型鋼超高強(qiáng)混凝土邊節(jié)點(diǎn)抗震性能研究＊

劉 偉 賈金青 李 勇 張 瀟

（大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 大連 116024）（大連現(xiàn)代軌道交通有限公司2） 大連 116021）

0 引 言

超高強(qiáng)混凝土以其強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，越來越廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐中，但超高強(qiáng)混凝土脆性大、延性差也是其不可忽略的缺點(diǎn).因此，克服超高強(qiáng)混凝土這一缺點(diǎn)成為其應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵［1］.而在鋼筋超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中埋設(shè)鋼骨，可提高構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性.型鋼超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)是介于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間的一種組合結(jié)構(gòu)，它具有剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、工序簡單等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用［2］.這種組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)（作為主要傳力部件）也得到越來越多的關(guān)注.許多國家都制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，我國的設(shè)計(jì)規(guī)程中盡管包括對(duì)高強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)，但仍沿用普通混凝土的設(shè)計(jì)方法，混凝土標(biāo)號(hào)在C60 以下，國外研究多集中在RC 梁-SRC柱節(jié)點(diǎn)，較少涉及SRC梁-SRHC 柱節(jié)點(diǎn)研究.總體而言，SRHC 節(jié)點(diǎn)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于SRHC 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，尤其是邊節(jié)點(diǎn)的研究成果相對(duì)更少.因此，本文通過對(duì)SRHC 邊節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)，研究了SRHC邊節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的延性，耗能能力及剛度退化規(guī)律等力學(xué)性能，以期為SRHC 邊節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步研究和工程應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共制作了5個(gè)截面尺寸相同的型鋼超高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)，柱截面尺寸為200 mm×200mm，柱高為1500mm；梁截面尺寸為160mm×300mm，梁長度為1020mm；試件梁、柱縱筋分別采用HRB335級(jí)φ20，φ14螺紋鋼筋，節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋采用HPB300 級(jí)φ6 鋼筋，其他區(qū)域箍筋采用HRB400級(jí)φ6 螺紋鋼筋，型鋼采用普通熱軋型鋼.所有試件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C100.試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)采用柱貫通方式，梁內(nèi)型鋼翼緣坡口后與柱中型鋼進(jìn)行焊接，型鋼腹板通過角焊縫與柱中型鋼連接，并在梁柱鋼骨連接處加設(shè)加勁肋，以防止在低周往復(fù)荷載作用下發(fā)生連接處焊縫脆性破壞.本文主要研究軸壓比、配箍率對(duì)型鋼超高強(qiáng)混凝土柱-型鋼混凝土梁框架節(jié)點(diǎn)及型鋼超高強(qiáng)混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架節(jié)點(diǎn)延性、耗能能力及剛度退化規(guī)律的影響.試件主要參數(shù)見表1，試件尺寸及配筋情況見圖1.

表1 試件基本參數(shù)

圖1 試件尺寸及配筋

1.2 加載方案及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用擬靜力加載，柱頂采用液壓千斤頂施加軸向荷載，梁端為自由端，采用300kN 千斤頂施加等量反對(duì)稱低周往復(fù)荷載［3］，試驗(yàn)加載裝置見圖2.

圖2 加載裝置

加載制度采用力-位移混合控制，試件在達(dá)到屈服位移前采用荷載控制，達(dá)到屈服位移后采用位移控制，按照屈服位移的倍數(shù)分級(jí)加載，每級(jí)位移水平下循環(huán)2次，直至梁端荷載下降至極限荷載的85%或試件失去承載力為止.

2 試驗(yàn)過程及主要結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過程及破壞特征

試驗(yàn)中試件SSRC-25-0.8，SSRC-45-0.8，SSRC-25-1.2，SRC-RC-25-1.2 的節(jié)點(diǎn)區(qū) 域均發(fā)生了剪切破壞，破壞過程分為彈性、屈服、極限及破壞4個(gè)階段.而試件SRC-RC-45-1.2破壞過程明顯縮短，且破壞前無先兆，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫形態(tài)以X 形裂縫為主，伴隨豎向裂縫，隨著梁端位移加大，豎向裂縫也出現(xiàn)延伸，寬度增大.

2.1.1 彈性階段

彈性階段是指節(jié)點(diǎn)從施加荷載起到節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)初始裂縫的階段.當(dāng)節(jié)點(diǎn)梁端正方向加載至25～30kN 時(shí)，節(jié)點(diǎn)梁根部約15cm 范圍內(nèi)首先出現(xiàn)微小裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm，該裂縫為豎向彎曲裂縫.隨著往復(fù)荷載的繼續(xù)施加，梁不斷出現(xiàn)豎向及斜向裂縫.當(dāng)節(jié)點(diǎn)梁端正方向加載至60～75kN 時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫寬度約為0.06～0.08mm，并且斜向裂縫沿平行于對(duì)角線方向擴(kuò)展延伸.初裂階段，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形與箍筋應(yīng)變很小，剪力主要由混凝土與鋼骨承擔(dān).

2.1.2 屈服階段

屈服階段指節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)第一條裂縫至節(jié)點(diǎn)鋼骨腹板屈服為止.隨著往復(fù)荷載繼續(xù)施加，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不斷出現(xiàn)斜裂縫，這些斜裂縫將核心區(qū)混凝土分割成菱形小塊.同時(shí)，梁端裂縫上下貫通并加寬，并出現(xiàn)斜向裂縫.當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的90%時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)主裂縫貫通，梁端裂縫變化不大.在此階段，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋應(yīng)變?cè)鲩L很快，節(jié)點(diǎn)剪力主要由型鋼承擔(dān)，鋼骨腹板開始屈服，箍筋尚未屈服.

2.1.3 極限階段

核心區(qū)混凝土“通裂”后，由于混凝土斜裂縫間骨料咬合和摩擦作用以及箍筋約束，核心區(qū)混凝土仍能承擔(dān)大部分剪力.同時(shí)，型鋼腹板均已屈服，并進(jìn)入強(qiáng)化階段，箍筋也逐漸屈服，節(jié)點(diǎn)承擔(dān)荷載仍能增加.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)交叉貫通狀態(tài)，裂縫明顯加寬，其寬度達(dá)到約1.6 mm，并伴有輕微劈裂聲.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形明顯增大，試件進(jìn)入極限狀態(tài)，承載力達(dá)到極限荷載值.

2.1.4 破壞階段

達(dá)到峰值荷載之后，隨著位移的增大，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土開始被壓碎并大塊剝落.但由于型鋼骨架的存在，節(jié)點(diǎn)仍能繼續(xù)承載，承載力開始下降，通常下降至極限荷載的85%或試件失去承載力，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)試件破壞.

2.2 滯回曲線特征及變化規(guī)律

本研究中滯回曲線為節(jié)點(diǎn)試件梁自由端往復(fù)荷載與梁自由端豎向位移的曲線.各試件滯回曲線見圖3.由圖3中可見：

1）彈性階段時(shí)，混凝土尚未開裂，滯回曲線基本呈直線變化，卸載時(shí)無殘余變形.屈服前，滯回曲線呈穩(wěn)定的梭形，殘余變形與剛度退化很小.隨著荷載等級(jí)的加大，SRHC 柱／SRC 梁框架節(jié)點(diǎn)滯回曲線愈加飽滿，沒有明顯捏縮現(xiàn)象，表明SRHC 柱／SRC 梁框架節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力.而SRHC柱／RC梁框架節(jié)點(diǎn)滯回曲線出現(xiàn)明顯捏縮效應(yīng)，其飽滿程度及抗震能力明顯差于SRHC柱／SRC梁框架節(jié)點(diǎn).

2）配箍率相同的條件下，試件SSRC-45-0.8與SSRC-25-0.8相比較，加載至彈塑性階段后，隨著位移循環(huán)次數(shù)的增加，荷載顯著下降，耗能能力降低，表明軸壓比越大，屈服后剛度退化快，荷載下降顯著，延性及耗能能力越差.

3）軸壓比相同的情況下，配箍率較小的試件屈服后剛度退化較快，荷載顯著下降，耗能能力降低，與配箍率較高的試件相比，其極限荷載明顯較低，表明抗震延性及承載力隨配箍率的降低而下降.

4）高軸壓比作用下，對(duì)試件SRC-RC-45-1.2而言，梁端屈服前，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)發(fā)生剪切失效，該破壞形式達(dá)不到預(yù)期的抗震能力，且發(fā)生剪切破壞的節(jié)點(diǎn).

圖3 荷載-位移滯回曲線

不論剪切破壞的破壞形態(tài)如何，其延性均很差.在高軸壓比作用下，由節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土斜壓桿機(jī)制及桁架機(jī)制共同傳遞的斜向壓力過大，使得核心區(qū)混凝土在梁端及節(jié)點(diǎn)區(qū)域箍筋屈服前被斜向壓碎，這種破壞純屬脆性破壞.

2.3 骨架曲線

各試件骨架曲線對(duì)比見圖4.從圖中可以看出：

1）對(duì)于配箍率相同的試件，隨著軸壓比的增大，骨架曲線的屈服段較短，下降段變得陡峭，與坐標(biāo)軸形成的面積相對(duì)較小，加載至峰值荷載后，強(qiáng)度退化加快，極限變形能力降低.原因在于軸壓比與混凝土的極限壓應(yīng)變有關(guān)，軸壓比不同時(shí)，截面的應(yīng)變分布明顯不同，低軸壓比時(shí)，截面的應(yīng)變梯度較大，隨著軸壓比的增大，截面應(yīng)變梯度減小，當(dāng)軸壓比很高時(shí)，截面應(yīng)變分布類似于軸心受壓構(gòu)件［4］.

圖4 骨架曲線對(duì)比

2）配箍率對(duì)試件節(jié)點(diǎn)的延性有明顯的影響，隨著節(jié)點(diǎn)配箍率的增大，其相應(yīng)的骨架曲線趨于平緩，與坐標(biāo)軸形成的面積較大，其延性及耗能能力相對(duì)較好，這是由于箍筋對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土提供了有效約束，提高了節(jié)點(diǎn)的極限變形能力，從而提高了試件的延性.

3）與RC 節(jié)點(diǎn)相比，HSRC 框架節(jié)點(diǎn)屈服段較長，下降段較平緩，與坐標(biāo)軸形成的面積較大，變形能力較強(qiáng)，極限承載力由64kN 提高到93 kN，增幅45.3%，說明型鋼對(duì)超高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的延性改善顯著，并可大幅提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力.

2.4 延性及耗能能力

根據(jù)骨架曲線，采用能量法求屈服位移，極限位移為0.85峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移，極限位移與屈服位移之比即為位移延性系數(shù)μΔ［5］.耗能能力是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的主要指標(biāo)，本文采用等效粘滯阻尼系數(shù)he來表示，其定義為［6］

式中：E1為對(duì)應(yīng)于最大荷載時(shí)的滯回環(huán)面積，即結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存能量的能力；E2為對(duì)應(yīng)于最大荷載時(shí)的彈性變形能，按下式確定.

等效粘滯阻尼系數(shù)he越大，試件的耗能能力越強(qiáng).各試件的位移延性系數(shù)見表2，等效粘滯阻尼系數(shù)見表3.

表2 位移延性系數(shù)

表3 等效粘滯阻尼系數(shù)

由表2可見，在同組試件中，試件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的耗能能力與其位移延性系數(shù)有著相似的規(guī)律，即隨著軸壓比的增大而減小，說明軸壓比較小的試件有更好的延性及耗能能力；軸壓比相同的條件下，試件的位移延性系數(shù)及等效粘滯阻尼系數(shù)隨著配箍率的提高而有所增大；另外，SRUH-SC柱／SRC梁框架節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)平均值為4.63，較SRUHSC 柱／RC 梁框架節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)平均值2.6提高78.1%，說明型鋼的存在顯著改善了構(gòu)件的延性性能.

2.5 剛度退化

采用同級(jí)控制位移下的環(huán)線剛度表示剛度退化，環(huán)線剛度定義如下［7］：

環(huán)線剛度表示在同一位移幅值水平下，節(jié)點(diǎn)試件剛度隨同級(jí)往復(fù)荷載次數(shù)的增加而降低.考慮軸壓比、配箍率兩個(gè)因素對(duì)環(huán)線剛度的影響，見圖6.

圖6 剛度退化曲線對(duì)比

從圖6可以看出：（1）節(jié)點(diǎn)試件的環(huán)線剛度隨加載位移幅值的增大而減小，耗能能力逐漸減弱，產(chǎn)生該現(xiàn)象的根本原因是框架節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力后的彈塑性及累積損傷.這種損傷主要表現(xiàn)為混凝土各種裂縫的滋生和擴(kuò)展，鋼筋的屈服及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移；（2）配箍率相同的條件下，高軸壓比的節(jié)點(diǎn)試件剛度退化快，而低軸壓比試件剛度退化則相對(duì)較慢.主要是由于在剪壓比一定的條件下，軸壓比的增大能使梁筋屈服區(qū)向節(jié)點(diǎn)內(nèi)滲透減慢，從而推遲節(jié)點(diǎn)斜裂縫的出現(xiàn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震有利.而當(dāng)軸壓比進(jìn)一步增大，斜壓桿中的斜壓力加大，使核心區(qū)混凝土斜向壓潰，對(duì)節(jié)點(diǎn)的最終失效產(chǎn)生不利影響；（3）在同一軸壓比下，配箍率較高的節(jié)點(diǎn)試件剛度退化速度相對(duì)較慢.因?yàn)樗焦拷顚?duì)斜壓混凝土提供橫向約束作用，盡管斜壓桿受壓產(chǎn)生體積膨脹所受到的這種約束作用不直接參與傳遞作用剪力，但卻提高了斜壓桿混凝土的抗壓能力和延性.特別是在加載后期，這對(duì)斜壓桿機(jī)構(gòu)能夠維持其承載能力，從而達(dá)到更大延性提供了關(guān)鍵保證.

3 結(jié) 論

1）軸壓比為0.25時(shí)，節(jié)點(diǎn)滯回曲線較豐滿，骨架曲線較平緩，位移延性系數(shù)較軸壓比為0.45時(shí)提高約50%，等效粘滯阻尼系數(shù)提高約7%.

2）軸壓比為0.25時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率提高50%，試件的位移延性系數(shù)提高10%，等效粘滯阻尼系數(shù)提高約14%.

3）軸壓比與配箍率均相同時(shí)，梁中內(nèi)置鋼骨后，位移延性系數(shù)均值高于SRUHSC 柱／RC 梁框架節(jié)點(diǎn)，具有較好的抗震性能.

［1］黃英省，唐昌輝，張世民.狗骨式鋼骨高強(qiáng)混凝土邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2012，42（5）：139-145.

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