型钢超高强混凝土边节点抗震性能研究＊

刘 伟 贾金青 李 勇 张 潇

（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室1） 大连 116024）（大连现代轨道交通有限公司2） 大连 116021）

0 引 言

超高强混凝土以其强度高的优势，越来越广泛地应用于工程实践中，但超高强混凝土脆性大、延性差也是其不可忽略的缺点.因此，克服超高强混凝土这一缺点成为其应用和推广的关键［1］.而在钢筋超高强混凝土结构中埋设钢骨，可提高构件和结构的延性.型钢超高强混凝土结构是介于钢筋混凝土结构与钢结构之间的一种组合结构，它具有刚度大、稳定性强、工序简单等优点，在工程实践中得到广泛应用［2］.这种组合结构的节点（作为主要传力部件）也得到越来越多的关注.许多国家都制定了相应的设计规范，我国的设计规程中尽管包括对高强混凝土的设计，但仍沿用普通混凝土的设计方法，混凝土标号在C60 以下，国外研究多集中在RC 梁-SRC柱节点，较少涉及SRC梁-SRHC 柱节点研究.总体而言，SRHC 节点的研究远远落后于SRHC 结构的应用，尤其是边节点的研究成果相对更少.因此，本文通过对SRHC 边节点构件进行低周往复试验，研究了SRHC边节点构件的延性，耗能能力及刚度退化规律等力学性能，以期为SRHC 边节点的进一步研究和工程应用提供理论依据.

1 试验研究

1.1 试验设计

本次试验共制作了5个截面尺寸相同的型钢超高强混凝土框架边节点，柱截面尺寸为200 mm×200mm，柱高为1500mm；梁截面尺寸为160mm×300mm，梁长度为1020mm；试件梁、柱纵筋分别采用HRB335级φ20，φ14螺纹钢筋，节点区箍筋采用HPB300 级φ6 钢筋，其他区域箍筋采用HRB400级φ6 螺纹钢筋，型钢采用普通热轧型钢.所有试件的混凝土强度等级均为C100.试件节点核心区采用柱贯通方式，梁内型钢翼缘坡口后与柱中型钢进行焊接，型钢腹板通过角焊缝与柱中型钢连接，并在梁柱钢骨连接处加设加劲肋，以防止在低周往复荷载作用下发生连接处焊缝脆性破坏.本文主要研究轴压比、配箍率对型钢超高强混凝土柱-型钢混凝土梁框架节点及型钢超高强混凝土柱-钢筋混凝土梁框架节点延性、耗能能力及刚度退化规律的影响.试件主要参数见表1，试件尺寸及配筋情况见图1.

表1 试件基本参数

图1 试件尺寸及配筋

1.2 加载方案及测点布置

试验采用拟静力加载，柱顶采用液压千斤顶施加轴向荷载，梁端为自由端，采用300kN 千斤顶施加等量反对称低周往复荷载［3］，试验加载装置见图2.

图2 加载装置

加载制度采用力-位移混合控制，试件在达到屈服位移前采用荷载控制，达到屈服位移后采用位移控制，按照屈服位移的倍数分级加载，每级位移水平下循环2次，直至梁端荷载下降至极限荷载的85%或试件失去承载力为止.

2 试验过程及主要结果分析

2.1 试验过程及破坏特征

试验中试件SSRC-25-0.8，SSRC-45-0.8，SSRC-25-1.2，SRC-RC-25-1.2 的节点区 域均发生了剪切破坏，破坏过程分为弹性、屈服、极限及破坏4个阶段.而试件SRC-RC-45-1.2破坏过程明显缩短，且破坏前无先兆，表现出典型的脆性破坏特征.节点核心区裂缝形态以X 形裂缝为主，伴随竖向裂缝，随着梁端位移加大，竖向裂缝也出现延伸，宽度增大.

2.1.1 弹性阶段

弹性阶段是指节点从施加荷载起到节点核心区出现初始裂缝的阶段.当节点梁端正方向加载至25～30kN 时，节点梁根部约15cm 范围内首先出现微小裂缝，裂缝宽度约为0.02 mm，该裂缝为竖向弯曲裂缝.随着往复荷载的继续施加，梁不断出现竖向及斜向裂缝.当节点梁端正方向加载至60～75kN 时，节点区域出现斜向裂缝，裂缝宽度约为0.06～0.08mm，并且斜向裂缝沿平行于对角线方向扩展延伸.初裂阶段，节点核心区的剪切变形与箍筋应变很小，剪力主要由混凝土与钢骨承担.

2.1.2 屈服阶段

屈服阶段指节点核心区出现第一条裂缝至节点钢骨腹板屈服为止.随着往复荷载继续施加，节点核心区不断出现斜裂缝，这些斜裂缝将核心区混凝土分割成菱形小块.同时，梁端裂缝上下贯通并加宽，并出现斜向裂缝.当荷载达到极限荷载的90%时，节点核心区主裂缝贯通，梁端裂缝变化不大.在此阶段，节点核心区箍筋应变增长很快，节点剪力主要由型钢承担，钢骨腹板开始屈服，箍筋尚未屈服.

2.1.3 极限阶段

核心区混凝土“通裂”后，由于混凝土斜裂缝间骨料咬合和摩擦作用以及箍筋约束，核心区混凝土仍能承担大部分剪力.同时，型钢腹板均已屈服，并进入强化阶段，箍筋也逐渐屈服，节点承担荷载仍能增加.节点核心区混凝土出现交叉贯通状态，裂缝明显加宽，其宽度达到约1.6 mm，并伴有轻微劈裂声.节点核心区剪切变形明显增大，试件进入极限状态，承载力达到极限荷载值.

2.1.4 破坏阶段

达到峰值荷载之后，随着位移的增大，节点核心区混凝土开始被压碎并大块剥落.但由于型钢骨架的存在，节点仍能继续承载，承载力开始下降，通常下降至极限荷载的85%或试件失去承载力，认为节点试件破坏.

2.2 滞回曲线特征及变化规律

本研究中滞回曲线为节点试件梁自由端往复荷载与梁自由端竖向位移的曲线.各试件滞回曲线见图3.由图3中可见：

1）弹性阶段时，混凝土尚未开裂，滞回曲线基本呈直线变化，卸载时无残余变形.屈服前，滞回曲线呈稳定的梭形，残余变形与刚度退化很小.随着荷载等级的加大，SRHC 柱／SRC 梁框架节点滞回曲线愈加饱满，没有明显捏缩现象，表明SRHC 柱／SRC 梁框架节点具有较好的耗能能力.而SRHC柱／RC梁框架节点滞回曲线出现明显捏缩效应，其饱满程度及抗震能力明显差于SRHC柱／SRC梁框架节点.

2）配箍率相同的条件下，试件SSRC-45-0.8与SSRC-25-0.8相比较，加载至弹塑性阶段后，随着位移循环次数的增加，荷载显著下降，耗能能力降低，表明轴压比越大，屈服后刚度退化快，荷载下降显著，延性及耗能能力越差.

3）轴压比相同的情况下，配箍率较小的试件屈服后刚度退化较快，荷载显著下降，耗能能力降低，与配箍率较高的试件相比，其极限荷载明显较低，表明抗震延性及承载力随配箍率的降低而下降.

4）高轴压比作用下，对试件SRC-RC-45-1.2而言，梁端屈服前，节点核心区发生剪切失效，该破坏形式达不到预期的抗震能力，且发生剪切破坏的节点.

图3 荷载-位移滞回曲线

不论剪切破坏的破坏形态如何，其延性均很差.在高轴压比作用下，由节点区混凝土斜压杆机制及桁架机制共同传递的斜向压力过大，使得核心区混凝土在梁端及节点区域箍筋屈服前被斜向压碎，这种破坏纯属脆性破坏.

2.3 骨架曲线

各试件骨架曲线对比见图4.从图中可以看出：

1）对于配箍率相同的试件，随着轴压比的增大，骨架曲线的屈服段较短，下降段变得陡峭，与坐标轴形成的面积相对较小，加载至峰值荷载后，强度退化加快，极限变形能力降低.原因在于轴压比与混凝土的极限压应变有关，轴压比不同时，截面的应变分布明显不同，低轴压比时，截面的应变梯度较大，随着轴压比的增大，截面应变梯度减小，当轴压比很高时，截面应变分布类似于轴心受压构件［4］.

图4 骨架曲线对比

2）配箍率对试件节点的延性有明显的影响，随着节点配箍率的增大，其相应的骨架曲线趋于平缓，与坐标轴形成的面积较大，其延性及耗能能力相对较好，这是由于箍筋对节点区混凝土提供了有效约束，提高了节点的极限变形能力，从而提高了试件的延性.

3）与RC 节点相比，HSRC 框架节点屈服段较长，下降段较平缓，与坐标轴形成的面积较大，变形能力较强，极限承载力由64kN 提高到93 kN，增幅45.3%，说明型钢对超高强混凝土构件的延性改善显著，并可大幅提高节点的极限承载力.

2.4 延性及耗能能力

根据骨架曲线，采用能量法求屈服位移，极限位移为0.85峰值荷载对应的位移，极限位移与屈服位移之比即为位移延性系数μΔ［5］.耗能能力是评价结构抗震性能的主要指标，本文采用等效粘滞阻尼系数he来表示，其定义为［6］

式中：E1为对应于最大荷载时的滞回环面积，即结构储存能量的能力；E2为对应于最大荷载时的弹性变形能，按下式确定.

等效粘滞阻尼系数he越大，试件的耗能能力越强.各试件的位移延性系数见表2，等效粘滞阻尼系数见表3.

表2 位移延性系数

表3 等效粘滞阻尼系数

由表2可见，在同组试件中，试件达到极限状态时的耗能能力与其位移延性系数有着相似的规律，即随着轴压比的增大而减小，说明轴压比较小的试件有更好的延性及耗能能力；轴压比相同的条件下，试件的位移延性系数及等效粘滞阻尼系数随着配箍率的提高而有所增大；另外，SRUH-SC柱／SRC梁框架节点的位移延性系数平均值为4.63，较SRUHSC 柱／RC 梁框架节点的位移延性系数平均值2.6提高78.1%，说明型钢的存在显著改善了构件的延性性能.

2.5 刚度退化

采用同级控制位移下的环线刚度表示刚度退化，环线刚度定义如下［7］：

环线刚度表示在同一位移幅值水平下，节点试件刚度随同级往复荷载次数的增加而降低.考虑轴压比、配箍率两个因素对环线刚度的影响，见图6.

图6 刚度退化曲线对比

从图6可以看出：（1）节点试件的环线刚度随加载位移幅值的增大而减小，耗能能力逐渐减弱，产生该现象的根本原因是框架节点达到极限承载力后的弹塑性及累积损伤.这种损伤主要表现为混凝土各种裂缝的滋生和扩展，钢筋的屈服及钢筋与混凝土之间的粘结滑移；（2）配箍率相同的条件下，高轴压比的节点试件刚度退化快，而低轴压比试件刚度退化则相对较慢.主要是由于在剪压比一定的条件下，轴压比的增大能使梁筋屈服区向节点内渗透减慢，从而推迟节点斜裂缝的出现，对节点抗震有利.而当轴压比进一步增大，斜压杆中的斜压力加大，使核心区混凝土斜向压溃，对节点的最终失效产生不利影响；（3）在同一轴压比下，配箍率较高的节点试件刚度退化速度相对较慢.因为水平箍筋对斜压混凝土提供横向约束作用，尽管斜压杆受压产生体积膨胀所受到的这种约束作用不直接参与传递作用剪力，但却提高了斜压杆混凝土的抗压能力和延性.特别是在加载后期，这对斜压杆机构能够维持其承载能力，从而达到更大延性提供了关键保证.

3 结 论

1）轴压比为0.25时，节点滞回曲线较丰满，骨架曲线较平缓，位移延性系数较轴压比为0.45时提高约50%，等效粘滞阻尼系数提高约7%.

2）轴压比为0.25时，节点核心区配箍率提高50%，试件的位移延性系数提高10%，等效粘滞阻尼系数提高约14%.

3）轴压比与配箍率均相同时，梁中内置钢骨后，位移延性系数均值高于SRUHSC 柱／RC 梁框架节点，具有较好的抗震性能.

［1］黄英省，唐昌辉，张世民.狗骨式钢骨高强混凝土边节点抗震性能试验研究［J］.工业建筑，2012，42（5）：139-145.

［2］贾金青，姜 睿，厚 童.钢骨超高强混凝土框架柱抗震性能的试验研究［J］.土木工程学报，2006，39（8）：14-18.

［3］中华建筑科学研究院.JGJ101-96建筑抗震试验方法规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［4］王铁成，陈恒超，郭永亮，等.反复荷载作用下双向受剪框架柱的刚度退化［J］.天津大学学报，2005，38（12）：1058-1062.

［5］闫长旺.钢骨超高强混凝土框架节点抗震性能研究［D］.大连：大连理工大学，2009.

［6］傅剑平.钢筋混凝土框架节点抗震性能及设计方法研究［D］.重庆：重庆大学，2002.

［7］贾金青，徐世琅.钢骨高强混凝土短柱轴压力系数限值的试验研究［J］.建筑结构学报，2003，1（7）：14-19.