軸壓比對型鋼高強混凝土框架邊節點抗震性能影響的試驗研究

李立仁，胡能萍，涂學成(．重慶大學土木工程學院，重慶400045;．四川省第十五建筑有限公司，四川南充637000)

型鋼混凝土組合結構構件是由型鋼、主筋、箍筋和混凝土組合而成，即核心部分有型鋼鋼結構構件，其外部則為箍筋約束并配置適當縱向受力主筋的混凝土結構，英譯名為“Steel Reinforced High－strength Concrete”，簡稱 SRHC 結構。型鋼混凝土結構承載力高、剛性大并具有良好的延性和耗能性能，因而特別適用于地震區。

軸壓比的大小不但影響受壓構件的破壞形態，同時對節點的承載力和延性也都有影響，本試驗的主要目的是通過2個節點區體積配箍率一致的構件，分別取不同的軸壓比，分別定為0.30和0.27，相當于設計軸壓比0.73和0.66。分析軸壓比對SRHC柱－RC梁中間層邊節點在低周反復荷載作用下抗震性能以及受力、變形性能的影響。

1 節點制作及材料的力學性能

1.1 試件制作

試件設計參考《型鋼混凝土組合技術規程》(JGJ 138－2001)進行了配筋設計，并參照了《鋼骨混凝土設計規程》(YB 9082－97)。綜合考慮試驗精度及試驗設備能力，為了更好地模擬型鋼框架梁柱節點的受力性能，各節點試件均采用1/3縮尺模型，并在此基礎上進行適當調整，具體尺寸及配筋如圖1所示。

1.2 節點材料的力學性能

實驗用鋼骨和鋼筋均是普通熱軋鋼，通過測定確定其力學性能。節點所用的高強混凝土SJ－1實測等級為C89.6，SJ－2實測等級為C94.8。SRHC柱內型鋼采用熱軋普通H型鋼 HW100×100×6×8，含鋼率為5.0%。

2 試驗的加載及量測

2.1 試驗加載裝置

本次試驗在重慶大學大型結構實驗室進行。實驗裝置主要由加力架、反力墻、傳感器、千斤頂、位移計等組成。實驗采用梁端一個拉壓千斤頂反復加載，柱上下端采用鉸支座(模擬反彎點)。試驗均在反復荷載作用下逐級進行加載，構件屈服前用荷載控制分級加載，屈服后用位移控制分級加載。每級荷載(位移)下反復2次。當實測的位移－荷載滯回曲線的荷載值降至該方向曾達到的最大荷載的85%時即認為構件破壞。但在荷載降至這種狀態時，試驗并未終止，而是繼續進行，直至梁端不能繼續承擔所施加的荷載或柱軸力因節點破壞而不能穩于設定值時，宣告試驗終止。

圖1 SRHC柱－RC梁節點試件

2.2 實驗測試及數據采集

2.2.1 應變片位置

為了研究在循環荷載作用下節點核心區的受力性能。在節點核心區位置的鋼骨腹板上布置應變化。在鋼骨翼緣上布置應變片，對于鋼筋應變片的位置，根據需要布置在不同的部位，見圖2。

圖2 試件測點布置

2.2.2 儀表位置

為了繪制滯回曲線，在梁端循環荷載施加位置處的下方，安放大位移計。為了測量節點的旋轉角，在靠近核心區的梁端安置百分表，表針頂向柱。為了測量節點的剪切變形，在核心區處安放十字交叉的百分表兩個。為了了解在實驗過程中柱上端的水平位移變化，在柱上端安放百分表一個。

3 受力過程分析及結果對比

3.1 試驗現象總結

基于上述的試驗過程和破壞形態分析，對于發生節點核心區剪切破壞的型鋼高強混凝土節點的受力過程大致可以分為四個階段:彈性階段、型鋼腹板屈服階段、極限階段和破壞階段。

3.1.1 彈性階段

彈性階段是指節點試件從加荷開始直到核心區混凝土出現第一條沿對角線方向肉眼可見的裂縫階段。當節點核心區由剪應力和正應力產生的主拉應變達到混凝土的極限拉應變值時，節點核心區中心開始出現沿對角線方向肉眼可見的斜裂縫時(寬0.05mm左右)，稱為初裂，相應的荷載為初裂荷載。本次試驗表明，初裂荷載大約是梁端屈服荷載的30% ～50%。約在55～75 kN左右。初裂階段，節點箍筋的應變比較小，故可認為該階段的節點剪力主要是由混凝土和型鋼承擔。

3.1.2 型鋼腹板屈服階段

型鋼腹板屈服階段又稱為帶裂縫工作階段，是指從節點核心區混凝土出現第一條斜裂縫開始，到核心區型鋼腹板屈服的階段。當荷載大約加至極限荷載的80%左右時，節點核心區混凝土出現了許多沿對角線方向貫通的交叉主斜裂縫，核心區呈“通裂”狀態。此時，型鋼腹板達到屈服應變，對應的荷載即為屈服荷載。

3.1.3 極限階段

核心區混凝土“通裂”后，由于骨料咬合力和摩擦力的存在以及箍筋和翼緣框的約束，核心區混凝土仍能承受一部分剪力，此時型鋼由屈服逐漸進入強化階段，承載力仍可繼續增加5% ～20%，達到極限值(最大值)，這時型鋼腹板已屈服，處于塑性狀態，箍筋也逐漸進入屈服。節點達到極限狀態，對應的荷載即為極限荷載。

3.1.4 破壞階段

隨著位移加大，節點核心區混凝土開始壓碎而大塊剝落，核心區剪切變形急劇增大。此時，節點仍能繼續承載，承載力在達到極限值后開始下降，當下降一定幅度(比極限荷載低15%左右)時，可認為節點破壞，對應的荷載為破壞荷載。

本次試驗中的兩個試件均發生節點核心區剪切破壞。型鋼高強混凝土節點具有較好的延性特征、耗能能力和可避免節點發生脆性破壞等優點。

3.2 試驗結果對比

3.2.1 裂縫發育

通過本次兩個試驗對比表明:試件軸壓比高的構件，節點開裂荷載也相對高，分別是75 kN和55 kN，軸壓力的增大推遲了節點區交叉斜裂縫的出現并適度減慢斜裂縫的發育速度，且增大了交叉斜裂縫與水平軸線的交角;而且，軸壓比偏大的試件SJ1，其節點斜裂縫往上下柱端發展的趨勢更明顯一些。

3.2.2 滯回曲線

通過對以上滯回曲線的分析，可以得到以下不同參數情況下滯回曲線的特征:SJ－2與SJ－1的滯回曲線相比，極限位移SJ－2大。這說明軸壓比的改變對型鋼高強混凝土節點的抗震性能是有影響的。

3.2.3 骨架曲線

分析圖3所示的骨架曲線可知:

(1)SJ2構件的滯回曲線相對于SJ1來說下降段較長、較平緩，說明其變形能力較強，延性好;

(2)當軸壓小的構件，軸壓比對屈服位移的影響不是很大，軸壓比高的構件骨架曲線對應的最大荷載增大;當軸壓比較大時，屈服位移下降，骨架曲線對應的最大荷載減小，軸壓比對強化階段剛度的影響是:隨著軸壓比的增大，強化階段的剛度不斷下降，結構的延性隨軸壓比的增大有顯著降低的趨勢。

圖3 骨架曲線

3.2.4 耗能性能

由于構件在加載時表現出非彈性性質，試件的總滯回耗能隨著位移的增加而增大，在最后一級位移下的總滯回耗能隨著軸壓比的減小而略有增加。

表1 各試件平均最大等效阻尼比

由表1可以看出:本次試驗兩個試件都發生節點區的剪切破壞，所以阻尼比較大，但是從表中可以看出，在配箍率相同、混凝土強度差別很小的情況下，軸壓比較小的SJ－2阻尼比較大，滯回耗能性能更好，說明軸壓比對節點的滯回耗能性能的影響比較大，這一點與普通鋼筋混凝土節點試驗所得結果是一致的。

3.2.5 延性

本次試驗兩個試件的延性系數計算如表2。

表2 軸壓比與位移延性的關系

從試驗結果來看，軸壓比較小的SJ－2延性系數要稍大一些，說明軸壓比是影響節點延性系數的主要因素。所以，SRC節點由于所含型鋼的作用，變形能力增加，不至于造成脆性破壞，即使遭受超過其強度的地震荷載作用，也可以靠塑性變形能力耗散地震能量。

3.2.6 強度衰減

圖4 各試件的強度衰減

從圖4中可以看出:軸壓比對構件的強度衰減有一定影響。軸壓比為0.27時，隨著位移的增加，構件承載力的衰減表現出逐步而穩定的增加，當軸壓比增加到0.30時，構件后期的承載力衰減有所加大但增加幅度不大。這說明強度衰減是隨軸壓比的增大而減小的。

4 結論

本文通過對兩個軸壓比不同的型鋼高強混凝土中間層邊節點試件的低周反復加載試驗結果，擬得出如下結論:軸壓比對型鋼高強混凝土節點的滯回曲線有非常明顯的影響:軸壓比小的試件，滯回環呈豐滿的梭形，滯曲曲線比較穩定，構件在強度不顯著降低的情況下，所能經受的循環次數多，極限變形大。隨著軸壓比的提高，耗能性能變差，剛度退化加劇、延性降低，等效阻尼比減小。然而軸壓比的存在對節點初期(屈服以前)的抗裂和抗剪承載能力有一定的的提高作用，軸壓比大的試件節點區裂縫出現的相對較晚，但對節點中型鋼腹板的承載能力卻有一定的削弱作用。

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