龐訓(xùn)鵬，李凱

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)

龐訓(xùn)鵬，李凱

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

[摘要]為研究矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，基于現(xiàn)行規(guī)范，按照1/2的縮尺比例設(shè)計(jì)2個(gè)節(jié)點(diǎn)模型。這2個(gè)節(jié)點(diǎn)模型分別填充再生骨料取代率為50%、100%的核心混凝土，考察了不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，進(jìn)行了低周反復(fù)荷載破壞試驗(yàn)并詳細(xì)觀察了節(jié)點(diǎn)模型在加載過程中的破壞形態(tài)。通過分析試驗(yàn)相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)表現(xiàn)為梁段形成塑性鉸的彎曲破壞，滿足了“強(qiáng)柱弱梁”的延性抗震設(shè)計(jì)要求；鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)具有良好的延性和耗能能力，可在抗震設(shè)防區(qū)推廣使用；2個(gè)試件的滯回曲線相差不大，不同再生骨料取代率對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)的抗震性能不產(chǎn)生明顯影響。

[關(guān)鍵詞]矩形鋼管再生混凝土；框架節(jié)點(diǎn)；再生骨料取代率；擬靜力試驗(yàn)；抗震性能

再生混凝土是一種綠色環(huán)保的建筑材料，指的是將廢棄混凝土結(jié)構(gòu)破碎成再生骨料，再配制成混凝土應(yīng)用于新建的建筑結(jié)構(gòu)中。再生混凝土的提出為我國(guó)實(shí)現(xiàn)建筑資源的可持續(xù)發(fā)展及建筑垃圾的處理提供了一條捷徑[1]。與普通混凝土相比較，再生混凝土也存在一些缺陷，其強(qiáng)度、變形能力及彈性模量都有所降低。將再生混凝土與鋼管相結(jié)合組成的鋼混結(jié)構(gòu)為再生混凝土的推廣提供了一條新的思路，但如何更加合理有效的利用再生混凝土，以推動(dòng)該類型結(jié)構(gòu)的發(fā)展，已成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[2]。

框架節(jié)點(diǎn)處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，為框架的薄弱結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的破壞甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的坍塌，所以說，節(jié)點(diǎn)對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性有著至關(guān)重要的影響。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同形狀(圓形、方形、異形)的鋼管混凝土柱組合框架節(jié)點(diǎn)展開了試驗(yàn)研究和理論探索：方小丹等[3]、宗周紅等[4]、周天華等[5]、王礫瑤等[6]對(duì)圓形和矩形鋼管混凝土柱與鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；許成祥等[7，8]對(duì)T形和十字形截面鋼管柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；吳波等[9]考察了廢棄混凝土取代率和近節(jié)點(diǎn)鋼域構(gòu)造參數(shù)對(duì)圓鋼管再生混合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響；陳宗平等[10]將取代率為100%的再生混凝土用于填充圓形截面柱及鋼筋混凝土梁，進(jìn)行了框架的抗震試驗(yàn)研究。但上述研究成果大部分都是針對(duì)不同截面形式鋼管柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)以及鋼筋混凝土梁組合的節(jié)點(diǎn)，關(guān)于矩形鋼管再生混凝土柱與工字形鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究還很少，故對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究以了解該類節(jié)點(diǎn)的抗震性能具有重要意義。

因此，筆者擬根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，制作出2個(gè)矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架節(jié)點(diǎn)模型。管內(nèi)分別填充再生骨料取代率為50%、100%的C40核心混凝土，并進(jìn)行低周反復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)，給出各項(xiàng)抗震性能具體指標(biāo)，以期能豐富再生混凝土結(jié)構(gòu)的研究、設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

圖1　試件模型的幾何構(gòu)造尺寸(單位：mm)

基于現(xiàn)行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范，如《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS159-2004)及《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 116-2009)等，按照“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則制作了2個(gè)節(jié)點(diǎn)模型。柱子采用截面尺寸為150mm×3.5mm的薄壁空心矩形鋼管，H形鋼梁通過3塊鋼板全融透焊接而成，鋼梁的上下翼緣通過連接板和上下加強(qiáng)環(huán)對(duì)接，并適當(dāng)在鋼梁腹板處設(shè)置5mm厚度的加勁肋，以此來保證試件的穩(wěn)定性，試件的幾何尺寸構(gòu)造圖如圖1所示。試件分別編號(hào)為JD-1、JD-2，柱頂施加軸力450kN，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)軸壓比為0.35。柱的含鋼率為11.6%，柱梁線剛度比為1.23，外加強(qiáng)環(huán)的厚度為10mm。2個(gè)節(jié)點(diǎn)模型同批次澆筑C40的核心混凝土，混凝土是在實(shí)驗(yàn)室人工拌制而成，澆筑過程中注意振搗的頻率，頻率太快過慢都不利于混凝土的密實(shí)。測(cè)得混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度為39.5N/mm2，鋼材力學(xué)性能實(shí)測(cè)值見表1，各試件的相關(guān)參數(shù)見表2。

1.2試驗(yàn)裝置及加載方式

該試驗(yàn)的對(duì)象是框架邊節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的柱腳下方設(shè)置鉸支座，鉸支座通過地錨螺栓固定在剛性地面上。梁端采用鏈桿相連，且鏈桿固定在固定支座上，固定支座也通過地錨螺栓固定在剛性地面上。試驗(yàn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)柱頂?shù)妮S力由油壓千斤頂提供，并在軸力穩(wěn)定后始終保持不變直到試驗(yàn)完成?；囄挥谇Ы镯斏喜?，反力梁下部，其內(nèi)部安裝有滾輪可以自由滑動(dòng)，加載時(shí)能保證柱頂軸力始終不變的情況下柱段能發(fā)生水平位移。柱頂端通過固定在反力墻上的作動(dòng)器提供水平力，其行程為±150mm。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的條件，加載方式選用位移加載，試件屈服前按加載位移循環(huán)1次，屈服后按加載位移循環(huán)3次。試驗(yàn)的加載裝置如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)加載示意圖

鋼材板厚t/mm屈服強(qiáng)度fy/MPa抗拉強(qiáng)度fu/MPa彈性模量Es/MPa3.5357.2400.52.01×1055384.5442.62.04×1056352.6427.41.98×10510341.5416.81.92×105

表2　試件參數(shù)

2試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2個(gè)節(jié)點(diǎn)模型唯一的區(qū)別是內(nèi)部核心混凝土的再生骨料取代率不同，而加載時(shí)所使用的儀器及布置都是一樣的，且2個(gè)試件在加載過程中表現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象大體相同。因此，僅對(duì)試件JD-1的破壞過程予以描述。為方便描述，規(guī)定作動(dòng)器向前推為負(fù)，向后拉為正，待各儀器調(diào)試正常后進(jìn)入加載階段。

試件JD-1未屈服之前，加載過程中并沒有發(fā)現(xiàn)任何現(xiàn)象。在位移為±16mm的循環(huán)過程中，梁端距離柱段大約180mm處下翼緣上面的漆皮出現(xiàn)了裂紋；位移±30mm的第2個(gè)循環(huán)加載過程中，位移達(dá)到+25mm時(shí)，漆皮起皺處下翼緣出現(xiàn)微小鼓曲現(xiàn)象，隨著作動(dòng)器持續(xù)加載，鼓曲部位被拉平。位移

圖3　典型破壞現(xiàn)象

±40mm的第1個(gè)循環(huán)加載過程中，下翼緣鼓曲程度持續(xù)加大，且上翼緣也出現(xiàn)微小鼓曲現(xiàn)象。第2個(gè)循環(huán)加載過程中，下翼緣處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；位移±50mm的循環(huán)加載過程中，下翼緣開裂處繼續(xù)向腹板方向延伸，并伴隨著鋼材被撕裂的脆裂聲，能零星聽到鋼管內(nèi)混凝土的碎裂聲，同時(shí)下加強(qiáng)環(huán)與柱角隅東面可見明顯鼓起。位移±60mm的第1個(gè)加載循環(huán)過程中，下翼緣完全斷裂，試件承載力下降至極限荷載的85%以下，試件破壞，終止試驗(yàn)。

2個(gè)試件的破壞現(xiàn)象相似，均為鋼梁下翼緣的彎曲破壞，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)防指標(biāo)。試件典型的破壞現(xiàn)象如圖3所示。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1滯回曲線

試驗(yàn)測(cè)得的滯回曲線如圖4所示，其中，縱坐標(biāo)P表示水平荷載，橫坐標(biāo)Δ表示水平位移。

圖4　滯回曲線

試件屈服之前，循環(huán)一次形成的滯回環(huán)較小，滯回曲線呈現(xiàn)狹長(zhǎng)細(xì)窄形狀，剛度基本不退化。試件屈服之后，隨著位移的逐級(jí)遞增，梁端翼緣處形成的塑性鉸不斷變形，具體反映在梁端下翼緣不斷鼓曲再變平，使得滯回曲線呈現(xiàn)梭形。此時(shí)，滯回環(huán)與位移軸包圍的面積也逐漸變大，而滯回環(huán)的面積代表試件的耗能能力，說明試件的耗能能力逐漸加大。越往后加載，后一次加載形成的滯回環(huán)極限荷載都比前一次形成的滯回環(huán)極限荷載要小，表明存在著承載力退化現(xiàn)象。同時(shí)，后次加載循環(huán)形成的滯回環(huán)面積要小于前次循環(huán)，說明節(jié)點(diǎn)的耗能能力呈現(xiàn)退化的趨勢(shì)。2個(gè)試件的滯回曲線相差不大，說明不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能影響不大。

3.2骨架曲線

各試件的骨架曲線見圖5，根據(jù)骨架曲線，采用“幾何作圖法”確定試件的屈服荷載Py和屈服位移Δy。試件的破壞荷載Pu定義為0.85Pmax，則其對(duì)應(yīng)的柱頂水平位移定義為破壞位移Δu。Pmax為柱頂極限荷載，對(duì)應(yīng)的柱頂位移為Δmax[8]。各特征點(diǎn)處相應(yīng)的水平荷載及位移值見表3。

圖5　荷載-位移骨架曲線

從圖5和表3可知，再生骨料取代率為100%的節(jié)點(diǎn)比再生骨料取代率為50%的節(jié)點(diǎn)所能達(dá)到極限荷載值要低，這應(yīng)該與再生混凝土的性質(zhì)相關(guān)。再生混凝土是經(jīng)過破碎加工生產(chǎn)得到的，破碎過程中對(duì)再生骨料造成了一定程度的損傷，骨料內(nèi)部出現(xiàn)了微小裂縫。再者，再生骨料表面相對(duì)于天然骨料其表面會(huì)附著有水泥基體。這些因素的存在會(huì)降低拌制的再生混凝土的強(qiáng)度。但總體來說，不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)試件的骨架曲線影響不大。通過與前人試驗(yàn)研究成果[11]的比較可知：鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)比鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)具有更好的延性和耗能能力，但是與普通鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)相比，其變形能力較差，達(dá)到極限荷載后，其下降趨勢(shì)較為明顯。

表3　試件參數(shù)

3.3延性與耗能能力分析

各試件的延性及耗能指標(biāo)見表4。位移延性系數(shù)取破壞位移與屈服位移的比值，即μ=Δu/Δy，節(jié)點(diǎn)的耗能能力采用等效黏滯阻尼系數(shù)he來衡量。

表4　試件延性及耗能指標(biāo)

從表4可以看出，節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)在3.22～3.27，等效黏滯阻尼系數(shù)在0.35～0.36。而鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)和型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的等效黏滯阻尼系數(shù)分別在0.1、0.3左右，說明將再生混凝土填充至鋼管內(nèi)，形成的矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架節(jié)點(diǎn)也具有較好的延性性能和耗能能力。

3.4剛度退化分析

圖6　剛度退化曲線

剛度退化采用割線剛度Ki來描述，因彈性階段試件的剛度基本不變，故取之后的工作階段予以研究，剛度退化曲線見圖6。

從圖6可知，節(jié)點(diǎn)的初始剛度較大，且不同再生骨料取代率對(duì)試件的初始剛度沒有明顯的影響。隨著加載的進(jìn)行，2個(gè)節(jié)點(diǎn)的剛度在達(dá)到極限荷載之前退化較慢，極限荷載過后，隨著管內(nèi)核心混凝土的破碎以及塑性鉸范圍的擴(kuò)大及鋼梁出現(xiàn)開裂，剛度退化速率加快。整個(gè)剛度退化曲線沒有明顯的突變現(xiàn)象，說明鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的剛度退化性能較好，有利于地震來臨時(shí)結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。

4結(jié)論

通過鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)模型的擬靜力試驗(yàn)，研究了再生骨料取代率為50%、100%時(shí)試件的抗震性能，可得到如下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)模型最終發(fā)生的破壞形態(tài)為梁端彎曲破壞，梁先產(chǎn)生塑性鉸，后形成柱鉸。節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)制屬于梁較破壞，符合“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的延性抗震設(shè)計(jì)要求。

2)2個(gè)節(jié)點(diǎn)模型的滯回曲線均表現(xiàn)為十分飽滿的紡錘形，具有較好的穩(wěn)定性，且并未出現(xiàn)捏攏的現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.35～0.36，表明鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力。

3)節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)在3.22～3.27，節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出的延性滿足實(shí)際建筑對(duì)延性的要求。

4)不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線影響較小，鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能，可以在抗震設(shè)防區(qū)推廣使用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]肖建莊.再生混凝土[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 張震，吳江，李加樂，等.往復(fù)水平荷載下鋼管再生混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016，13(4)：39～43，55.

[3] 方小丹，李少云，錢稼茹，等.鋼管混凝土柱-環(huán)梁節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(6)：10～18.

[4] 宗周紅，林于東，林杰.矩形鋼管混凝土柱與鋼梁半剛性節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(6)：29～36.

[5] 周天華，何保康，陳國(guó)津.方鋼管混凝土柱與鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(1)：9～16.

[6] 王礫瑤.鋼管混凝土柱與鋼梁隔板貫通式節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[7] 許成祥，萬波，張繼承，等.十字形鋼管混凝土柱框架中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(3)：80～83.

[8] 許成祥，吳贊軍，曾磊，等.T形鋼管混凝土柱-工字鋼梁框架頂層邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33(8)：58～65.

[9] 吳波，趙新宇，楊勇，等.薄壁圓鋼管再生混合柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點(diǎn)的抗震試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].土木工程學(xué)報(bào)，2013，46(3)：59～69.

[10] 陳宗平，張向崗，薛建陽，等.鋼管再生混凝土柱-鋼筋再生混凝土梁框架抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47(10)：22～31.

[11] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2016)13-0057-05

[中圖分類號(hào)]TU398.9

[作者簡(jiǎn)介]龐訓(xùn)鵬(1989-)男，碩士生，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)工程抗震方面的研究工作；E-mail：1186870006@qq.com。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52178305)；安徽省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目(2012BK215)。

[收稿日期]2016-01-10

[引著格式]龐訓(xùn)鵬，李凱.矩形鋼管再生混凝土柱-工字形鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(13)：57～61.