唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)

張陽(yáng)陽(yáng) (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)

朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)

張陽(yáng)陽(yáng) (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)

朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

通過(guò)對(duì)2個(gè)矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下進(jìn)行的擬靜力試驗(yàn)，分析了不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，建立了該種類型節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。研究結(jié)果表明，該類型節(jié)點(diǎn)滯回曲線飽滿，擁有較好的抗震性能；不同再生骨料取代率對(duì)試件特征點(diǎn)的荷載影響不大，說(shuō)明再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能影響較小；建立的恢復(fù)力模型骨架曲線和滯回曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的具有較高的吻合度，可供矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)分析參考；矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能，可以在高烈度抗震設(shè)防區(qū)域中的高層建筑中推廣使用。

矩形鋼管再生混凝土；再生骨料取代率；框架節(jié)點(diǎn)；恢復(fù)力模型；擬靜力試驗(yàn)

鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式已成為鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)中的一種重要結(jié)構(gòu)形式，該類結(jié)構(gòu)不僅具有承載力高、變形能力好等優(yōu)點(diǎn)，且可以在施工過(guò)程中節(jié)約資金，加快施工進(jìn)度，已成為逐步受到住戶青睞的一種結(jié)構(gòu)形式。再生混凝土指的是，將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、分級(jí)，制作成再生骨料，再將再生骨料制備成混凝土。再生混凝土技術(shù)的運(yùn)用可以使廢棄混凝土變廢為寶，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

將再生混凝土填入鋼管中，可形成鋼管再生混凝土。目前，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1～5]對(duì)鋼管再生混凝土柱、鋼管再生混凝土節(jié)點(diǎn)、鋼管再生混凝土框架進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究，而關(guān)于鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究則較少?；謴?fù)力模型是進(jìn)行非線性地震反應(yīng)的基礎(chǔ)，只有合理確定恢復(fù)力模型才能正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。研究鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型可以深入了解低周反復(fù)荷載下節(jié)點(diǎn)內(nèi)力的彈塑性變形能力、承載力和剛度退化等規(guī)律。白國(guó)良[6]研究了再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型，張向?qū)鵞7]陸續(xù)對(duì)圓形鋼管再生混凝土柱和鋼管再生混凝土框架進(jìn)行了恢復(fù)力模型研究。除此之外，關(guān)于鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型的研究尚未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。因此，通過(guò)2根矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)[8]，筆者分析了不同再生骨料取代率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，得到了骨架曲線，再依據(jù)骨架曲線及滯回規(guī)則，建立起矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

依據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》，節(jié)點(diǎn)試件按實(shí)際尺寸選取1/2縮尺模型，采用外加強(qiáng)環(huán)構(gòu)造形式，柱截面尺寸為150mm×150mm，鋼管的厚度為3.5mm，采用方形空心鋼管。整個(gè)柱高1682mm，梁長(zhǎng)度1365mm，工字形鋼梁采用3塊鋼板全融透焊接，焊縫質(zhì)量要求與鋼材等強(qiáng)。柱底部和工字形鋼梁設(shè)置部分加勁肋以保證整個(gè)試件的穩(wěn)定性，試件幾何構(gòu)造尺寸見(jiàn)圖1。鋼管內(nèi)填充C40等級(jí)混凝土，同批次澆筑成型。共有2根試件，編號(hào)分別為試件JD-1、JD-2，其再生骨料取代率分別為50%、100%。

圖1 試件幾何構(gòu)造尺寸(單位：mm)

圖2 加載示意圖

1.2 加載裝置及加載設(shè)置

采用作動(dòng)器提供低周反復(fù)荷載，千斤頂提供豎直軸力。加載示意圖見(jiàn)圖2，將試件柱底部固定在可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸支座上，鉸支座下部又可以和剛性地面固定，梁端用鏈桿和鉸支座相連。千斤頂和反力梁中間放置滑車，以保證加載過(guò)程中試件可以平行移動(dòng)。加載方式采用位移加載，試件屈服前循環(huán)1次，屈服后循環(huán)3次。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過(guò)程

試件在加載過(guò)程中，首先在梁端出現(xiàn)塑性鉸，隨著加載的進(jìn)行，塑性鉸不斷形成，最后塑性鉸產(chǎn)生較大殘余變形使得梁端出現(xiàn)斷裂。觀察柱端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象。觀察實(shí)測(cè)應(yīng)變值可知，梁端應(yīng)變?cè)诩虞d過(guò)程中早已超過(guò)屈服應(yīng)變，有些應(yīng)變值甚至溢出，而節(jié)點(diǎn)核心區(qū)和柱段的應(yīng)變值均未超過(guò)屈服應(yīng)變，說(shuō)明設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)滿足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

2.2 滯回曲線

2個(gè)試件的滯回曲線見(jiàn)圖3。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，2個(gè)試件滯回曲線相差較小，大致形狀相同。試件JD-1的滯回曲線略大于試件JD-2，說(shuō)明再生骨料取代率為50%的試件抗震性能略好于取代率為100%的試件，但總體上看，二者相差不大，說(shuō)明再生骨料取代率對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響較小。另外，2個(gè)滯回曲線對(duì)稱較好，且滯回環(huán)呈現(xiàn)出梭形，曲線飽滿，表明該類型節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能性能。

圖3 滯回曲線

2.3 骨架曲線

圖4 骨架曲線

2個(gè)試件的骨架曲線見(jiàn)圖4。從圖4可知，2根試件在達(dá)到極限荷載前，其骨架曲線基本呈現(xiàn)出直線的變化，無(wú)明顯可見(jiàn)的屈服點(diǎn)。試件JD-1的極限承載力要高于試件JD-2，且極限荷載過(guò)后，在下降段時(shí)2根試件的骨架曲線有分離，表明試件出現(xiàn)了強(qiáng)度和剛度退化現(xiàn)象?？傮w看來(lái)，2個(gè)骨架曲線大體接近，說(shuō)明再生骨料取代率對(duì)其影響較小。

2.4 荷載特征值及延性

在工程結(jié)構(gòu)抗震中，一般會(huì)選取位移延性系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)和衡量構(gòu)件的延性性能。其計(jì)算方法為，在構(gòu)件保持基本承載力的前提下，選取破壞位移與屈服位移的比值來(lái)表示試件的位移延性系數(shù)μ。選用“幾何作圖法”計(jì)算出各試件的屈服位移Δy，而破壞位移Δu即為破壞荷載Pu對(duì)應(yīng)的位移，破壞荷載Pu取極限荷載Pmax下降15%時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載。2根試件在不同階段下的特征荷載、對(duì)應(yīng)的位移值及位移延性系數(shù)μ見(jiàn)表1；不同再生骨料取代率下各極值荷載值及對(duì)應(yīng)的位移值如圖5、圖6所示；不同再生骨料取代率對(duì)延性性能的影響見(jiàn)圖7。

從表1、圖4及圖5可知，2根試件JD-1、JD-2的位移延性系數(shù)分別為3.27和3.22，十分接近，說(shuō)明不同再生骨料取代率對(duì)試件的延性影響極小。不同工作階段下2根試件的屈服荷載、極限荷載和破壞荷載也極為接近，且屈服、極限、破壞荷載所對(duì)應(yīng)的屈服位移、極限位移及破壞位移也較為接近，差別極小，這說(shuō)明不同再生骨料取代率對(duì)各工作階段的極限荷載值及位移值影響也較小?？傮w來(lái)說(shuō)，不同再生骨料取代率對(duì)試件的荷載值和延性性能不產(chǎn)生明顯的影響。

圖5 特征點(diǎn)荷載值 圖6 特征點(diǎn)位移值

試件編號(hào)屈服階段Py/kNΔy/mm極限階段Pmax/kNΔmax/mm破壞階段Pu/kNΔu/mm位移延性系數(shù)μJD-143.5217.0492.8541.5278.9355.753.27JD-241.8516.5486.5742.1573.5853.293.22

圖7 不同再生骨料取代率的影響 圖8 等效黏滯阻尼系數(shù)

2.5 耗能性能

等效黏滯阻尼系數(shù)he常被用來(lái)描述結(jié)構(gòu)在地震下的耗能能力，其值越大，表明耗能能力越好[9～11]。除彈性階段外，將不同位移下對(duì)應(yīng)的he的繪制于同一圖中，不同位移下的等效黏滯阻尼系數(shù)見(jiàn)圖8。

從圖8可知，隨著加載位移的不斷加大，等效黏滯阻尼系數(shù)也不斷增大，說(shuō)明試件越到加載后期耗能能力越好。再生骨料取代率為50%試件JD-1的等效黏滯阻尼系數(shù)在不同加載階段均略大于取代率為100%的試件JD-2，但其趨勢(shì)均大體一致，較為接近，說(shuō)明不同再生骨料取代率對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)的耗能能力也無(wú)顯著的影響。

3 建議的節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型

為了在抗震設(shè)防區(qū)推廣矩形鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用，并對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析，十分有必要建立起該種類型節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型，而恢復(fù)力模型主要包含骨架曲線和滯回規(guī)則。

3.1 骨架曲線

依據(jù)2根節(jié)點(diǎn)試件的骨架曲線，建議選取三線型的恢復(fù)力模型，如圖9所示。

圖9 三線型恢復(fù)力模型

1)彈性工作段。從試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可知，骨架曲線未出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，這主要是因?yàn)榫匦武摴苓x用的是薄壁冷彎鋼管。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可以把節(jié)點(diǎn)屈服之前的骨架曲線予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化成為原點(diǎn)與屈服點(diǎn)的連線，見(jiàn)圖9中OD、OC段,該階段的剛度為K1=Py/Δy。

2)強(qiáng)化工作段。加載過(guò)程中，試件在屈服后會(huì)出現(xiàn)比較明顯的強(qiáng)化工作階段。強(qiáng)化段可以簡(jiǎn)化成將屈服點(diǎn)D和極限荷載點(diǎn)E的直線DE。該階段的剛度K3=(Pmax-Py)/(Δmax-Δy)。

3)強(qiáng)度退化工作段。加載超過(guò)極限荷載點(diǎn)后，試件會(huì)進(jìn)入強(qiáng)度退化段。該階段的剛度退化率為：αJD-1=0.428，αJD-2=0.415。

3.2 卸載剛度

1)正向卸載剛度。將點(diǎn)1和點(diǎn)2中所有點(diǎn)進(jìn)行擬合線性回歸分析，可得到1、2點(diǎn)的直線斜率K2。正向卸載剛度回歸方程可表示為：

(1)

式中，Δ為卸載點(diǎn)位移；Δu為破壞點(diǎn)位移。

(2)

3.3 恢復(fù)力模型

將試驗(yàn)測(cè)得的滯回曲線及骨架曲線模型進(jìn)行組合，可建立起適用于所研究的矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型，對(duì)該恢復(fù)力模型進(jìn)行如下說(shuō)明：

1)D、C點(diǎn)分別為正向、負(fù)向屈服點(diǎn)，E、B點(diǎn)分別為正向、負(fù)向極值點(diǎn)，F(xiàn)、A點(diǎn)分別為正向、負(fù)向破壞點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的，OD、OC段分別為正向、負(fù)向彈性段，DE、CB段分別為正向、負(fù)向屈服段，EF、BA段分別為正向、負(fù)向破壞段。

3.4 恢復(fù)力模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

將得到的恢復(fù)力模型用以計(jì)算所研究的框架節(jié)點(diǎn)，獲得了計(jì)算滯回曲線，并與試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。

從圖10可知，計(jì)算得到的滯回曲線與實(shí)際測(cè)得的滯回曲線有一定的吻合度，尤其是計(jì)算得到曲線的骨架曲線和實(shí)測(cè)骨架曲線吻合較好，表明研究建立起的恢復(fù)力模型可很好反應(yīng)出矩形鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下的荷載和位移的關(guān)系，建立的恢復(fù)力模型可用于該類型節(jié)點(diǎn)的彈塑性地震反應(yīng)分析。

圖10 節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2根再生骨料取代率分別為50%、100%的矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了2根試件的抗震性能，并建立起了適合該類型節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型，可以得到以下結(jié)論：

1)矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中，梁端形成塑性鉸，滿足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱桿件”的延性抗震設(shè)防目標(biāo)，且該類型節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能，可在抗震設(shè)防區(qū)用于工程實(shí)踐。

2)不同再生骨料取代率對(duì)試件的特征位移、特征荷載、延性性能及耗能能力影響均很小，說(shuō)明再生骨料取代率對(duì)該類型節(jié)點(diǎn)的抗震性能不產(chǎn)生明顯影響。

3)通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)試件滯回特性的分析，建立起了適合該類型節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型，建立的恢復(fù)力模型計(jì)算出的滯回曲線與實(shí)測(cè)滯回曲線具有較好的吻合度，可用于該類型組合節(jié)點(diǎn)的彈塑性地震反應(yīng)分析。

[1]張向?qū)?，陳宗平，薛建?yáng)，等. 方鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J]，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35(9):11～19.

[2] Konno K, Sato Y, Kakuta Y, et al. Property of recycled concrete column encased by steel tube subjected to axial compression[J]. Transaction of the Japan Concrete Institute, 1997, 19(2): 231～238.

[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] 周天華，何?？担悋?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.

[5] 陳宗平，張向?qū)?，薛建?yáng)，等. 全再生方鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土框架梁框架的抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 工程力學(xué)，33(8)：32～38.

[6] 白國(guó)良，韓玉巖，劉超. 再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)建筑，2016，46(2)：42～46.

[7] 張向?qū)?，陳宗平，薛建?yáng)，等. 鋼管再生混凝土框架的恢復(fù)力模型研究[J]. 世界地震工程，2016，32(1)：277～283.

[8] 龐訓(xùn)鵬，李凱，曹日躍.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.

[9] 章炯. 焊接環(huán)式復(fù)合箍筋約束高強(qiáng)混凝土柱抗震性能分析[D]. 福建：華僑大學(xué)，2010.

[10] Li W, Han L H. Seismic performance of CFST column to steel beam joints with RC slab: analysis [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011, 67(1): 127～139.

[11] Gil B, Bayo E. An alternative design for internal and external semi-rigid composite joints-Part Ⅱ: Finite element modelling and analytical study [J]. Engineering Structures, 2008, 30(1): 232～246.

[編輯] 計(jì)飛翔

2016-07-10

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014-K2-021)。

唐榕(1992-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)工程抗震方面的研究工作；通信作者：朱凱，1879025407@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)31-0067-06

[引著格式]唐榕，張陽(yáng)陽(yáng)，朱凱.鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架邊節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(31)：67～72.