舒興平，張晗，張再華

基于帶肋角鋼的裝配混凝土柱-鋼梁連接節(jié)點抗震性能試驗研究

舒興平1，張晗1，張再華2

(1.湖南大學 土木工程學院鋼結構研究所，湖南 長沙 410082；2. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 410075)

為研究基于帶肋角鋼的裝配混凝土柱?鋼梁連接節(jié)點的抗震性能，設計制作4個框架中部十字型梁柱節(jié)點試件并進行擬靜力試驗研究。分析梁柱截面尺寸，梁端螺栓數量以及角鋼尺寸等因素對承載力、耗能能力、強度退化、剛度退化、延性以及破壞模式的影響。研究結果表明：低周往復荷載作用下該類型節(jié)點的破壞模式以混凝土核心區(qū)受剪破壞為主，同時角鋼加勁肋及鋼梁發(fā)生了不同程度屈曲。試件滯回曲線呈現出與現鋼筋凝土節(jié)點相似的捏縮現象，試件延性及耗能能力略高于鋼筋混凝土節(jié)點。所有試件強度退化系數變化幅度較小，在0.8～1.0之間。該節(jié)點具有良好的承載力，耗能能力以及延性，但需要對節(jié)點核心區(qū)混凝土承載力進行進一步優(yōu)化。

裝配式混合結構；帶肋頂底角鋼；框架中柱節(jié)點；擬靜力試驗；抗震性能

隨著人口老齡化加劇，勞動力資源日趨緊張，目前的以濕作業(yè)為主的施工方式將很難長期維持。而生產效率高，環(huán)境污染小，施工環(huán)境好，質量易于控制且有利于可持續(xù)發(fā)展的新型裝配式建筑在新的發(fā)展機遇下，將會成為建筑工程的一個重要發(fā)展方向[1?3]。20世紀80年代初期，美國及日本最早提出了鋼筋混凝土柱?鋼梁(reinforced concrete column and steel beam，RCS)混合結構，為深入研究該體系國外學者提針對RCS結構提出了一系列的節(jié)點構造形式并開展了相關研究工作。Parra- Montesinos等[4?8]研究了不同構造以及有/無樓板的RCS節(jié)點抗震性能、破壞模式、抗剪強度計算方法并且通過有限元數值模擬對試驗結果進行驗證。國內學者近年來也逐步開展了對RCS混合節(jié)點的研究。蔡小寧等[9]進行了基于預應力的新型頂底角鋼預制混凝土梁柱連接節(jié)點的擬靜力試驗，試件總體具有較好的延性及自復位能力，具有穩(wěn)定的屈服后剛度。王鵬等[10]采用低周往復加載試驗考察了4種帶加勁肋角鋼連接節(jié)點的抗震性能，結果表明，帶肋頂底角鋼相對無加勁肋角鋼連接件將節(jié)點轉動中心外移，導致節(jié)點塑性抗彎承載力增大。王光云等[10]通過完成4組雙腹板帶肋頂底角鋼的擬靜力試驗，認為當頂底角鋼豎肢厚度合理時，調整角鋼加勁肋以及水平肢厚度能有效提高節(jié)點的初始剛度及抗彎承載力。劉陽等[12]通過對12個縮尺柱貫通型RCS混合節(jié)點低周往復加載試驗，結果表明節(jié)點核心區(qū)的加勁腹板可以有效提高節(jié)點的抗剪強度和剛度，節(jié)點核心區(qū)的剪切變形對層間位移的貢獻不超過10%。多項研究結果表明，鋼筋混凝土柱?鋼梁混合節(jié)點具有良好的受力性能。但仍存在一些局限性，例如節(jié)點構造措施復雜，施工難度大；梁?柱拼接或者梁?梁連接多采用現場焊接，容易帶來焊接質量問題。本文在總結已有RCS混合節(jié)點構造優(yōu)缺點基礎上，提出一種基于“干作業(yè)”的全預制裝配式連接的RCS混合框架新型節(jié)點構造形式，并開展4個試件的抗震性能試驗，研究該新型節(jié)點在模擬地震作用下的破壞過程、承載力和抗震性能，以完善該新型RCS混合框架節(jié)點的設計理論，為工程設計應用提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計及材性試驗

試驗共設計了4個基于帶肋角鋼的裝配混凝土?鋼梁連接節(jié)點試件，編號為SJ-1~SJ-4。節(jié)點試件采用十字型試件，設計選取自中層中柱節(jié)點水平荷載作用下梁柱反彎點之間的典型單元，上下柱高均為1.65 m，梁端至柱表面處距離為1.5 m。梁構件采用窄翼緣H型鋼，混凝土柱設計強度等級為C30，鋼筋設計強度等級為HRB400，縱筋直徑為20 mm，箍筋直徑為8 mm。梁柱通過在柱內預埋的混凝土柱穿芯螺栓、梁端設置的帶勁肋頂底角鋼以及梁端的摩擦型高強螺栓緊固連接方式裝配連接，混凝土柱內穿芯螺栓采用10.9級高強度雙頭等長螺桿，梁端緊固螺帽采用外六角10.9級高強螺帽，對應的設計預拉力取值均按照GB 50017—2017《鋼結構設計標準》規(guī)定值施加。鋼梁及角鋼的鋼材強度等級分別為Q235B以及Q345B，角鋼及加勁肋厚度Ts均為12 mm。試件主要參數信息見表1，試件節(jié)點構造示意圖如圖1所示。

在試驗當天進行混凝土試塊抗壓強度及彈性模量試驗，實測同條件養(yǎng)護混凝土平均立方體試塊強度為31.7 MPa。根據規(guī)范GB/T 2975—2018《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》[13]的取樣要求制作了鋼筋、角鋼和H型鋼的材性試驗樣本，根據 GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[14]測得鋼材的材料性能見表2所示。

1.2 試驗加載與測量內容

試驗在湖南城市學院土木工程學院結構實驗室進行，試驗裝置示意圖，試驗裝置實物圖，計算簡圖分別如圖2(a)，2(b)和2(c)所示。首先用液壓千斤頂在柱頂施加恒定的預設軸力，軸壓比為0.25，之后由作動器在梁端同步施加等值反向的豎向低周往復荷載。加載制度為位移控制，除第1級荷載往復加載1次外，其余荷載均往復加載2次，直到荷載下降到峰值荷載的85%時或出現較明顯的破壞現象時終止試驗。

表1 節(jié)點試件基本規(guī)格參數匯總表

注：b為鋼筋混凝土柱穿芯摩擦型高強螺栓直徑；c為梁端摩擦型高強螺栓直徑；為梁端高強螺栓數量；為軸壓比，=/u，為施加在柱頂的軸力，u為鋼筋混凝土柱理論軸壓承載力。s為角鋼加勁肋厚度。

(a) 節(jié)點尺寸及預制混凝土柱構造；(b) A-A剖面；(c) B-B剖面；(d) 角鋼構造

測量內容主要包含應變及位移2個部分。應變數據由DH3816N靜態(tài)應變測試系統采集，主要采集混凝土柱內穿芯螺栓處混凝土、角鋼及其加勁肋以及節(jié)點部位梁端上下翼緣等部位處應變。位移部分重點測量梁柱轉角及核心區(qū)剪切變形，剪切變形通過在混凝土核心區(qū)對角線方向布置的交叉位移計測得的節(jié)點域對角線伸長及壓縮變形量求得。

表2 鋼材性能試驗結果

(a) 裝置示意圖如圖；(b) 現場加載試驗裝置圖；(c) 試件計算簡圖

注：1—節(jié)點試件；2—25T作動器；3—50T作動器；4—千斤頂；5—門式剛架；6—斜支撐；7—梁端夾具；8—反力地槽；9—力傳感器；10—鉸接裝置；11—水平支撐。

2 試驗過程及破壞特征

為便于試驗現象的描述，規(guī)定以梁端作動器向外推出為正。當加載位移為6 mm時，試件均未出現明顯裂縫。當加載位移為12 mm時，試件SJ-1～SJ-4均在混凝土柱受拉側出現了以受拉螺栓為起點的第一條斜裂縫。當加載位移為20 mm時，試件SJ-1～SJ-4混凝土柱側邊開始出現水平的彎曲裂縫，受拉側螺栓處裂縫開始拓展，當加載位移為?20 mm時，所有試件均在核心區(qū)產生了交叉斜 裂縫。

當加載位移為30 mm時，試件各條原有斜裂縫不斷拓展加寬，同時不斷有新的裂縫出現，當加載位移為42 mm時，SJ-3發(fā)生了螺栓的滑移破壞現象，鋼梁端部與混凝土表面產生了明顯的縫隙，試件SJ-1出現了以柱穿芯螺栓為起點向下延伸的豎向裂縫。當加載位移為50 mm時，SJ-2出現了混凝土保護層剝落，鋼筋外露的情況，同時承載力下降到峰值的85%以下，SJ-2隨即停止加載。

當加載位移為55 mm時，試件SJ-1，S-4核心區(qū)混凝土出現了較為嚴重的破壞現象，承載力均開始出現明顯下降，試件SJ-1，SJ-4此時停止加載，試件SJ-3由于產生了滑移現象，該級荷載并沒有較上一級有所上升，所以試件破壞情況沒有明顯加劇，當加載位移為70 mm時，試件SJ-3由于螺栓開始承受剪力導致荷載有所上升，鋼梁端部與混凝土表面縫隙不斷拓展，同時核心區(qū)混凝土斜裂縫拓展明顯，至此所有試件加載結束。

(a) SJ-1混凝土柱豎向裂縫；(b) SJ-2混凝土保護層剝落；(c) SJ-3梁端螺栓滑移破壞；(d) SJ-4核心區(qū)混凝土剪切破壞

所有試件在試驗加載初期，試件變形和應變發(fā)展增長基本與荷載成正比關系，試件殘余變形較小，試驗結束時，不同試件破壞情況主要有以下3種：1)所有試件的破壞模式均有不同程度的核心區(qū)混凝土剪切破壞，其中試件SJ-1以混凝土穿芯螺栓為起點產生了明顯的豎向裂縫，試件SJ-2同時伴隨著角鋼處混凝土剝落，鋼筋外露；2)SJ-3由于梁端摩擦型高強螺栓承載力較小，產生了螺栓滑移破壞的現象；3)角鋼加勁肋及鋼梁發(fā)生了不同程度的屈曲，在節(jié)點處形成了塑性鉸。典型的破壞形態(tài)如圖3所示。

3 試驗結果及分析

3.1 滯回曲線及骨架曲線

圖4給出了4個試件在梁端豎向荷載作用下荷載與位移Δ的滯回曲線，節(jié)點試件兩側滯回曲線存在一定差異，主要原因是試件的不對稱的破壞導致，如圖2(b)所示，混凝土柱北側破壞相對嚴重。隨著梁端位移及荷載的增大，滯回環(huán)逐漸趨于飽滿。此外，當破壞模式不同時，不同試件滯回曲線形狀之間存在較大的差異，主要分為分弓形和倒S形2種。試件SJ-3承載力由螺栓控制，其滯回曲線呈弓形，其余3個試件承載力由核心區(qū)混凝土控制，滯回曲線呈倒S形。分析圖中趨勢可以得出：1)當荷載較小時，各試件的荷載和位移基本呈線彈性狀態(tài)。隨著試件累計塑性損傷程度的不斷加深，滯回環(huán)所圍成的面積不斷增加，當位移回到原點時，荷載沒有回到零位附近。表明了試件開始進入塑性狀態(tài)。到達極限荷載后，由于節(jié)點核心區(qū)剪切破壞發(fā)生或者梁端螺栓發(fā)生滑移破壞，使得荷載產生下降趨勢。2)對比SJ-3及其他試件可知當發(fā)生螺栓滑移破壞的時候，滯回曲線飽滿，耗能程度增加，當出現混凝土核心區(qū)剪切破壞時，由于鋼筋混凝土的黏結滑移現象滯回曲線出現明顯的捏縮現象。

將每級荷載對應滯回環(huán)的最高點連接，便可得到試件的骨架曲線，其反映了往復荷載作用下試件的受力和變形關系。從圖5給出的骨架曲線可得出：1) 在角鋼尺寸不變的情況下，增大梁柱尺寸能顯著增加節(jié)點剛度及承載力；2) 增大角鋼尺寸并且增加梁端螺栓數量時可以增加節(jié)點初始剛度，但對試件峰值承載力影響較小。

3.2 各試件的特征點參數

本文采用位移延性系數作為衡量試件變形能力的指標，位移延性系數取荷載下降至峰值荷載85%或出現較大變形時，其中y，max和u分別為節(jié)點的等效屈服荷載、峰值荷載和極限荷載，對應的位移分別為Δy，Δmax和Δu。各試件主要階段特征值結果見表3。節(jié)點試件平均延性系數接近且略高于現澆混凝土構件延性系數2.0的要求。其原因為節(jié)點試件整體破壞模式與現澆鋼筋混凝土節(jié)點相似，均為節(jié)點核心區(qū)混凝土受剪破壞，混凝土開裂后沒有表現出明顯的脆性破壞，仍能承擔一定荷載，具有良好的延性性能。

3.3 剛度與強度退化

為定量分析試件在低周往復荷載作用下的剛度特性，定義同級加載位移下的環(huán)線剛度來描述剛度退化特性。本文用來描述第級加載時的循環(huán)剛度，如式(1)所示。

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式中：P為第級第次加載循環(huán)的峰值點荷載；為第級第次加載循環(huán)的峰值點位移；為第級位移加載循環(huán)次數。試件的損傷累積會造成剛度隨位移的增加而減小。試件的割線剛度退化曲線如圖6所示。

1) 各試件割線剛度變化規(guī)律較為相似，隨著位移的增加剛度退化明顯，剛度退化均表現為先快后慢的發(fā)展趨勢，總體退化緩慢。其原因為在加載初期，節(jié)點整體基本處于彈性狀態(tài)，整體剛度較大。隨著荷載的增大，角鋼加勁肋及鋼梁出現了不同程度屈曲，核心區(qū)混凝土受剪破壞產生的的裂縫等塑性損傷累計導致等效剛度開始退化。

2) 節(jié)點的初始剛度主要取決于梁柱構件以及頂底角鋼的剛度。隨著梁柱及角鋼尺寸的增大節(jié)點剛度也隨之增大。在加載后期，角鋼連接件出現屈服后，節(jié)點剛度主要取決于梁柱尺寸。

(a) SJ-1北滯回曲線；(b) SJ-1南滯回曲線；(c) SJ-2北滯回曲線；(d) SJ-2南滯回曲線；(e) SJ-3北滯回曲線；(f) SJ-3南滯回曲線；(g) SJ-4北滯回曲線；(h) SJ-4南滯回曲線

(a) SJ-1，SJ-2骨架曲線；(b) SJ-3，SJ-4骨架曲線

表3 各試件主要階段特征值

在往復荷載作用下，當保持相同的峰點位移時，峰值荷載隨循環(huán)次數的增多而降低的現象稱作強度退化，如式(2)所示。

式中：λj為第j級加載時的強度退化系數；Pj為第j級加載峰值荷載；Pj,max為第j級荷載加載中峰值荷載。所有試件的同級荷載強度退化程度并不明顯，SJ-3在強度退化曲線中部有所上升是因為螺栓滑移導致梁柱之間產生了一定的殘余變形，再加載時螺栓滑移程度的增加導致螺栓的抗剪程度提高，強度退化曲線如圖7所示。

圖7 強度退化曲線

3.4 耗能能力

耗能能力是試件抗震性能的重要評價指標之一，依據試件的荷載?位移滯回曲線，計算出每周循環(huán)下所耗散的能量及等效黏滯阻尼系數。等效黏滯阻尼系數計算參考《建筑抗震試驗規(guī)程》JGJ/T 101?2015[15]，得到的累積耗能曲線見圖8所示。

各試件周耗能和累積耗能逐漸增加，在加載初期，試件整體處于彈性狀態(tài)，滯回環(huán)所圍成的單圈面積較小。隨著角鋼及鋼梁發(fā)生屈服以及節(jié)點核心區(qū)混凝土開裂等塑性損傷不斷發(fā)展，試件單圈耗能增長速度加快。根據以往的研究結果可知，鋼筋混凝土節(jié)點的等效黏滯阻尼系數h在0.1左右。由表4可知，各試件的等效黏滯阻尼系數h在0.112～0.181之間均不低于鋼筋混凝土節(jié)點，與節(jié)點延性結果規(guī)律相同，說明該裝配式節(jié)點具有較為良好的耗能能力。

圖8 各試件累計耗能對比

表4 試件耗能能力

4 結論

1) 在角鋼尺寸不變的情況下，增大梁柱尺寸能顯著增加節(jié)點剛度及承載力，僅增加角鋼尺寸對節(jié)點剛度及承載力提高較??；在加載后期，角鋼連接件出現屈服后，節(jié)點剛度主要取決于梁柱尺寸。

2) 該類型節(jié)點的位移延性系數及等效黏滯阻尼系數h均略高于現澆混凝土試件，說明本文介紹的新型RCS節(jié)點構造具有較好的延性及耗能能力。SJ-3發(fā)生了滑移破壞導致等效黏滯阻尼系數明顯大于其他構件，滯回曲線飽滿，其余試件滯回曲線均呈明顯的捏縮現象，與其破壞形式相對應。

3) 所有試件均發(fā)生了不同程度的節(jié)點核心區(qū)混凝土剪切破壞，導致節(jié)點抗震性能與現澆鋼筋混凝土節(jié)點相近，為了更好的發(fā)揮鋼結構連接的耗能優(yōu)勢，需進一步優(yōu)化節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力。

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Experimental study on seismic behavior of assembled concrete column-steel beam joint based on angle steel with ribs

SHU Xingping1, ZHANG Han1, ZHANG Zaihua2

(1. Institute of steel structure, College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China;)

In order to study the seismic behavior of the assembled concrete column steel beam joint based on the angle steel with ribs, four specimens of cross beam column joint in the middle of the frame were designed and manufactured, and the quasi-static test was carried out. The influences of the beam column section size, the number of bolts at the beam end and the angle steel size on the bearing capacity, energy consumption capacity, strength degradation, stiffness degradation, ductility and failure mode were analyzed。The results show that the failure mode of this type of joint is mainly shear failure in the core area of concrete under the action of low cycle reciprocating load, and the angle steel stiffener and steel beam have different degrees of buckling. The hysteretic curve of the test piece shows similar pinching phenomenon with the existing reinforced concrete joint, and the ductility and energy consumption capacity of the test piece is slightly higher than that of the reinforced concrete joint. The change range of strength degradation coefficient of all specimens is small, ranging from 0.8 to 1.0. The joint has good bearing capacity, energy dissipation capacity and ductility, but the bearing capacity of concrete in the core area of the joint needs to be further optimized.

assembled hybrid structure; ribbed top and seat angle; column joints in frame; pseudo static test; seismic performance

TU398

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2626 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20191126

2019?12?13

國家自然科學基金資助項目(5177081911 )

舒興平(1962?)，男，湖南常德人，教授，博士，從事鋼結構高等分析與設計研究；E?mail：hulget@163.com

(編輯 蔣學東)