筋為Ф10HRB335級鋼筋，箍筋為Φb4冷拔鋼絲，柱鋼骨骨架和鋼梁分別采用厚6 mm和8 mm普通熱軋Q235鋼板焊接成型。如表2和表3所示，分別按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)和《金屬材料拉伸試驗標準》(GB/T2281-2010)實測混凝土與鋼材力學性能。

表2　混凝土力學性能

表3　鋼材力學性能

1.3加載方案

考慮P-Δ效應，采用柱端加載方案，加載裝置如圖2所示。由千斤頂施加設計軸壓力并保持穩(wěn)定，然后由作動器施加水平低周往復荷載。依據建筑抗震試驗方法規(guī)程，加載過程采用位移控制，試件屈服前每級位移循環(huán)1次，屈服后以屈服位移為增長倍數，每級位移循環(huán)3次，直到荷載下降至極限荷載的85%時停止加載[13]。

圖2　試驗加載裝置Fig. 2 Test set-up

1.4量測內容

通過荷載-位移傳感器實時采集柱頂水平荷載，由位移計量測柱頂水平位移Δ，試件的層間變形角φ可表示為：

(1)

式中:L1、L2分別為節(jié)點形心至上柱端加載點和下柱端鉸支點的幾何長度，L1=L2=980 mm，位移計布置如圖3所示。

通過設置在梁柱間的斜向45°位移計記錄試件梁、柱的相對斜向線位移δ，由幾何關系可以得出梁、柱塑性鉸區(qū)段轉角θ：

(2)

節(jié)點域在水平剪力作用下產生剪切變形，其矩形核心區(qū)將變化成菱形，如圖4所示。通過電子百分表測得核心區(qū)對角線的伸長或縮短量，按式(3)可得節(jié)點核心區(qū)剪切角。

(3)

在節(jié)點核心區(qū)鋼骨和鋼梁腹板上布置應變花，縱向鋼筋、箍筋和鋼梁翼緣布置應變片，實測試驗過程中各部分的應變情況，應變片布置圖5所示。

圖3 位移計布置Fig.3Layoutofdisplacementtransducers圖4 節(jié)點核心區(qū)剪切變形測量Fig.4Sheardeformationoncorearea

圖5　型鋼和鋼筋應變測量Fig.5 Steel and reinforcement strain measurement

2試驗結果與分析

2.1試驗現象及破壞形態(tài)

如圖6所示，在恒定軸壓力和低周往復荷載作用下，T形柱-鋼梁節(jié)點和L形柱-鋼梁節(jié)點主要有兩種破壞形態(tài)：節(jié)點域剪切斜壓破壞和節(jié)點核心區(qū)焊縫失效破壞。為方便實驗現象描述，將與加載方向平行的柱肢稱為平行肢，與加載方向垂直的柱肢稱為垂直肢。

(1) 核心區(qū)混凝土剪切斜壓破壞

軸壓比較大且節(jié)點核心區(qū)配箍率較小的構件發(fā)生核心區(qū)混凝土剪切斜壓破壞。其具體破壞過程如下：加載初期構件處于彈性階段，無裂縫出現，滯回曲線呈線性關系，殘余變形較?。划斔胶奢d達到極限荷載的30%左右時，累積損傷下構件剛度下降，鋼梁上下翼緣附近混凝土首先出現豎向裂縫。繼續(xù)加載，節(jié)點核心區(qū)混凝土開始出現斜向裂縫；當水平荷載達到極限荷載的50%～80%左右時，核心區(qū)出現多條短細的±45°～60°斜向交叉裂縫，鋼梁上下翼緣附近的混凝土局部壓碎；當達到極限荷載時，核心區(qū)上述短細斜裂縫延伸加寬，形成長寬的X形交叉主斜裂縫，斜裂縫將混凝土分割成多個菱形小塊，垂直肢橫向裂縫向兩邊延伸，形成貫通裂縫；加載后期，核心區(qū)縱筋屈服鋼筋外鼓，鋼骨腹板上的焊接箍筋被拉開，核心區(qū)混凝土大塊脫落，構件承載力急劇下降，承載力下降到破壞荷載時實驗停止。

由于鋼梁與柱鋼骨翼緣等寬，鋼梁翼緣應力由加勁肋傳遞到核心區(qū)，當核心區(qū)鋼骨腹板屈服時，核心區(qū)混凝土與鋼腹板發(fā)生黏結滑移，加劇了核心區(qū)混凝土和鋼骨腹板的破壞過程，試驗后敲掉核心區(qū)殘余混凝土，可以看到節(jié)點核心區(qū)鋼骨腹板明顯曲。

(2) 節(jié)點核心區(qū)焊縫失效破壞

軸壓比較小且節(jié)點核心區(qū)配箍率較大的試件主要發(fā)生節(jié)點核心區(qū)焊縫失效破壞，破壞過程如下：加載初期，試件損傷較小，加卸載曲線重合；當荷載達到極限荷載的30%左右時，柱平行肢混凝土在與鋼梁翼緣相交處出現豎向裂縫；繼續(xù)加載，豎向裂縫向節(jié)點核心區(qū)延伸，同時鋼梁下翼緣處混凝土出現橫向裂縫；當荷載達到極限荷載的60%左右時，核心區(qū)混凝土開始出現30°～60°左右的斜向裂縫；隨著荷載的繼續(xù)增大，斜向裂縫逐漸開展但發(fā)展緩慢，新出現的斜向裂縫與原有的斜向裂縫形成交叉裂縫，平行肢與鋼梁相交處混凝土局部被壓碎。達到極限荷載時，聽到刺耳咔嚓聲，試件的承載力和剛度陡降，荷載下降到極限荷載的85%時宣告破壞。

與發(fā)生核心區(qū)混凝土剪切斜壓破壞的構件相比，發(fā)生此類破壞的試件在節(jié)點核心區(qū)的損傷破壞情況不明顯。試驗完成后敲開混凝土，發(fā)現鋼梁翼緣、腹板與柱鋼骨焊接處撕裂。發(fā)生此種破壞的原因在于：較大的核心區(qū)配箍率為節(jié)點核心區(qū)混凝土提供了較大的橫向約束，在柱頂軸壓力較小的情況下，節(jié)點核心區(qū)混凝土承載力將得到提高。在水平低周荷載反復交替下，核心區(qū)損傷逐步向梁柱交界處鋼骨轉移，鋼梁與柱鋼骨焊縫撕裂，導致梁無法傳遞拉力到節(jié)點中，故發(fā)生此類較為特殊的破壞形態(tài)。

圖6　試件破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of specimens

2.2應變分析

以試件TJ-2(n=0.6)為例，分析節(jié)點核心區(qū)鋼骨、箍筋及加勁肋在不同受力階段的應變情況。

(1) 節(jié)點核心區(qū)鋼骨

圖7為試驗各階段節(jié)點核心區(qū)鋼骨腹板的主應變測試值。加載初期，鋼骨腹板的應變較小，表明此階段混凝土是水平剪力的主要承擔部分；隨著水平荷載的增加，核心區(qū)混凝土出現裂縫，鋼骨與混凝土出現黏結滑移現象，剪力主要由鋼骨腹板和箍筋承擔，型鋼腹板應變逐漸增大；試件屈服時，鋼骨腹板局部屈服；繼續(xù)加載至極限荷載，鋼骨腹板由局部屈服發(fā)展為整體屈服；試件破壞時，由于混凝土的脫落和箍筋的拉開，核心區(qū)抗剪承載力下降，剪力主要由鋼腹板承擔，鋼材進入強化階段，鋼骨腹板充分發(fā)揮其抗剪作用，破壞時主應變方向約45°。

圖7　型鋼腹板主應變及其方向Fig.7 Principal strain and direction of web steel

(2) 核心區(qū)箍筋

加載初期，軸壓力作用下節(jié)點核心區(qū)混凝土產生橫向應變，在柱端水平荷載施加前箍筋的拉應變?yōu)?50～300 με；節(jié)點核心區(qū)混凝土開裂之前，箍筋應變波動不大，表明節(jié)點水平剪力主要由核心區(qū)混凝土和鋼骨承擔；其后，隨著柱端水平荷載的增大，箍筋逐漸體現出其抗剪作用，箍筋應變逐漸增長，試件屈服時，箍筋應變?yōu)? 500～1 670 με；加載至極限荷載時，核心區(qū)混凝土裂縫不斷開展，箍筋應變增長較快，箍筋基本屈服，應變約為1 920～2 240 με；進入破壞階段后，節(jié)點核心區(qū)混凝土通裂后剝落，箍筋應變突增，達到破壞時箍筋的應變基本達到2 450～2 600 με。

(3) 節(jié)點核心區(qū)鋼骨翼緣框

試驗中柱鋼骨貫通，鋼梁與柱鋼骨翼緣外側對焊并在梁上下翼緣處焊接水平加勁板，與柱鋼骨翼緣一起構成封閉的翼緣框。翼緣框在加載初期應變值較小，絕對值為200～350 με，且應變隨水平荷載的反復而拉壓交替；鋼骨腹板屈服前，翼緣框主要起到傳遞梁的內力和約束混凝土的作用，對試件抗剪作用貢獻不大，試件屈服時，翼緣框應變絕對值為500～600 με；試件從屈服到極限荷載的加載過程中，鋼骨腹板和箍筋相繼屈服，翼緣框能承擔一定的剪力，應變較大幅度增長，達到絕對值為1 100～1 250 με；到達破壞荷載時，翼緣框部分達到屈服，部分焊接撕裂，應變絕對值為1 350～1 500 με。

2.3滯回曲線

圖8為實測的柱頂水平荷載-位移滯回曲線，試件LJ-4由于設備原因導致試驗失敗，對比分析發(fā)現試件具有以下滯回特征：

加載初期，試件處于彈性階段，滯回曲線基本沿直線循環(huán)，卸載后殘余變形較小；隨著荷載的增加，試件進入彈塑性階段，曲線逐漸偏離直線，鋼與混凝土間存在一定的滑移，混凝土開始出現剪切裂縫和局壓裂縫，卸載時有一定的殘余變形，滯回環(huán)面積逐漸增大，承載力無明顯退化；隨著加載位移的增大，試件進入塑性階段，核心區(qū)的縱筋和箍筋屈服，節(jié)點核心區(qū)混凝土裂縫增多、寬度增大，試件的強度和剛度退化明顯，滯回曲線逐漸向橫軸傾斜；達到極限荷載之后，節(jié)點的承載力明顯下降。整個加載過程中滯回環(huán)均呈梭形，表明試件具有良好的耗能能力。

2.4骨架曲線及承載能力

各試件的骨架曲線如圖9所示。采用等效能量法確定試件屈服點，取荷載下降至極限荷載的85%時作為破壞點。表4列出了各試件特征點的試驗值，其中Py為屈服荷載；Δy為屈服位移；Pmax為極限荷載；Δmax為極限荷載對應位移；Pu為破壞荷載；Δu為破壞位移。

由試件TJ-1和TJ-3可知，軸壓比大的試件初始剛度較大，極限承載力也較大，但下降段較陡峭，承載力衰減更快。這是因為較大的軸向力對核心區(qū)混凝土有較大的約束作用，加強了核心區(qū)的斜壓桿作用，增大了混凝土塊體之間的裂面效應，在一定范圍內提高了節(jié)點核心區(qū)承載能力。但較大的軸壓力使得水平荷載增大至極限荷載時，試件破壞突然，導致試件延性變差。

圖8　試件滯回曲線Fig.8 Load-displacement hysteresis loops of specimens

圖9　試件的骨架曲線Fig.9 Skeleton curves of specimens

由試件TJ-1和TJ-3可知，提高節(jié)點核心區(qū)的配箍率對節(jié)點的極限承載能力提高不明顯，這主要由于軸壓比為0.3的試件TJ-1和TJ-3主要發(fā)生鋼梁與柱翼緣焊縫撕裂破壞，在核心區(qū)箍筋尚未發(fā)生其有效的約束作用時，節(jié)點已經破壞，沒有體現核心區(qū)配箍率對節(jié)點承載力的提高作用。

隨著混凝土強度的提高，節(jié)點極限承載力有較大提高。在配箍率和軸壓比相同的條件下，試件TJ-4比試件TJ-3的極限承載力高，但試件TJ-4發(fā)生的彈性變形相對較小，表明試件的極限承載力隨混凝土強度的增加而提高，但混凝土強度高的試件在相同位移下的損傷更大，試件從極限荷載至破壞荷載期間所經歷的變形較小，導致試件延性變差。

表4　試件各階段荷載、位移

2.5延性系數及耗能

表5為各試件位移延性系數μ=Δu/Δy，屈服和破壞時的層間變形角φy、φu，梁柱相對極限塑性轉角θu及破壞狀態(tài)時的等效黏滯阻尼系數he，分析可知：

各試件的延性系數均在3.0左右，明顯優(yōu)于鋼筋混凝土異形柱節(jié)點，試件屈服時層間位移角為1/173～1/249，破壞時層間位移角為1/53～1/92，梁柱間相對轉角為0.017～0.026。

試件的延性系數隨著軸壓力的增大而減小。由表4可以看出，當節(jié)點位置和其他參數相同時，當軸壓比從0.3增大0.6時，延性系數降低約12.5%。這主要由于加載后期，較大的軸壓力引起嚴重的二階效應，加速了核心區(qū)混凝土的破壞和脫落，核心區(qū)型鋼腹板出現局部屈曲，導致試件的延性變差。

提高配箍率能改善試件的延性，主要體現在箍筋約束內部混凝土使其處于三軸受壓狀態(tài)，混凝土極限應力與極限應變增大，提高了試件的延性性能。

隨著試件核心區(qū)混凝土強度的提高，試件的延性降低。由表5可以看出，核心區(qū)混凝土強度為C30的試件TJ-2比核心區(qū)混凝土強度為C60的TJ-4的延性平均提高了14%。較高強度的混凝土也伴隨著較大的脆性，加劇了混凝土的破壞過程。各試件破壞時的黏滯阻尼系數he值均在0.191以上，表明鋼骨混凝土柱-鋼梁節(jié)點較好的耗能能力。

表5　試件層間位移角、延性系數及耗能

2.6變形分析

地震作用下框架結構層間位移主要由梁、柱構件彎剪變形和節(jié)點核心區(qū)剪切變形分別引起的層間位移組成。由于各節(jié)點試件的設計原則為“強構件，弱節(jié)點”，整個破壞過程中梁、柱構件處于較小的應力狀態(tài)，其彎曲和剪切變形均相對較小，而節(jié)點剪切變形在總層間位移中占主要部分。

圖10　核心區(qū)在不同階段的剪切變形角Fig.10 Shear deformation angle in different stages

圖10為各試件在不同階段其核心區(qū)剪切變形角的測試分析結果。可以看出，在屈服階段，核心區(qū)剪切變形很小，約為0.004 rad，占破壞時剪切變形的20%左右；當節(jié)點屈服后，核心區(qū)剪切變形發(fā)展很快，達到極限荷載時，核心區(qū)剪切變形約為0.010 rad，占破壞時的45%左右；其后，節(jié)點達到破壞階段，核心區(qū)剪切變形急劇增大，達到0.025～0.030 rad。發(fā)生節(jié)點域剪切斜壓破壞的試件，由于其鋼骨腹板的屈服，其核心區(qū)剪切變形角要明顯大于鋼梁與柱鋼骨翼緣焊縫撕裂破壞的試件。

3結論

(1) 在軸向荷載和水平低周往復荷載共同作用下，鋼骨混凝土異形柱柱-鋼梁節(jié)點主要發(fā)生節(jié)點域剪切斜壓破壞、鋼梁與柱鋼骨翼緣焊縫撕裂破壞。

(2) 鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點具有較好的延性性能和耗能能力，各試件位移延性系數為2.7～3.4，破壞時節(jié)點核心區(qū)的剪切角為0.023～0.037，等效黏滯阻尼系數為0.191～0.268。

(3) 增加軸壓比能在一定程度地提高節(jié)點的受剪承載力，但極限荷載后的性能退化明顯，在實際工程中應對軸壓比進行限定；混凝土強度的增加可以提高節(jié)點的極限承載力，但降低了試件的延性；增大配箍率可以為核心區(qū)混凝土提供較好的約束，改善節(jié)點的延性性能。

參 考 文 獻

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Tests for aseismic behavior of frame joints between a steel reinforced concrete special column and a steel beam

ZENGLei1,WUYuan-yuan1,ZHANGDi2,CUIZhen-kun1,GONGQian-qian1

(1. School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;2. School of Architecture and Urban Planning, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:To study failure modes and aseismic behavior of frame joints between a steel reinforced concrete special column and a steel beam, 4 joints with T-shaped section and 4 joints with L-shaped section were tested under reversed cyclic loading. The parameters of concrete strength, axial compression ratio, and core area stirrup ratio were taken into account. The deformation characteristics and the failure modes were investigated. Hysteretic characteristics, skeleton curves, load-bearing capacity, shear deformation of core zone, ductility and energy dissipation ability were analyzed. The results indicated that the failure modes contain shear diagonal compression failure and core zone welding crack failure; the failure modes are determined with axial compression ratio; the specimen possesses a plump hysteretic loop with a good aseismic performance under reversed cyclic loading; with increase in axial column load, the joints’ load-bearing capacity increases, but their displacement ductility decreases; the ultimate strength, ductility and energy dissipation capacity can be enhanced by increasing the stirrup ratio of core zone.

Key words:steel reinforced concrete; frame joints; quasi-static test; aseismic behavior

中圖分類號:TU398.9

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.036

收稿日期：2014-11-17修改稿收到日期：2015-03-25

基金項目：國家自然科學基金項目(51108041;51478048);湖北省教育廳科學技術研究資助項目(Q20111306);湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目(T201303)

第一作者 曾磊 男，博士，副教授，1979年9月生