多种框架结构节点抗震性能的研究

薛 源，张长浩，黄 拓

1.长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061

2.长安大学理学院，陕西西安 710064

0 引言

钢筋混凝土框架结构是建筑工程中应用最早的框架结构，近年来随着建筑工程技术的发展，出现了钢混凝土组合结构。钢混凝土组合结构中包括型钢混凝土组合结构和矩形钢管混凝土结构，人们将这两种结构应用于新型框架结构当中。框架结构的水平抗侧移刚度比较差，属于柔性结构，在水平地震荷载作用下常常发生较大位移。一旦位移值超过结构正常使用极限状态的限值，即发生非结构性破坏。但是柔性框架结构在承受水平地震荷载过程中是个耗散能量的过程，本文通过对3种结构的滞回曲线和包络线进行分析比较，探讨它们对耗散地震能量以及结构延性性能的影响。

1 3种结构的试验研究

1.1 矩形钢管混凝土框架节点的试验研究

矩形钢管混凝土结构采用钢材为Q235B，采用四块钢板拼焊而成，混凝土强度等级采用C40。采用强度等级较高的混凝土是为了增强钢管和混凝土之间的粘结，混凝土中加入适量的膨胀剂，以抵消混凝土收缩带来的不利影响。本试验采用的拟精力加载，试验轴压比设计为0.3，竖向荷载通过液压千斤顶加载。试验开始阶段竖向荷载一次加载到预定位移值，然后水平方向施加周期性反复荷载，每一个周期内施加荷载时，在屈服前采用荷载控制加载，屈服后采用屈服位移的倍数控制加载。在反复加载的过程中，框架节点附近梁端先受压鼓曲，后受拉成平面。在最后一级荷载循环中，顶板和底板出现不可恢复的鼓曲变形，被拉开裂，裂缝向侧板中心扩展。顶板，底板和侧板之间的焊缝开裂，内部混凝土被压碎破坏。此时，水平荷载降低至极限荷载的33.3%～50%，试验终止。

1.2 型钢混凝土框架节点的试验研究

本试验采用装配整体式型钢混凝土框架节点，即在工厂预制型钢混凝土梁和型钢混凝土节点，然后在施工现场将节点和梁进行组装，具有施工简便、速度快的特点。同时为了避免梁端部的非线性变形扩散到框架节点核心区从而引起框架节点核心区的开裂，对于离梁端部一定距离处采取了翼缘狗骨式削弱，从而使塑性铰现在狗骨式削弱部位出现。梁端型钢腹板采用高强螺栓连接，钢筋采用套管连接。试件型钢翼缘到混凝土表面的距离是100mm，箍筋的混凝土保护层厚度是50mm。试验装置采用竖向液压加载器和水平反力墙反力架装置。竖向先给柱施加荷载到预定位移，然后竖向给梁端部附近施加周期性反复荷载。试件屈服之前采用

荷载控制加载，每一级荷载正反向各施加一次，试件屈服后采用屈服位移的倍数进行位移控制加载，每级荷载反复施加3次，循环到最大荷载为极限荷载的85%，即认为试件破坏，试验终止。

2 3种结构的滞回性能分析研究

在一个周期内的一个方向的加载过程中，试件经历了线性，弹性阶段，然后是屈服阶段，接着是强化阶段和破坏阶段。在第一个循环的正向加载过程中，试件经历了线性阶段和弹性阶段之后，进入屈服阶段，屈服后进入强化阶段的中间过程时突然卸载，试件有一部分残余变形，然后反向加载，试件同样经历线性阶段，弹性阶段和屈服阶段进入强化阶段，未达极限荷载时再卸载，试件在原有残余变形基础上累加一部分残余变形。然后再进行第二次循环加载，第三次循环加载知道试件发生破坏。由于第一次循环加载过程中试件已经发生了一部分弹塑性变形，累积了一定量的弹塑性损伤，第二次加载过程中试件的刚度下降，强度下降。在荷载变形曲线上表示为第二次循环的拐点值（极限荷载值）比第一次循环降低，荷载变形曲线的斜率降低，则表明其刚度减小。每一次循环加载的正向加载卸载曲线或者反向加载卸载曲线和横轴包围成的闭合线称为滞回曲线。钢筋混凝土框架节点在反复荷载的作用下，强度刚度下降的少，而且每次加载过程中延性比较差，即屈服流幅的时间短，导致滞回曲线窄长不饱和，没有形成纺锤形。型钢混凝土框架节点和矩形钢管混凝土框架节点在每一次加载过程中屈服流幅的时间比较长，滞回曲线比较饱和，其形状接近纺锤形。在此引入粘性阻滞系数，延性粘滞阻尼系数为滞回曲线所包围的面积和拐点同横轴以及过拐点的在横轴上的垂线组成的三角形的面积之比。滞回线越饱和，延性粘滞阻尼系数越大，构件的延性越好。在试件的反复受循环加载过程中，试件的滞回曲线一次比一次更加饱和，三种框架节点都是在循环若干次后，加载至低于小于极限荷载的某一值时发生破坏。将每一次循环加载过程中的荷载值最大点连接起来构成的曲线就是包络线，通过包络线可以看出试件强度和刚度退化的程度。钢筋混凝土框架节点的强度和刚度退化程度比矩形钢管混凝土框架节点的强度和刚度的退化程度要大，矩形钢管混凝土框架节点的强度和刚度退化程度比预制装配式型钢混凝土框架节点的强度和刚度的退化程度要大。滞回曲线越饱和，则遭遇地震荷载的过程中耗散能量的能力最强。钢筋混凝土框架节点的滞回曲线细长最不饱和，则钢筋混凝土框架节点耗能能力最差，抗震性能最差。预制装配式型钢混凝土框架节点的滞回曲线最饱和，则预制装配式型钢混凝土框架节点的耗能能力最强，抗震性能最好。而矩形钢管混凝土框架节点的耗能能力和抗震性能介于二者之间。地震荷载在水平荷载中起控制作用，在实际的工程中多层和底层建筑结构宜采用钢筋混凝土框架结构。框架结构是柔性结构，水平刚度大，在遭受地震荷载的过程中虽然发生了较大的变形，但是变形值一旦超过正常使用允许的限值，也将发生破坏。在高层结构中应该尽量采用耗散地震释放的能量能力强的以及延性比较好的结构，如型钢混凝土框架和矩形钢管混凝土框架，但是采用后两种结构的话，用钢量大大增加，又提高了建筑结构的造价，因此在实际工程中应该综合考虑，既要设计成延性结构以便能大量耗散掉地震释放的能量而不破坏，还要尽量节约造价。

3 结论

1）框架节点在受循环荷载的过程中，随循环次数的增加，滞回曲线越来越饱和，变形值越来越大。随着循环次数的增加，弹塑性累积损伤增加，强度和刚度退化；

2）滞回曲线越饱和则耗能能力越强，抗震性能越好。矩形钢管混凝土框架节点的抗震性能强于钢筋混凝土框架节点，预制装配式型钢混凝土框架节点的抗震性能又强于矩形钢管混凝土框架节点；

3） 我国的建筑结构抗震应该充分考虑框架结构节点的地震内力大小以及内力的传递方式，提高结构的抗震能力，减轻地震灾害，对重要的建筑物的薄弱部位进行适当的加固。

[1]韩林海.钢管混凝土结构[M].北京：科学出版社，2000.

[2]CECS 159:2004，矩形钢管混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2004.

[3]石永久，李兆凡，陈宏.高层钢框架新型梁柱震性能试验研究[J].建筑结构学报，2002，23(3)：24-27.

[4]高春彦.矩形钢管混凝土框架节点抗震性能试验研究[D].包头：内蒙古科技大学，2007.

[5]薛建阳，赵鸿铁，型钢混凝土节点抗震性能及构造方法[J].世界地震工程，2002，18(2)：61-64.

[6]石永久，李兆凡.高层钢框架新型梁柱节点抗震性能研究[J].建筑结构学报，2002，23(3)：2-7.