钢-混凝土组合梁钢框架节点抗震性能试验

王 力，闫世杰，郑 圆，张成龙

（1.哈尔滨工业大学土木工程学院，150090哈尔滨；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，300142天津）

钢-混凝土组合梁钢框架节点抗震性能试验

王 力1，闫世杰2，郑 圆1，张成龙1

（1.哈尔滨工业大学土木工程学院，150090哈尔滨；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，300142天津）

为了研究钢-混凝土组合梁钢框架节点的抗震性能，本文进行了3个1／2缩尺的钢-混凝土组合梁钢框架节点的拟静力试验，主要研究了节点类型（2个中柱节点、1个边柱节点）、混凝土板宽度等对组合节点抗震性能的影响，对节点的破坏模式、滞回曲线、耗能能力、延性、强度和刚度退化等性能进行了研究，并利用有限元软件ABAQUS对组合节点在单调荷载作用下弹塑性性能进行分析，对比可知理论分析与试验结果吻合较好.研究表明：组合节点的变形能力以及耗能能力较强，强度与刚度退化不明显，节点位置和混凝土板有效宽度对节点抗震性能影响较大.

钢-混凝土组合梁钢框架节点；拟静力试验；抗震性能

在1994年美国洛杉矶北岭地震和1995年日本阪神地震的破坏中，大部分钢框架梁柱连接节点都发生了意想不到的脆性破坏［1］，因此为了提高节点的延性以及抗震性能，人们将目光投向了组合结构，而钢-混凝土组合梁钢框架结构作为组合结构的一种典型代表，是目前组合结构研究的趋势.该梁柱组合节点主要由钢框架梁柱连接节点以及覆盖在其上面的钢筋混凝土板通过钢梁与混凝土板之间的抗剪连接件组成.

文献［2-5］对组合节点进行了单向荷载试验研究；文献［6-7］分别对组合节点进行了循环荷载试验，研究组合节点的抗震性能；文献［8-9］分别利用ANSYS和ABAQUS软件，数值模拟研究了组合节点和框架在静力荷载以及往复荷载作用下的力学性能.

鉴于目前国内外对钢-混凝土组合梁钢框架节点的研究主要在静力研究上，本文进行了3个钢-混凝土组合梁钢框架节点的抗震性能试验研究，主要研究节点类型、混凝土板有效宽度对节点抗震性能的影响.分析了节点的破坏模式、影响因素，得到了加载点竖向荷载与竖向位移的滞回曲线和骨架曲线，对节点的耗能能力、延性、强度退化和刚度退化进行了研究.

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验共制作了3个节点试件，编号分别为HCJ-1～HCJ-3.试件尺寸为1／2缩尺.钢梁截面规格为H200×100×5.5×8，钢柱截面规格为H200×200×8×12；钢梁长度为1 350 mm，钢柱长度为1 900 mm；混凝土板厚度为80 mm，纵向钢筋配为8B12，横向分布筋配为A 8＠100，试件几何尺寸及构造详图见图1.

节点连接形式均采用我国JGJ 99—98《高层建筑钢结构技术规程》中规定的栓焊连接.螺栓选用10.9级M16高强螺栓，现场用扭力扳手根据所需的扭力进行安装，使螺栓达到规定的预拉力值.

图1 试件几何尺寸及构造详图（mm）

试件HCJ-1为组合边节点，试件HCJ-2和HCJ-3为组合中节点，3个试件的钢框架尺寸完全一致，试件HCJ-2和HCJ-3的区别在于混凝土板宽度不同，HCJ-2混凝土板宽为800 mm，HCJ-3混凝土板宽为1 000 mm.试件所用钢材均为Q235B，混凝土板强度等级为C30，试件设计参数见表1.

表1 试件设计参数

混凝土板中纵筋在与钢柱相交范围内截断，与钢柱翼缘外侧焊接，内侧钢筋截断未连接，在梁两端加载装置对应位置均设置加劲肋.

根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》中关于抗剪连接件的构造规定，栓钉长度不应小于其杆径的4倍，带头栓钉直径d一般为13～25 mm，长度h一般为65～100 mm.采用φ13×65的抗剪栓钉，为了保证纵向受拉钢筋有较大的计算长度，节点在负弯矩作用下具有较大的转动能力，第一个栓钉与钢柱翼缘的距离不得小于100 mm.

1.2 材性试验

本试验的钢柱与钢梁均采用标准规格的H型钢，柱加劲肋为Q235B的16 mm钢板.试验前分别对梁翼缘（BF）、梁腹板（BW）、柱翼缘（CF）、柱腹板（CW）、柱加劲肋（CL）5个位置的钢材取样进行材性试验，测试结果见表2.

表2 材料性能试验结果

1.3 加载装置及加载制度

1.3.1 试验加载装置

试验在哈尔滨工业大学结构与抗震实验中心进行，加载装置见图2、3.柱上、下两端为固定铰接，分别用刚性连接件与反力架固定.加载方式为在试件梁端用拉压力千斤顶施加竖向低周往复荷载.为便于描述，规定千斤顶出缸为负、回缸为正.

图2 试验装置示意（mm）

图3 试验加载装置

1.3.2 试验加载制度

采用荷载与位移混合控制的加载方法.试件屈服前，采用荷载控制加载方法；出现塑性屈服后，为了研究节点的强度退化和刚度退化，采用位移增量控制加载方法.屈服前的加载历程按照有限元计算的屈服荷载Py分为四级，±0.25Py、±0.5Py、±0.75Py、±Py，每级荷载循环一次；屈服之后记载历程为±Δy、±1.5Δy、±2Δy…，每级荷载循环两次，直至试件承载能力下降为最大承载能力的85%．

1.4 测点布置及测量内容

在钢梁下翼缘、腹板、上翼缘处布置单向应变片，在钢节点核心域内布置三向应变花，测量并监测钢节点的应力状态的发展过程.在混凝土板上表面布置平行于板宽方向的应变片，测量混凝土板的应力状态.

在混凝土板中沿着纵向钢筋布置应变片，测量纵向受力钢筋沿板宽方向的应力变化情况.在梁两端加载位置布置2个量程为±150 mm的位移计，以测量与监测梁加载端位移.应变数据使用DH3816应变采集箱采集，荷载和位移值使用北京波谱仪采集.

2 试验现象与破坏过程

在加载初期，滞回曲线基本呈线性，试件处于弹性阶段.随着荷载的增大，受拉一侧混凝土开始出现裂缝，随着荷载的进一步增大，滞回曲线出现拐点，试件开始屈服.进入塑性阶段后，当位移加载到32 mm时，试件HCJ-1裂缝数量急剧增加，裂缝宽度进一步扩展，混凝土核心区有压溃现象.当位移加载达到68 mm时，试件HCJ-3左侧钢梁下翼缘出现明显屈曲，左侧加载端混凝土板与钢柱翼缘交界处被完全拉开，钢梁节点核心区域出现明显的剪切变形.最终混凝土板面裂缝为贯通裂缝，沿着板宽方向平行发展.3个节点试件钢梁下翼缘塑性区均从焊接孔末端开始发展，这使得塑性区域距离柱翼缘较远，能够有效地削弱应力集中的程度，使得应力分布在钢梁下翼缘在一定范围内趋于均匀，这样能够有效地将塑性发展区从柱表面移到钢梁上，减轻了对钢梁连接处焊缝的作用，有效地提高了节点防止脆断的能力，最后的破坏形式体现为钢梁的屈曲变形过大并且还伴随着节点核心域的剪切变形过大、节点域混凝土压溃、混凝土板与柱翼缘处出现较宽裂缝等.试件各破坏形态见图4.

3 试验结果与分析

3.1 滞回曲线

3个试件的P-Δ滞回曲线见图5，可看出:

1）试件在开裂之前，滞回曲线基本上呈直线，卸载后残余变形很小，滞回环包围的面积很小.当试件开裂后，滞回曲线出现弯曲，滞回环的面积开始增大，整体表现为饱满的梭形，并未发生明显的捏缩现象，说明组合节点试件都具有较好的耗能能力.

2）试件HCJ-1与HCJ-2的滞回曲线比较表明，边节点与中节点相比同样具有很好的滞回性能，在地震荷载作用下同样能够具有很好的耗能能力，在实际工程中要合理考虑边节点的承载能力.

3）试件HCJ-3滞回环最为饱满，耗能能力最强.说明:在混凝土板有效宽度范围内，增加板的宽度，可以有效提高节点的抗震能力.因此，在设计中，应合理的选择混凝土板的有效宽度.

4）达到峰值承载能力之后，由于钢梁下翼缘屈曲变形过大，使试件的承载能力逐渐下降，强度逐渐退化，但试件刚度退化不明显.因此，在实际工程中，应加强中节点钢梁下翼缘的防屈曲设置.

图4 试件的破坏形态

图5 各试件的P-Δ滞回曲线

3.2 骨架曲线

由各试件的滞回曲线可以得出试件的骨架曲线见图6，各阶段的荷载和位移值（均取为正值）见表3，利用“能量法”确定试件的屈服荷载Py与屈服位移Δy．极限状态为试验中峰值荷载Pu所对应的状态，极限位移为试件破坏时所对应的位移Δu．

对比3个试件骨架曲线可以得出:

1）3个试件的骨架曲线均呈现斜S形，说明试件在循环荷载作用下经历了弹性、塑性与极限破坏3个阶段.

2）边节点HCJ-1较中节点HCJ-2初始刚度要高，承载力也有所提高.HCJ-2试件在达到峰值承载力之后，具有较好的延性.

图6 试件P-Δ骨架曲线

3）对比HCJ-2与HCJ-3的骨架曲线，在有效宽度范围内，节点混凝土板宽度的增加对峰值承载力、初始刚度以及延性均有较明显提升.

4）试件在正弯矩作用下的初始线刚度要略高于负弯矩作用下的初始线刚度.

表3 各阶段荷载及位移

3.3 延性及耗能能力

结构的延性用位移延性系数μ来表示，耗能能力通过等效粘滞阻尼系数he（取最后一个滞回环计算）和功比指数Iw来表示．各试件的位移延性系数和耗能指标见表4，可看出:

1）对于HCJ-1与HCJ-3试件，正、负弯矩作用下的位移延性系数均集中在3～5，而HCJ-2在加载过程中由于钢梁底部出现滑移并未使得最终加载的荷载值下降到最大承载力的85%，导致所测得的正、负弯矩作用下的位移延性系数偏小，若不出现钢梁的滑移，节点在正、负弯矩作用下应具有更大的位移延性系数.因此，钢-混凝土组合梁钢框架节点具有良好的延性.

2）试验所测得3个试件的等效粘滞阻尼系数集中在0.27～0.36，而纯钢框架节点的等效粘滞阻尼系数在0.2左右，因此本试验的组合节点的耗能能力为纯钢框架节点的1.5倍左右.

3）从功比指数上可以看出边节点HCJ-1要明显优于中节点HCJ-2（大致提高了43.8%），中节点的耗能能力要优于组合边节点的耗能能力.然而混凝土板宽度的增加对于功比指数的影响不大.

表4 各试件延性系数及耗能指标

3.4 强度退化与刚度退化

结构性能的退化包括强度退化与刚度退化．强度退化λij和刚度退化Kj的计算公式分别为:采用归一化环线刚度Kj来对比3个试件的刚度退化，kj=Kj／Kmax．各试件的强度退化见图7，刚度退化见图8．

图7 各试件强度退化

图8 各试件归一化线刚度退化曲线

从图7、8可得出:

1）3个试件的强度退化均不明显，一般均集中在0.85～1.0，这主要是因为在组合节点中，混凝土板所占的成分不大，导致混凝土开裂之后承载力的下降有限.

2）在负弯矩区试件HCJ-2的刚度退化程度要高于试件HCJ-3，在正弯矩区初始时候环线刚度HCJ-3略低，在进入塑性阶段之后与试件HCJ-2有重合的趋势.

4 有限元分析

4.1 有限元模型

针对试验中的3个试件，采用ABAQUS 6.8.1进行有限元模拟分析［10］.混凝土板采用实体单元C3D8来模拟，钢梁与钢柱采用壳单元S4R模拟，钢筋采用桁架单元T3D2来模拟.图9为试件HCJ-2的有限元模型.

混凝土材料采用损伤塑性本构模型，在混凝土中定义Rebar和使用Embedded element（嵌入单元）来模拟钢筋和混凝土之间的相互作用，混凝土板与钢柱之间的相互摩擦通过建立“硬”接触，采用罚摩擦公式来模拟.

采用ABAQUS中的混凝土损伤模型［11］，通过引入损伤因子的概念来描述混凝土开裂之后刚度退化及强度退化的现象，有限元模拟与试验所得的荷载-位移曲线吻合较好.图10为HCJ-3有限元分析与试验骨架曲线对比.

图10 HCJ-3有限元分析与试验骨架曲线对比

4.2 循环加载弹塑性分析

在单向加载的基础上，施加与试验相同的循环荷载，研究钢-混凝土组合梁钢框架节点的抗震性能.图11为有限元模拟HCJ-3中纯钢框架节点、钢-混凝土组合梁钢框架节点与HCJ-3节点试验所得荷载-位移滞回曲线对比图.

图11 HCJ-3滞回曲线对比图

从图11可得出:

1）钢-混凝土组合梁钢框架节点在循环荷载作用下有限元结果与试验值吻合很好，能较好模拟钢-混凝土组合梁钢框架节点的抗震性能，可以作为试验数据的补充.

2）将纯钢框架节点与组合节点的滞回曲线进行对比，得出考虑混凝土板组合作用的钢-混凝土组合梁钢框架节点与纯钢框架节点相比，承载力有很大程度提高.

5 结 论

1）栓焊连接的钢-混凝土组合梁钢框架节点抗震性能比纯钢框架节点抗震性能有很大程度提高.并且，在混凝土板有效宽度范围内，增加板的宽度，可以有效提高节点的抗震性能.因此，在设计中，应合理选择混凝土板的有效宽度.

2）在实际工程设计中，应加强钢-混凝土组合梁钢框架中节点钢梁下翼缘的防屈曲设置，加强边节点框架柱翼缘板位置纵向钢筋的锚固.

3）栓焊连接钢-混凝土组合梁钢框架节点并没有明显的强度退化与刚度退化现象，归一化刚度主要集中在0.85～1.0；钢-混凝土组合梁钢框架节点具有良好延性，为纯钢框架节点的2～3.5倍，具有良好抗震耗能能力.

［1］徐培福，傅学怡，王翠坤.复杂高层建筑结构设计［M］.北京:工业建筑出版社，2005.

［2］LEON R T.Semi-rigid composite construction［J］. Journal of Constructional Steel Research，1990，15（2）: 99-120.

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［5］WANG J Y.Nonlinear behavior of semi-rigid composite joints under lateral loading-experiment and theoretical study.Dissertation of Doctoral thesis［D］.Hong Kong: The Hong Kong Polytechnic University，1999.

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（编辑 赵丽莹）

Tests on seismic behavior of joints in steel frame with steel-concrete composite beams

WANG Li1，YAN Shijie2，ZHENG Yuan1，ZHANG Chenglong1

（1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.Third Survey and Design Group of the Ministry of Railways，300142 Tianjin，China）

To study the seismic behavior of joints in steel frame with steel-concrete composite beams，3 quasistatic tests of 1／2 reduced scale joints in steel frame with steel-concrete composite beams were carried out，which mainly focused on the influence of joint location（two middle column joints，a side column joint）and effective width of concrete slab on seismic performance of the composite joints.The failure mode of the joint，the hysteresis curve，energy dissipation capacity，ductility，strength degradation and stiffness degradation properties have also been studied.ABAQUS software has been used to analyze the elastic-plastic performance of the joints under monotonic loading.The finite element analysis results are in good agreement with the experimental results.It is shown that deformation capacity and energy dissipation ability of joints are high；strength degradation and stiffness degradation are not obvious；joints location and the effective width of concrete slab have much influence on the seismic performance of the joints.

joints in steel frame with steel-concrete composite beams；quasi-static test；seismic behavior

TU318

A

0367-6234（2014）04-0001-06

2013-01-15.

国家自然科学基金资助项目（50978074）；黑龙江省自然科学基金资助项目（E200925）.

王 力（1964—），女，博士，教授.

王 力，wanglihit＠sina.com.