钢骨混凝土异形柱-钢梁节点抗震性能试验研究

曾　磊， 吴园园， 张　地， 崔振坤， 龚倩倩

(1.长江大学 城市建设学院，湖北 荆州　434023; 2.华中科技大学 建筑与城市规划学院，武汉　430074)



钢骨混凝土异形柱-钢梁节点抗震性能试验研究

曾磊1， 吴园园1， 张地2， 崔振坤1， 龚倩倩1

(1.长江大学 城市建设学院，湖北 荆州434023; 2.华中科技大学 建筑与城市规划学院，武汉430074)

摘要：为了研究钢骨混凝土异形柱-钢梁节点的抗震性能，进行了4个T形钢骨混凝土柱-钢梁节点和4个L形钢骨混凝土柱-钢梁节点的拟静力试验。试验考虑了混凝土强度等级、核心区配箍率和轴压比等参数的影响，对骨架曲线、承载力、核心区剪切变形、延性和耗能能力等抗震性能指标进行了分析。结果表明，在低周往复荷载作用下，钢骨混凝土异形柱-钢梁框架节点滞回曲线饱满，表现出良好的延性性能和耗能能力，典型破坏形态为节点核心区剪切斜压破坏和节点区焊缝失效破坏；高轴压力下节点具有较高的承载能力但延性性能降低；混凝土强度越高，节点承载能力越大，但延性性能越差；增大核心区配箍率对试件的延性和承载力有明显的提高，并能改善试件屈服后的耗能能力。

关键词：钢骨混凝土；框架节点；拟静力试验；抗震性能

钢骨混凝土柱、钢梁和组合楼板组成的新型组合结构具有承载能力高、抗震性能好、施工便捷等优点，能满足工程结构大跨、重载的要求，已被大量应用于高层建筑特别是超高层建筑结构中[1-3]。实际工程中，钢骨混凝土柱的配钢形式可分为对称配钢和非对称配钢两种，建筑的边柱和角柱采用T形、L形等异形配钢形式能更好的满足不均匀受力状态。

国内外学者对钢骨混凝土结构开展了较多研究。Oya等[4-6]进行了钢骨混凝土异形柱的轴压、偏压和抗震性能实验，提出了钢骨混凝土异形柱正截面、斜截面承载力计算公式和轴压比限值，结果表明钢骨混凝土异形柱具有较高的承载能力和良好的抗震性能；Chou等[7-10]对钢骨混凝土节点承载力、受剪机理、抗震性能等进行了深入的研究和总结，形成了较为成熟的设计理论。但相关研究主要集中在钢骨混凝土异形柱和普通钢骨混凝土节点，而对钢骨混凝土异形柱节点及结构研究甚少，现行规程亦未建立相应的设计公式和构造措施[11-12]。

为研究钢骨混凝土异形柱-钢梁节点的抗震性能，本文进行了4个T形柱-钢梁节点和4个L形柱-钢梁节点的拟静力试验，试验参数为混凝土强度等级、核心区配箍率和轴压比，对滞回特性、骨架曲线、承载能力、延性性能、核心区剪切变形等抗震性能指标进行了对比分析，以期为钢骨混凝土异形柱结构工程应用提供参考。

1试验概况

1.1试件设计

按照“强构件，弱节点”的原则，设计了4个T形柱-钢梁节点和4个L形柱-钢梁节点，具体设计参数见表1。其中轴压比n=N/(fcAc+fsAs)，N为柱轴压力，fc、fs分别为混凝土轴心抗压强度和钢材屈服强度，Ac、As分别为柱截面混凝土和钢骨截面面积。

主要研究混凝土强度等级、核心区配箍率和轴压比3个参数对抗震性能和承载力的影响。通过在钢梁翼缘与柱翼缘连接处设置矩形或L形加劲肋来保证传力路径，柱纵向钢筋与底部端板焊接，箍筋与钢骨相交处焊接来确保连接可靠，节点核心区上下200 mm范围内箍筋加密。试件几何尺寸、截面配筋、见图1。

图1　试件尺寸与截面配钢(单位：mm)Fig.1 Specimen dimension and steel details

试件编号混凝土强度核心区箍筋间距配箍率ρsv/%轴压比n破坏形态TJ-1C304Φ4@1000.8250.3焊接失效TJ-2C304Φ4@1000.8250.6剪切斜压TJ-3C307Φ4@501.6510.3焊接失效TJ-4C604Φ4@1000.8250.6剪切斜压LJ-1C304Φ4@1000.8250.3焊接失效LJ-2C304Φ4@1000.8250.6剪切斜压LJ-3C307Φ4@501.6510.3焊接失效LJ-4C604Φ4@1000.8250.6—

注：n=0.3时，N=600 kN；n=0.6时，N=1 200 kN

1.2材料性能

分别采用C30和C60碎石混凝土浇筑试件，纵筋为Ф10HRB335级钢筋，箍筋为Φb4冷拔钢丝，柱钢骨骨架和钢梁分别采用厚6 mm和8 mm普通热轧Q235钢板焊接成型。如表2和表3所示，分别按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)和《金属材料拉伸试验标准》(GB/T2281-2010)实测混凝土与钢材力学性能。

表2　混凝土力学性能

表3　钢材力学性能

1.3加载方案

考虑P-Δ效应，采用柱端加载方案，加载装置如图2所示。由千斤顶施加设计轴压力并保持稳定，然后由作动器施加水平低周往复荷载。依据建筑抗震试验方法规程，加载过程采用位移控制，试件屈服前每级位移循环1次，屈服后以屈服位移为增长倍数，每级位移循环3次，直到荷载下降至极限荷载的85%时停止加载[13]。

图2　试验加载装置Fig. 2 Test set-up

1.4量测内容

通过荷载-位移传感器实时采集柱顶水平荷载，由位移计量测柱顶水平位移Δ，试件的层间变形角φ可表示为：

(1)

式中:L1、L2分别为节点形心至上柱端加载点和下柱端铰支点的几何长度，L1=L2=980 mm，位移计布置如图3所示。

通过设置在梁柱间的斜向45°位移计记录试件梁、柱的相对斜向线位移δ，由几何关系可以得出梁、柱塑性铰区段转角θ：

(2)

节点域在水平剪力作用下产生剪切变形，其矩形核心区将变化成菱形，如图4所示。通过电子百分表测得核心区对角线的伸长或缩短量，按式(3)可得节点核心区剪切角。

(3)

在节点核心区钢骨和钢梁腹板上布置应变花，纵向钢筋、箍筋和钢梁翼缘布置应变片，实测试验过程中各部分的应变情况，应变片布置图5所示。

图3 位移计布置Fig.3Layoutofdisplacementtransducers图4 节点核心区剪切变形测量Fig.4Sheardeformationoncorearea

图5　型钢和钢筋应变测量Fig.5 Steel and reinforcement strain measurement

2试验结果与分析

2.1试验现象及破坏形态

如图6所示，在恒定轴压力和低周往复荷载作用下，T形柱-钢梁节点和L形柱-钢梁节点主要有两种破坏形态：节点域剪切斜压破坏和节点核心区焊缝失效破坏。为方便实验现象描述，将与加载方向平行的柱肢称为平行肢，与加载方向垂直的柱肢称为垂直肢。

(1) 核心区混凝土剪切斜压破坏

轴压比较大且节点核心区配箍率较小的构件发生核心区混凝土剪切斜压破坏。其具体破坏过程如下：加载初期构件处于弹性阶段，无裂缝出现，滞回曲线呈线性关系，残余变形较小；当水平荷载达到极限荷载的30%左右时，累积损伤下构件刚度下降，钢梁上下翼缘附近混凝土首先出现竖向裂缝。继续加载，节点核心区混凝土开始出现斜向裂缝；当水平荷载达到极限荷载的50%～80%左右时，核心区出现多条短细的±45°～60°斜向交叉裂缝，钢梁上下翼缘附近的混凝土局部压碎；当达到极限荷载时，核心区上述短细斜裂缝延伸加宽，形成长宽的X形交叉主斜裂缝，斜裂缝将混凝土分割成多个菱形小块，垂直肢横向裂缝向两边延伸，形成贯通裂缝；加载后期，核心区纵筋屈服钢筋外鼓，钢骨腹板上的焊接箍筋被拉开，核心区混凝土大块脱落，构件承载力急剧下降，承载力下降到破坏荷载时实验停止。

由于钢梁与柱钢骨翼缘等宽，钢梁翼缘应力由加劲肋传递到核心区，当核心区钢骨腹板屈服时，核心区混凝土与钢腹板发生黏结滑移，加剧了核心区混凝土和钢骨腹板的破坏过程，试验后敲掉核心区残余混凝土，可以看到节点核心区钢骨腹板明显曲。

(2) 节点核心区焊缝失效破坏

轴压比较小且节点核心区配箍率较大的试件主要发生节点核心区焊缝失效破坏，破坏过程如下：加载初期，试件损伤较小，加卸载曲线重合；当荷载达到极限荷载的30%左右时，柱平行肢混凝土在与钢梁翼缘相交处出现竖向裂缝；继续加载，竖向裂缝向节点核心区延伸，同时钢梁下翼缘处混凝土出现横向裂缝；当荷载达到极限荷载的60%左右时，核心区混凝土开始出现30°～60°左右的斜向裂缝；随着荷载的继续增大，斜向裂缝逐渐开展但发展缓慢，新出现的斜向裂缝与原有的斜向裂缝形成交叉裂缝，平行肢与钢梁相交处混凝土局部被压碎。达到极限荷载时，听到刺耳咔嚓声，试件的承载力和刚度陡降，荷载下降到极限荷载的85%时宣告破坏。

与发生核心区混凝土剪切斜压破坏的构件相比，发生此类破坏的试件在节点核心区的损伤破坏情况不明显。试验完成后敲开混凝土，发现钢梁翼缘、腹板与柱钢骨焊接处撕裂。发生此种破坏的原因在于：较大的核心区配箍率为节点核心区混凝土提供了较大的横向约束，在柱顶轴压力较小的情况下，节点核心区混凝土承载力将得到提高。在水平低周荷载反复交替下，核心区损伤逐步向梁柱交界处钢骨转移，钢梁与柱钢骨焊缝撕裂，导致梁无法传递拉力到节点中，故发生此类较为特殊的破坏形态。

图6　试件破坏形态Fig.6 Failure modes of specimens

2.2应变分析

以试件TJ-2(n=0.6)为例，分析节点核心区钢骨、箍筋及加劲肋在不同受力阶段的应变情况。

(1) 节点核心区钢骨

图7为试验各阶段节点核心区钢骨腹板的主应变测试值。加载初期，钢骨腹板的应变较小，表明此阶段混凝土是水平剪力的主要承担部分；随着水平荷载的增加，核心区混凝土出现裂缝，钢骨与混凝土出现黏结滑移现象，剪力主要由钢骨腹板和箍筋承担，型钢腹板应变逐渐增大；试件屈服时，钢骨腹板局部屈服；继续加载至极限荷载，钢骨腹板由局部屈服发展为整体屈服；试件破坏时，由于混凝土的脱落和箍筋的拉开，核心区抗剪承载力下降，剪力主要由钢腹板承担，钢材进入强化阶段，钢骨腹板充分发挥其抗剪作用，破坏时主应变方向约45°。

图7　型钢腹板主应变及其方向Fig.7 Principal strain and direction of web steel

(2) 核心区箍筋

加载初期，轴压力作用下节点核心区混凝土产生横向应变，在柱端水平荷载施加前箍筋的拉应变为250～300 με；节点核心区混凝土开裂之前，箍筋应变波动不大，表明节点水平剪力主要由核心区混凝土和钢骨承担；其后，随着柱端水平荷载的增大，箍筋逐渐体现出其抗剪作用，箍筋应变逐渐增长，试件屈服时，箍筋应变为1 500～1 670 με；加载至极限荷载时，核心区混凝土裂缝不断开展，箍筋应变增长较快，箍筋基本屈服，应变约为1 920～2 240 με；进入破坏阶段后，节点核心区混凝土通裂后剥落，箍筋应变突增，达到破坏时箍筋的应变基本达到2 450～2 600 με。

(3) 节点核心区钢骨翼缘框

试验中柱钢骨贯通，钢梁与柱钢骨翼缘外侧对焊并在梁上下翼缘处焊接水平加劲板，与柱钢骨翼缘一起构成封闭的翼缘框。翼缘框在加载初期应变值较小，绝对值为200～350 με，且应变随水平荷载的反复而拉压交替；钢骨腹板屈服前，翼缘框主要起到传递梁的内力和约束混凝土的作用，对试件抗剪作用贡献不大，试件屈服时，翼缘框应变绝对值为500～600 με；试件从屈服到极限荷载的加载过程中，钢骨腹板和箍筋相继屈服，翼缘框能承担一定的剪力，应变较大幅度增长，达到绝对值为1 100～1 250 με；到达破坏荷载时，翼缘框部分达到屈服，部分焊接撕裂，应变绝对值为1 350～1 500 με。

2.3滞回曲线

图8为实测的柱顶水平荷载-位移滞回曲线，试件LJ-4由于设备原因导致试验失败，对比分析发现试件具有以下滞回特征：

加载初期，试件处于弹性阶段，滞回曲线基本沿直线循环，卸载后残余变形较小；随着荷载的增加，试件进入弹塑性阶段，曲线逐渐偏离直线，钢与混凝土间存在一定的滑移，混凝土开始出现剪切裂缝和局压裂缝，卸载时有一定的残余变形，滞回环面积逐渐增大，承载力无明显退化；随着加载位移的增大，试件进入塑性阶段，核心区的纵筋和箍筋屈服，节点核心区混凝土裂缝增多、宽度增大，试件的强度和刚度退化明显，滞回曲线逐渐向横轴倾斜；达到极限荷载之后，节点的承载力明显下降。整个加载过程中滞回环均呈梭形，表明试件具有良好的耗能能力。

2.4骨架曲线及承载能力

各试件的骨架曲线如图9所示。采用等效能量法确定试件屈服点，取荷载下降至极限荷载的85%时作为破坏点。表4列出了各试件特征点的试验值，其中Py为屈服荷载；Δy为屈服位移；Pmax为极限荷载；Δmax为极限荷载对应位移；Pu为破坏荷载；Δu为破坏位移。

由试件TJ-1和TJ-3可知，轴压比大的试件初始刚度较大，极限承载力也较大，但下降段较陡峭，承载力衰减更快。这是因为较大的轴向力对核心区混凝土有较大的约束作用，加强了核心区的斜压杆作用，增大了混凝土块体之间的裂面效应，在一定范围内提高了节点核心区承载能力。但较大的轴压力使得水平荷载增大至极限荷载时，试件破坏突然，导致试件延性变差。

图8　试件滞回曲线Fig.8 Load-displacement hysteresis loops of specimens

图9　试件的骨架曲线Fig.9 Skeleton curves of specimens

由试件TJ-1和TJ-3可知，提高节点核心区的配箍率对节点的极限承载能力提高不明显，这主要由于轴压比为0.3的试件TJ-1和TJ-3主要发生钢梁与柱翼缘焊缝撕裂破坏，在核心区箍筋尚未发生其有效的约束作用时，节点已经破坏，没有体现核心区配箍率对节点承载力的提高作用。

随着混凝土强度的提高，节点极限承载力有较大提高。在配箍率和轴压比相同的条件下，试件TJ-4比试件TJ-3的极限承载力高，但试件TJ-4发生的弹性变形相对较小，表明试件的极限承载力随混凝土强度的增加而提高，但混凝土强度高的试件在相同位移下的损伤更大，试件从极限荷载至破坏荷载期间所经历的变形较小，导致试件延性变差。

表4　试件各阶段荷载、位移

2.5延性系数及耗能

表5为各试件位移延性系数μ=Δu/Δy，屈服和破坏时的层间变形角φy、φu，梁柱相对极限塑性转角θu及破坏状态时的等效黏滞阻尼系数he，分析可知：

各试件的延性系数均在3.0左右，明显优于钢筋混凝土异形柱节点，试件屈服时层间位移角为1/173～1/249，破坏时层间位移角为1/53～1/92，梁柱间相对转角为0.017～0.026。

试件的延性系数随着轴压力的增大而减小。由表4可以看出，当节点位置和其他参数相同时，当轴压比从0.3增大0.6时，延性系数降低约12.5%。这主要由于加载后期，较大的轴压力引起严重的二阶效应，加速了核心区混凝土的破坏和脱落，核心区型钢腹板出现局部屈曲，导致试件的延性变差。

提高配箍率能改善试件的延性，主要体现在箍筋约束内部混凝土使其处于三轴受压状态，混凝土极限应力与极限应变增大，提高了试件的延性性能。

随着试件核心区混凝土强度的提高，试件的延性降低。由表5可以看出，核心区混凝土强度为C30的试件TJ-2比核心区混凝土强度为C60的TJ-4的延性平均提高了14%。较高强度的混凝土也伴随着较大的脆性，加剧了混凝土的破坏过程。各试件破坏时的黏滞阻尼系数he值均在0.191以上，表明钢骨混凝土柱-钢梁节点较好的耗能能力。

表5　试件层间位移角、延性系数及耗能

2.6变形分析

地震作用下框架结构层间位移主要由梁、柱构件弯剪变形和节点核心区剪切变形分别引起的层间位移组成。由于各节点试件的设计原则为“强构件，弱节点”，整个破坏过程中梁、柱构件处于较小的应力状态，其弯曲和剪切变形均相对较小，而节点剪切变形在总层间位移中占主要部分。

图10　核心区在不同阶段的剪切变形角Fig.10 Shear deformation angle in different stages

图10为各试件在不同阶段其核心区剪切变形角的测试分析结果。可以看出，在屈服阶段，核心区剪切变形很小，约为0.004 rad，占破坏时剪切变形的20%左右；当节点屈服后，核心区剪切变形发展很快，达到极限荷载时，核心区剪切变形约为0.010 rad，占破坏时的45%左右；其后，节点达到破坏阶段，核心区剪切变形急剧增大，达到0.025～0.030 rad。发生节点域剪切斜压破坏的试件，由于其钢骨腹板的屈服，其核心区剪切变形角要明显大于钢梁与柱钢骨翼缘焊缝撕裂破坏的试件。

3结论

(1) 在轴向荷载和水平低周往复荷载共同作用下，钢骨混凝土异形柱柱-钢梁节点主要发生节点域剪切斜压破坏、钢梁与柱钢骨翼缘焊缝撕裂破坏。

(2) 钢骨混凝土柱-钢梁框架节点具有较好的延性性能和耗能能力，各试件位移延性系数为2.7～3.4，破坏时节点核心区的剪切角为0.023～0.037，等效黏滞阻尼系数为0.191～0.268。

(3) 增加轴压比能在一定程度地提高节点的受剪承载力，但极限荷载后的性能退化明显，在实际工程中应对轴压比进行限定；混凝土强度的增加可以提高节点的极限承载力，但降低了试件的延性；增大配箍率可以为核心区混凝土提供较好的约束，改善节点的延性性能。

参 考 文 献

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Tests for aseismic behavior of frame joints between a steel reinforced concrete special column and a steel beam

ZENGLei1,WUYuan-yuan1,ZHANGDi2,CUIZhen-kun1,GONGQian-qian1

(1. School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;2. School of Architecture and Urban Planning, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:To study failure modes and aseismic behavior of frame joints between a steel reinforced concrete special column and a steel beam, 4 joints with T-shaped section and 4 joints with L-shaped section were tested under reversed cyclic loading. The parameters of concrete strength, axial compression ratio, and core area stirrup ratio were taken into account. The deformation characteristics and the failure modes were investigated. Hysteretic characteristics, skeleton curves, load-bearing capacity, shear deformation of core zone, ductility and energy dissipation ability were analyzed. The results indicated that the failure modes contain shear diagonal compression failure and core zone welding crack failure; the failure modes are determined with axial compression ratio; the specimen possesses a plump hysteretic loop with a good aseismic performance under reversed cyclic loading; with increase in axial column load, the joints’ load-bearing capacity increases, but their displacement ductility decreases; the ultimate strength, ductility and energy dissipation capacity can be enhanced by increasing the stirrup ratio of core zone.

Key words:steel reinforced concrete; frame joints; quasi-static test; aseismic behavior

中图分类号:TU398.9

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.04.036

收稿日期：2014-11-17修改稿收到日期：2015-03-25

基金项目：国家自然科学基金项目(51108041;51478048);湖北省教育厅科学技术研究资助项目(Q20111306);湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201303)

第一作者 曾磊 男，博士，副教授，1979年9月生