舒興平， 劉 陽， 張再華， 袁智深

(1 湖南大學土木工程學院鋼結構研究所， 長沙 410082；2 湖南城市學院土木工程學院， 益陽 413000；3 中南林業(yè)科技大學土木工程學院， 長沙 410004)

0 引言

當下，我國正大力發(fā)展綠色裝配式建筑，尋求新型建造方式。預制的鋼筋混凝土梁柱之間采用裝配式節(jié)點進行連接，比傳統(tǒng)現(xiàn)澆結構更為節(jié)能、環(huán)保。從力學性能和抗震性能來看，預應力拼接式節(jié)點、后澆整體式節(jié)點的性能基本等同于現(xiàn)澆節(jié)點。由于工序復雜、施工困難等原因，后澆整體式節(jié)點一定程度上阻礙了裝配式建筑結構的發(fā)展；預應力拼接式節(jié)點則因操作復雜、濕作業(yè)工藝繁瑣，不利于高效快速裝配[1]。

頂底角鋼與高強螺栓的連接是典型的梁柱節(jié)點半剛性干法連接，人工操作少、施工工藝流水化、現(xiàn)場進行拼接時無需施焊。研究[2-3]認為，頂底角鋼連接變形好、耗能能力強；在節(jié)點連接處增設加勁肋后，會提高其承載力及剛度[4]。國內外對該連接形式的理論分析及抗震性能研究較多[5-7]，王來等[6]研究了鋼框架柱與鋼梁上下翼緣之間加設角鋼的半剛性連接形式在循環(huán)荷載作用下的滯回曲線、延性和破壞模式等，試驗結果表明這種連接形式使梁柱的內力分布更加合理，具有良好的抗震性能。付芳等[7]研究了頂底角鋼對PEC柱-鋼梁節(jié)點抗震性能的影響，試驗結果表明頂底角鋼連接PEC柱-鋼梁節(jié)點抗震性能良好，滯回曲線飽滿。上述基于頂底角鋼裝配的梁柱連接多集中于純框架結構和鋼混組合柱-鋼梁混合結構，但針對鋼筋混凝土柱-鋼梁組成的RCS(reinforced concrete column-steel beam)混合框架梁柱節(jié)點研究較少。

由RCS混合框架結構具有材料利用率高、成本低、施工速度快等優(yōu)點，從選材上具有合理性和經濟性[8]。鋼筋混凝土柱較鋼柱有更好的穩(wěn)定性和耐久性；鋼梁截面小、自重輕、節(jié)省模板用量，可適用大跨度結構。故作為混合框架中主要傳力部件的梁柱節(jié)點連接形式是研究的關鍵。目前國內對RCS混合框架結構體系的節(jié)點研究較少，楊建江等[9]設計了鋼梁上下翼緣穿過節(jié)點核心區(qū)的鋼梁-鋼筋混凝土柱節(jié)點試驗，研究了節(jié)點的強度和變形性能，得到不同構造措施下的節(jié)點極限承載力公式和受剪承載力計算公式；毛煒烽等[10]研究了鋼梁和鋼筋混凝土柱間采用螺栓和端板連接的新型混合節(jié)點的抗震性能。

本文以實際工程應用為背景，參照頂底角鋼和高強螺栓的連接形式，制定了鋼筋混凝土柱-鋼梁邊節(jié)點的構造和試驗方案，本文研究對象為RCS混合干法框架結構體系(圖1)中的梁柱邊節(jié)點。

圖1 RCS混合干法框架結構體系

1 邊節(jié)點構造

圖2為RCS混合干法框架梁柱邊節(jié)點構造圖、圖3為RCS混合干法框架梁柱邊節(jié)點核心區(qū)構造圖。具體做法為：柱端高強螺栓與90°彎折鋼筋在工廠進行雙面焊接，放入到待綁扎鋼筋籠中。成為一個整體后支側模固定柱端高強螺栓的位置，再支其余的模具，最后進行澆筑養(yǎng)護。整個節(jié)點區(qū)的構造為：事先預埋在柱中的柱端高強螺栓與鋼筋混凝土柱相連；角鋼與柱端高強螺栓相連，型鋼梁與角鋼通過梁端高強螺栓相連。

圖2 RCS混合干法框架梁柱邊節(jié)點構造圖

圖3 RCS混合干法框架梁柱邊節(jié)點核心區(qū)構造圖

2 試驗概況

2.1 試件設計及制作

設計制作了3個梁柱連接節(jié)點的單調加載試件，編號為BAS-1，BAS-2，BAS-3；3個梁柱連接節(jié)點的循環(huán)加載試件，編號為CBAS-0，CBAS-1，CBAS-2。根據框架結構的反彎點位置設計梁試件長1.5m，柱試件長3m。角鋼通過10.9級M20摩擦型高強螺栓分別與混凝土柱和鋼梁進行連接。在試驗開始前，根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)中的建議對高強螺栓施加155kN預緊力。試件尺寸及相關參數見表1，其中bc為混凝土柱邊長；t為角鋼厚度。節(jié)點的基本構造圖如圖4所示。

試件尺寸及相關參數 表1

圖4 節(jié)點基本構造圖

圖5、圖6為柱端高強螺栓與90°彎折鋼筋焊接的大樣圖與工廠加工圖?；炷林鶅扰溆?20的縱筋以及8@100的箍筋，核心區(qū)采取柱端高強螺栓與彎折鋼筋焊接的錨固措施。彎折鋼筋與高強螺栓采同一直徑雙面焊，焊縫長度為240mm，彎折端長度為400mm，滿足錨固長度，焊接工作全部在工廠完成?；炷疗骄⒎襟w試塊強度為31.7MPa，其余各試件材料試驗結果見表2。

圖5 柱端高強螺栓與彎折鋼筋焊接的大樣圖

圖6 混凝土柱核心區(qū)工廠加工圖

2.2 加載裝置與加載方案

RCS混合干法框架梁柱邊節(jié)點中所需試件委托某房屋科技有限公司加工，試驗在湖南城市學院結構實驗室開展。由兩個反力架組成了邊節(jié)點的加載設備，如圖7所示。加載時柱處于豎立狀態(tài)，柱頂和柱底分別由反力架1和地槽固定；地槽和連接板固定60t電伺服作動器；反力架2與短橫梁及斜支撐構成柱的側向支撐。為確保柱頂部與底部只發(fā)生軸向變形，柱頂部通過螺桿與柱側向支撐連接。試驗的鋼筋混凝土柱軸向力通過千斤頂施加，軸壓比為0.25；梁端的豎向力通過60t電液伺服作動器施加。

材性試驗結果 表2

圖7 加載裝置示意圖

試驗采用梁端加載的方式，計算簡圖如圖8所示。首先保持恒定，在柱頂施加321kN豎向荷載。然后由豎向作動器在梁端施加豎向荷載。單調加載采用位移控制，彈性階段按2mm的幅值進行加載，進入塑性階段后按3mm→4mm→5mm的幅值進行加載。循環(huán)加載同樣采用位移控制方法，加載過程分兩階段進行：彈性階段，位移按6mm的級差進行一次反復加載；進入塑性階段后，每級加載進行兩次反復循環(huán)。當荷載下降至最大荷載的85%時或遠超于規(guī)范限定的最大層間位移角時終止試驗，循環(huán)加載制度見圖9。

圖8 試驗加載計算簡圖

圖9 循環(huán)加載制度

2.3 測點布置與量測內容

圖10為試件的位移計測點布置圖。其中hcf，hbf，lc分別為位移計D1和D2，D3和D4，D5和D6之間的距離；lb為鋼梁的長度。在試件節(jié)點區(qū)柱端布置水平位移計D1，D2，由其測得的u1，u2表示梁柱節(jié)點核心區(qū)的變形；在梁端布置豎向位移計D3，D4，由其測得的u3，u4表示節(jié)點梁端的轉角[11]；在柱的上下端布置百分表D5，D6，由其測得的u5，u6表示裝置的剛體轉動。電液伺服加載系統(tǒng)可采集梁端荷載P和位移Δ。注意在使用之前對各儀器分別進行標定。根據試驗中的所測得的u1，u2，u3，u4可得節(jié)點轉角θr，即：

圖10 位移測點布置圖

(1)

圖11 梁柱相對轉角示意圖

3 單調加載試驗結果及分析

單調加載試驗結果 表3

3.1 試驗現(xiàn)象及破壞特征

對于BAS-1，BAS-2，BAS-3，在加載開始階段，試件的應力-應變曲線均呈直線，試件處于彈性階段，混凝土柱沒有出現(xiàn)明顯裂紋。如圖12(b)所示，隨著荷載的增加，BAS-2頂角鋼與鋼梁共同作用，受拉側頂角鋼與混凝土柱之間產生微小縫隙。隨著彎矩的增大，梁上端頂角鋼短肢靠近柱端螺栓高度處出現(xiàn)第一條裂縫。

圖12 單調加載試件破壞形態(tài)

隨著梁端荷載的增加，BAS-1，BAS-3角鋼與梁上翼緣之間逐漸頂緊，當摩擦力達到一定值后，梁端荷載突然下降，角鋼與梁表面發(fā)生輕微滑動，判斷此時角鋼與鋼梁間發(fā)生滑移，但高強螺栓變形不明顯(圖12(a)，(c))。隨著BAS-1加載位移增大至43mm，BAS-3加載位移增大至57mm，梁端荷載逐漸回升，鋼梁上翼緣和頂底角鋼加勁肋依次屈服，柱下端逐漸出現(xiàn)每隔100mm的貫通裂縫(圖12(j))，柱上端角鋼處依次出現(xiàn)幾條斜裂縫(圖12(k))。隨著BAS-1加載位移增大至140mm、BAS-3加載位移增大至147mm，梁端荷載逐漸增大，頂角鋼短肢、長肢及柱端高強螺栓墊片處出現(xiàn)明顯的彎曲(圖12(g)，(h)，(i))。最終層間位移角為0.1rad(圖12(d)，(f))，柱端高強螺栓處匯集大量裂縫，終止加載。

隨著加載位移增大，BAS-2梁端荷載逐漸增大，鋼梁及頂底角鋼加勁肋依次屈服，柱上下端依次出現(xiàn)細小裂縫。試件進入塑性階段，裂縫延伸并增多，節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)一條斜裂縫；位移加載至85mm時，梁端荷載為116kN，明顯的彎曲出現(xiàn)在其短肢、長肢以及柱端高強螺栓墊片處。隨時加載位移繼續(xù)增加，柱端高強螺栓處匯集大量裂縫(圖12(l))；加載至90.5mm時，試件發(fā)出“砰”的聲響，梁端荷載瞬間降低至63.2kN，此時頂角鋼處混凝土少量剝落，導致頂角鋼連接柱端高強螺栓處的節(jié)點試件暴露在混凝土柱外(圖12(e))，此時終止加載。

在試驗過程中，隨著梁端加載位移增大，鋼梁及頂底角鋼依次屈服，混凝土柱的損傷現(xiàn)象僅發(fā)生在節(jié)點域。

(1)從圖12(j),(h),(i)中可以得出：當連接處發(fā)生破壞時，頂角鋼的短肢發(fā)生較大的變形，長肢與鋼梁的上翼緣發(fā)生不同程度的鼓曲，而混凝土柱僅相繼出現(xiàn)斜裂縫和相隔100mm細小貫通裂縫，為正常使用狀態(tài)裂縫。此時梁柱及角鋼連接件均未達到極限承載力，可繼續(xù)承載；

(2)未發(fā)生滑移的試件加載至混凝土柱破壞前，梁端彎矩已達到抗彎承載力設計值，此時混凝土柱并未發(fā)生明顯破壞。當加載至混凝土柱承載力極限值時，鋼梁及頂底角鋼均進入塑性階段，混凝土柱出現(xiàn)了較大的裂縫。因此，本文提出的節(jié)點構造較為合理，能充分發(fā)揮材料的受力性能。

綜上所述：拉壓力按圖13所示方向進行傳遞[12]。梁端荷載通過高強螺栓傳遞到受拉角鋼長肢時，沿加勁肋進行傳遞。傳遞到角鋼短肢時，由于應力改變了方向，角鋼短肢受到了平面外的拉力作用。故角鋼長肢彎曲程度較小，角鋼短肢屈曲被拉離柱表面。從試驗現(xiàn)象中也可以得出相應結論。故梁端荷載的傳力途徑為：鋼梁—高強螺栓—頂底角鋼，在各部件充分受力后，最終均傳至混凝土柱。角鋼及鋼梁彎曲明顯，混凝土柱出現(xiàn)不同程度的損傷。

圖13 應力傳遞路徑

3.2 荷載-位移曲線

加載初期，試件的荷載-位移曲線呈線性變化，屈服后伴隨著滑移現(xiàn)象的產生，加載后期曲線會近似成一條直線。

由圖14(a)荷載-位移曲線可知：位移增速隨荷載的增加而逐漸加快；由于BAS-2梁端螺栓排數大于BAS-1，BAS-3梁高大于BAS-1，分析表3結果可知，梁端螺栓排數的提高以及梁高的增大可以避免或延遲螺栓發(fā)生滑移，同時對節(jié)點的承載力分別提高了39.4%和37.4%。

圖14 單調加載試件試驗曲線

3.3 彎矩-轉角曲線

由圖14(b)彎矩-轉角曲線可知：各個試件的彎矩-轉角曲線在初始加載階段均呈線性發(fā)展。在不考慮滑移的情況下，加載后期均呈現(xiàn)近似為一條直線的塑性發(fā)展階段。根據幾何作圖法[13]得出屈服荷載對應的彎矩為節(jié)點抗彎承載力My，極限荷載對應的彎矩為節(jié)點的極限抗彎承載力Mu[14-15]；從試驗實測的彎矩-轉角曲線中得到曲線初始線性部分的斜率為初始剛度Kj,ini，節(jié)點在單調加載下的極限轉角θju[16-17]為加載至混凝土柱破壞或因梁轉動過大破壞時的轉角，單調加載試驗結果見表3。

由表3結果可知，節(jié)點構造形式會對節(jié)點的抗彎承載力、極限抗彎承載力造成一定影響。BAS-2的抗彎承載力隨著梁端螺栓排數的增加相較于BAS-1增加了39.4%，極限抗彎承載力增加了3%。這是由于BAS-1在加載過程當中發(fā)生了滑移，滑移之后的一段時間內，荷載先下降后逐步回升，同時位移較荷載增長較快，導致抗彎承載力降低。

由此得出：梁端螺栓排數的增加對極限承載力的影響較大，可避免滑移現(xiàn)象的產生，充分發(fā)揮節(jié)點的抗彎承載力；BAS-3的抗彎承載力隨著梁高的增加相較于BAS-1的增加了37.4%，極限抗彎承載力增加了32.5%。這是由于梁高的增加使得力矩增大，梁端螺栓的滑移荷載隨之提高，同時抗彎承載力和極限抗彎承載力都有所增大。

3.4 節(jié)點剛度分析

由試驗結果可知，BAS-2的初始轉動剛度相較于BAS-1增加了13%，BAS-3的初始轉動剛度相較于BAS-1增加了28%，證明初始轉動剛度與梁端螺栓排數和梁高有關，且梁高的改變對初始轉動剛度的影響較大。對于BAS-2，由于節(jié)點處混凝土的大塊剝落使得節(jié)點無法繼續(xù)承載，荷載迅速下降，導致節(jié)點的極限轉角與BAS-1，BAS-3相比較小。

為考察節(jié)點是否屬于半剛性連接，參考歐洲規(guī)范EN 1993-1-8[18]中按剛度分類的方法對本次試驗的3個試件進行分類。如圖15所示，試驗節(jié)點按有無側移框架的分類標準進行劃分，BAS-1，BAS-2，BAS-3均屬于半剛性節(jié)點。

圖15 節(jié)點剛度評價

4 循環(huán)加載試驗結果及分析

循環(huán)加載試驗結果 表4

4.1 試驗現(xiàn)象及破壞特征

CBAS-0，CBAS-2最終加載至混凝土柱破壞，CBAS-1加載至滑移破壞。

CBAS-0加載至第8圈(加載位移為42mm)時，梁端荷載突然下降(由69kN下降至65.1kN)，判斷此時角鋼與鋼梁間發(fā)生滑移；滑移后一段時間內，梁端荷載在呈遞減趨勢，斜裂紋按長度擴展，并且核心區(qū)域出現(xiàn)很多細小的裂縫；加載至第14圈(加載位移為90mm)時，梁端荷載為-71.4kN，此時柱下端東西面從底角鋼高強螺栓高度處開始每隔100mm出現(xiàn)一條裂縫；繼續(xù)加載，鋼梁及頂底角鋼均進入塑性變形階段。柱上、下端高強螺栓處匯集大量裂縫，節(jié)點核心區(qū)也出現(xiàn)多條斜裂縫，最寬處達5mm，此時混凝土柱破壞，試件終止加載(圖16(a)，(b))。

CBAS-1加載至第6圈(加載位移為30mm)時，梁端荷載由79kN下降至69.1kN，判斷此時角鋼與鋼梁發(fā)生滑移；滑移后一段時間內，梁端荷載呈遞減趨勢，核心區(qū)新出很多細小裂縫；試件破壞階段，由于滑移導致的荷載下降值過大，故在加載位移增大時，梁端荷載增大幅度很小，當位移加載至-55mm時，梁端荷載為-54.1kN，此時柱裂縫不明顯，梁端荷載已下降至85%，試件終止加載，如圖16(c)所示。

CBAS-2位移加載至第10圈(加載位移為55mm)時，梁端荷載為108.7kN；當位移加載至第12圈(加載位移為70mm)時，梁端荷載為96.8kN；當位移加載至第12圈(加載位移為-70mm)時，梁端荷載為-85.6kN，荷載下降至上一級荷載的85%。此時鋼梁及頂底角鋼均進入塑性階段，柱上下端高強螺栓處匯集大量裂縫，節(jié)點核心區(qū)也出現(xiàn)多條斜裂縫，最大裂縫寬度達到5mm，混凝土柱破壞，試件終止加載(圖16(d)，(e))。

圖16 循環(huán)加載試件破壞形態(tài)

4.2 滯回曲線

循環(huán)荷載試件試驗曲線如圖17所示，結果對比見表4。

由圖17(a)可知，CBAS-0,CBAS-1的滯回曲線呈反S形，說明發(fā)生了滑移。加載至柱破壞的CBAS-0較發(fā)生滑移破壞的CBAS-1滯回曲線飽滿，延性和耗能也較好；CBAS-2的滯回曲線呈弓形，曲線較飽滿，節(jié)點具有良好的耗能能力和較強的塑性變形能力。由表4和圖17(a)可知，未產生滑移CBAS-2的節(jié)點荷載較滑移CBAS-0，CBAS-1的節(jié)點荷載分別提高了58%，48.2%，曲線較飽滿。

圖17 循環(huán)加載試件試驗曲線

由表4和圖17(b)，(c)可知，CBAS-0，CBAS-1都發(fā)生了滑移，其彎矩承載力分別較CBAS-2降低36.7%，32.5%；CBAS-2的初始剛度、峰值彎矩Mmax、極限彎矩Mu都有所增加，而節(jié)點的極限轉動能力較發(fā)生滑移的CBAS-0，CBAS-1分別降低了42%，14.3%，說明梁端螺栓的排數以及梁高的改變會決定該節(jié)點的性能是否充分發(fā)揮。

4.3 耗能能力

試件的耗能能力包含兩個指標：能量耗散系數E、等效黏滯阻尼系數he。根據試件所得到的滯回曲線，通過式(2),(3)，可分別計算出各試件的等效黏滯阻尼系數he和能量耗散系數E：

(2)

E=2πhe

(3)

耗能指標計算結果見表5，計算示意圖見圖18。E作為耗能指標之一，其大小決定著耗能能力的強弱。通過計算結果可知：1)CBAS-1耗能相較于CBAS-2降低了54.4%；2)CBAS-0截面相較于CBAS-1有所增大，節(jié)點耗能能力有所增強。

各試件的耗能指標計算結果 表5

圖18 耗能能力計算示意圖

4.4 剛度退化

常用K-S曲線來反映加載過程中試件的剛度衰減情況。

(4)

式中Pji和uji分別為第j次加載位移時，第i次加載峰值點的荷載值和位移值。

試件的剛度退化曲線如圖19所示。初期隨著加載過程，剛度均勻退化，接近屈服荷載時曲線逐漸趨于平緩。通過試件CBAS-1，CBAS-2的剛度退化曲線對比可知，兩個試件的剛度退化曲線在加載初期基本重合且趨勢一致。由此可知，在梁端螺栓排數增加時，對于連接節(jié)點的剛度影響較小。加載中期CBAS-1的荷載突然發(fā)生大幅度的下降，是由于節(jié)點發(fā)生了螺栓滑移。在進入屈服階段后，位移增加速度較剛度退化速度快，最終趨于平緩；對比CBAS-0，CBAS-2的剛度退化曲線可以得出：初始剛度對于兩組試件確實存在很大差異，但由于兩組試件的破壞模式相同，故剛度退化曲線是趨勢一致的，且較發(fā)生滑移破壞的CBAS-1剛度退化曲線更均勻。

圖19 剛度退化曲線

4.5 節(jié)點延性

通常采用位移延性系數μ來判斷試件屈服后變形的能力：μ=Δu/Δy來衡量各試件的變形能力。

試件移延性系數結果匯總見表6，可知μ≥2，該節(jié)點延性較好。CBAS-2位移延性系數雖較低，但高于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構位移延性系數2.0的要求。原因為梁端螺栓排數增多，破壞為混凝土柱破壞。

試件位移延性系數 表6

5 結論

(1)節(jié)點的初始剛度、抗彎承載力、極限抗彎承載力與節(jié)點的構造形式有關。節(jié)點梁端螺栓排數的增加會使節(jié)點的初始剛度增大，對極限承載力的影響較小，但可以避免發(fā)生滑移，使節(jié)點充分發(fā)揮抗彎承載力；梁高的增加對初始剛度影響相對較大，同時也會延遲梁端螺栓發(fā)生滑移，進而提高節(jié)點的抗彎承載力。

(2)梁端螺栓的排數與混凝土截面的尺寸會導致不同的破壞模式，從而表現(xiàn)出不同的耗能能力。加載至柱破壞的節(jié)點比發(fā)生滑移破壞的節(jié)點耗能低，但均大于現(xiàn)澆鋼筋混凝土節(jié)點的耗能能力。

(3)RCS混合干法框架梁柱連接節(jié)點屬于典型半剛性連接。節(jié)點的延性較好，隨著梁端螺栓排數增多，位移延性系數降低，但均高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構位移延性系數2.0的要求。