钢筋混凝土管架栓焊混合连接节点的稳定性试验

容艳玲

摘要：针对现有装配式建筑梁柱连接节点稳定性低的问题，以混凝土、钢筋、钢板试件材料为原材料，设计一种新型钢筋混凝土管架梁柱连接节点，并从强度、延性、刚度退化3个方面进行试验。结果表明，所设计钢筋混凝土管架梁柱连接节点通过在梁端设置狗骨而构造塑性铰，可有效增大试件破坏时的极限位移，正向和负向负载下的屈服位移介于27～34 mm，刚度退化较为平稳，满足钢筋混凝土管架稳定性要求，具有较强的连接稳定性。关键词：钢筋混凝土；梁柱连接节点；稳定性；力学性能

中图分类号：TU375；TG457    文献标志码：A     文章编号：1001-5922（2023）03-0159-04

Stability test of connection joints in reinforced concrete pipe frame

RONG Yanling

（Guangxi Academy of Arts，Nanning 530003，China）

Abstract：Aiming at the problem of low stability of beam column connection joints in existing fabricated buildings， a new type of beam column connection joint of reinforced concrete pipe frame is designed with concrete，steel bar and steel plate as raw materials，and the testis carried out from three aspects of strength，ductility and stiffness deg? radation. The results showed that the designed beam column connection joint of reinforced concrete pipe frame could construct plastic hinge structure by setting dog bone at the beamend，so as to effectively increase the ultimate displacement when the specimen was damaged. In addition，the yield displacement under positive and negative loads was between 27 mm and 34 mm，and the stiffness degradationwas relatively stable，which metthe stability re? quirements of reinforced concrete pipe frame and had strong stability.

Keywords：reinforced concrete；beam column connection joints；stability；mechanical property

在钢筋混凝土管架中，管架的连接节点作为整个管架的关键部件，其稳定性与管架稳定性甚至整个装配式建筑安全性紧密相关。因此，有必要提高其连接节点稳定性。针对该问题，相关专家学者设计了相关的节点稳定性评估方法，并提出了各种新型连接节点，通过模拟装配式钢筋混凝土管架节点加载，探究了钢筋混凝土管架节点的破坏机制，并从强度、形变等方面评估了节点的稳定性，实现了钢筋混凝土管架节点的稳定性评估[1]；通过构建FRP-混凝土-钢双壁空心桥墩分析方程，实现了对双壁空心管压弯构件及其节点承载力的计算，并基于该结果分析了钢筋混凝土管架节点的稳定性[2]；设计的斜缝式预压的混凝土预制构件连接技术，能够显著强化装配式混凝土管架连接节点的抗剪性能，这一技术在实践中得以检验[3]。通过上述研究可以发现，目前钢筋混凝土管架稳定性分析主要集中在节点稳定性评估方法上，僅有少量研究提出了通过设计新型的钢筋混凝土管架连接节点来提高钢筋混凝土管架的稳定性。因此，为弥补在这一方面的不足，进一步提高钢筋混凝土管架稳定性，本文设计了一种新型钢筋混凝土梁柱连接节点。

1 试验方案

1.1 主要原材料

1.1.1 混凝土

预制试件的混凝土强度为C40，试验中进行3次浇筑动作，用以制得预制柱、预制梁及梁柱拼接件。针对各预制件进行取样，样品定型为立方块：其大小150 mm×150 mm×150 mm。为了模拟出预制试件的真实性能，试验将以《混凝土结构试验方法标准》作为试验依据，在特定的养护条件下，对样品进行试验[4]。

1.1.2 钢筋

本次试验在制备预制试件时均采用的是 HRB400规格的钢筋，其差别在于钢筋直径有Φ10 mm 和Φ20 mm2种规格，其他参量如表1所示。

1.1.3 钢板

预制试件用钢板包括2种：一种是厚度为8 mm 和12 mm 的Φ235B 钢板，另外一种是壁厚为12 mm 的Φ235B 螺旋焊管。本次试验中，从母材相应位置割取并制备标准拉伸试件，每种厚度制作3个试件，试验所得钢板材料的力学性能如表2所示。

1.2 试验步骤

1.2.1 新型梁柱连接节点结构图

本试验的目的是提出一种新型梁柱连接节点，它是由节点连接区、预制预应力叠合梁以及预制组合柱等3部分构成，并验证了这种梁柱连接方法的可行性。其中，预制组合柱设计成钢管混凝土结构，在预制叠合梁的端部加装了H 型钢接头，梁柱通过栓焊混合连接或全螺栓连接方式进行搭接，由此构造出了节点连接区[5]。

为了客观评估本文所提梁柱节点连接的整体性能，以实际应用为准设定试件形态规格，具体为[6]：

（1）梁350 mm×450 mm，柱550 mm×550 mm；

（2）预制柱自身长度为2865 mm，增加底端的铰支座以及顶端的加载点的长度，其整体长度为2940 mm；

（3）预制梁自身长度为2000 mm，增加2端铰支座长度，其整体长度为4250 mm。

1.2.2 预制试件设计

新型预制组合框架结构梁柱连接节点表现出优良的抗震能力，这主要得益于2点设计：（1）腹板开洞以及狗骨式连接；（2）仅为边节点连接区域配置箍筋[7]。为了检验不同设计部件的实效性能，本文预制了4种不同结构特点的梁柱连接节点试件，分别为中节点狗骨式连接（编号A1）、中节点腹板开洞（编号A2）和边节点为狗骨式连接（编号B1）和腹板开洞（编号B2）。

1.3 性能测试

1.3.1 承载力测试

1）试验加载设计

试验加载采用拟静力试验方式，其具体表现为对荷载进行控制，从而实现对构建的正向循环加载，同时通过地震结构模拟的方式对特征进行响应。在拟静力试验中，保持较低的加载速率，不会对构件的应变量、应变速率产生重大影响。此外，这一加载过程的可控性好，能够动态监控结构或构件的破坏程度，由此建立起构件的荷载-位移滞回曲线，从中提取出强度、变形、耗能等数据结果，用于评估结构或构件的抗震性能。通过以上分析，利用拟静力试验来检验前文提到的4个预制试件的抗震能力。

2）加载装置

基于以上试验加载设计，采用铰支座作为加载装置，其主要安装在梁柱各端。然后在柱顶位置进行加载设置，即轴向荷载加载和水平荷载控制，将其以反复方式进行作用，从而使该荷载趋于固定。

3）加载制度

本次试验采取的加载制度是位移角控制，在试验过程中，逐级加载构建的位移角，从而实现分级加载的效果；加载制度如图1所示。

在正式加载前，首先执行3级预加载，各级预加载的位移量依次是3、4和5 mm，预加载的目的在于验证试验所用相关仪器处于正常工作状态。随后进行加载试验，位移角控制区间是0.2%～5%，每一级的加载动作都反复3次，如果在完成某一次加载动作后，试件发生了不可恢复的较大变形或者最大荷载小于同级加载动作荷载峰值的80%，此时应当终止继续加载；具体加载明细如表3所示。

4）计算方法

旨在模拟实际的轴压，在柱顶加载适当轴压比的竖向荷载。考虑到圆形钢管混凝土具有优良的延性，因此可以根据试验需求来设定适当的轴压比（n），具体计算为[8]：

式中：N0表示柱顶竖向荷载；Nu 表示柱轴心受压承载力。虽然组合柱是有外包钢筋混凝土和内部钢管混凝土两部分构成的，但前者的轴向承载能力可忽略不计，这也就意味着内部钢管混凝土的轴心承压能力（NCPST）等效为 Nu 。

依据《钢管混凝土结构技术规范》，忽略柱长细比对柱轴心受N（压）承载力的影响则NCPST 计算公式为：

式中：Ac 表示钢管的横截面面积；f 表示钢管的抗拉、抗压强度；Ac 表示钢管内核心混凝土横截面面积；fc 表示钢管内核心混凝土的抗压强度；9表示钢管混凝土构件的套箍系数。

1.3.2 试验量测内容

（1）荷载-位移曲线：荷载-位移曲线显示了试件在低周反复荷载的驱动下而表现出的结构响应，據此能够对试件的抗震能力做出估计。在前文布设的加载装置基础上，配套MTS 系统来动态测算荷载量、位移量等参量，并将测绘数据整合为荷载-位移曲线；

（2）柱顶轴压：在加载试验中需根据柱顶轴压来平稳进行轴压比控制。受到千斤顶油泵性能的影响，柱顶轴压控制可能发生突变，所以在试验过程中应当频繁检查油泵工作状态，必要时可以增大或减小油压，确保柱顶轴压保持平稳；

（3）钢筋和钢接头应变：为了监测加载过程中的钢筋和钢接头的应变情况，需要在制作试件的过程中，在易发生形变的钢筋、箍筋、钢接头处贴服高灵敏度的电阻应变片，并与DH3817静态应变采集仪进行连接，从而获取关键节点的应变信息；

（4）裂缝开展情况：在观察裂缝开展程度之前，需要对试件进行预处理，及利用乳胶漆对试件表面进行涂抹，并且利用墨盒将试件表面细分为规整方格。在完成一级加载以后，观察试件表面的新增裂缝以及原有裂缝的延伸情况，并将观测结果详细记录。

2 结果与分析

2.1 荷载-位移滞回曲线

以柱端位移量为横坐标，以柱端加载荷载为纵坐标，设定前向推动试件的荷载和位移为正方向，由此描绘出新型梁柱连接节点的荷载-位移滞回曲线，具体如图2所示。

从图2可以看出，从滞回曲线的整体形态来看，构件A1、A2与构件B1、B2具有显著地一致性，这说明它们拥有相近的破坏过程，即钢接头和附加U 形钢筋梁底混凝土因应力过大而遭破裂。需要说明的是，构件A1的翼缘焊接不达标而在加载过程中被提前破坏；试件A2、B1、B2都达到了同一加载等级，即位移角2.75%、位移量80.9 mm。

在4个构件中的B1构件拥有完整的滞回曲线，以此为样本进行研讨。在加载的起始阶段，构件B1只发生弹性形变，对其性能影响几乎为零，这时的滞回环狭窄，加载过程和卸载过程的滞回曲线近乎重合，在负荷卸载以后，试件形变量很小。在进入后续等级的加载阶段后，构件B1外表面开始出现小裂缝，其抗震性能开始削弱，在完成单次加载后的形变量不可恢复，此时的滞回环更加饱满。在位移角1.50%的加载等级下，首次加载动作就造成构件陷入屈服，此时的滞回环较为饱满，反向加载动作使得构件裂缝闭合，为零区间内出现少量滑移。在位移角1.50%层级上继续执行2次加载动作，此时除了滞回环表现出捏缩现象以外，荷载峰值也明显降低，这主要是因为混凝土受压出现纵向开裂的问题。在位移角2.00%层级上，受到更大的加载荷载，在钢接头、钢筋混凝土梁段部位，均出现了不同程度的变形，且变形等级明显存在差异。此位置的变形差异使得试件承载力的作用力增强，尤其末尾2次循环的峰值荷载降幅较大，此时的滞回曲线变得形如“S”。在位移角2.75%层级下，构件B1在强大荷载作用下已然发生不可恢复地破坏，尤其梁底混凝土发生严重脱落问题，此时的滞回曲线出现严重捏缩现象，零区间的滑移量继续扩大，整体呈现出“Z”形。

2.2 延性分析

延性展示了某一构件从开始屈服到遭受破坏所呈现出的塑性变形能力，延性系数较大的构件拥有更强地抗震能力。为了量化评估前文所提4个试件的延性，需要界定位移延性系数概念，其算式如下：

式中，试件极限位移△u 等于试件破坏时的位移量。

通过求解出4个试件的位移延性系数，具体如表4所示。

由表4可知，构件A1，A2的位移延性系数均在4以上，由此说明这2个构件受低周反复荷载的影响较大，从而产生了延性破坏，通过构造塑性铰的方式可以显著提高构件最终破坏时的极限位移。构件B1、B2的位移延性系数介于2.48～2.81，相较于试件A1、A2明显更差，主要原因是由于B1，B2受荷载压力破坏，在加载初期即已发生了局部破坏现象，随着位移角的进一步增大，试件承载力严重降低。

2.3 刚度退化分析

在逐步加大加载位移角的过程中，试件的损伤累积会使得试件刚度随循环周次的增加而逐渐降低，这一现象称作刚度退化，该指标表征了反复荷载对于结构或构件造成的累计损伤。本文采用割线刚度来量化表征各次循环时试件的刚度退化程度，算式如下：

式中：+Xi 、-Xi 分别表示第i次循环中的正、负向峰值位移；+Fi 、-Fi 分别表示第i次循环中的正、负向峰值荷载。基于试验加载制度，4个试件在39次加载循环中的刚度如图3所示。

从图3可以看出，这4个构件的刚度退化曲线存在较大相似度。在逐步增大荷载的过程中，4个构件的刚度因混凝土裂缝、钢材屈服等问题而同步降低。在第1～21次加载过程中，4个构件的刚度退化曲线相对平缓，但是在第22次加载动作以后，4个构件的刚度退化曲线变得陡峭。有所差别的是，构件A1、A2在同一层级中的3次加载循环中的刚度退化量较小，因而刚度退化曲线呈阶梯状；而构件B1，B2在同一层级中的3次加载循环中的刚度退化量较大，因而在整个加载过程中，试件刚度下降趋势呈直线型，这说明试件因循环加载而受到严重的累计损伤，这严重损害了试件的结构动力特性。

3 结语

所设计的钢筋混凝土管架节点可满足稳定性要求，正向和負向加载下的屈服位移介于27～34 mm，且可通过在梁端设置狗骨而构造塑性铰，有效增大试件破坏时的极限位移。此外，所设计节点的刚度退化较为平稳，可提高混凝土钢架稳定性。但由于条件限制，在试验未对所设计的梁柱节点进行抗冲击性实验，其稳定性还存在进一步验证。

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