型鋼超高強混凝土邊節點抗震性能研究＊

劉 偉 賈金青 李 勇 張 瀟

（大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室1） 大連 116024）（大連現代軌道交通有限公司2） 大連 116021）

0 引 言

超高強混凝土以其強度高的優勢，越來越廣泛地應用于工程實踐中，但超高強混凝土脆性大、延性差也是其不可忽略的缺點.因此，克服超高強混凝土這一缺點成為其應用和推廣的關鍵［1］.而在鋼筋超高強混凝土結構中埋設鋼骨，可提高構件和結構的延性.型鋼超高強混凝土結構是介于鋼筋混凝土結構與鋼結構之間的一種組合結構，它具有剛度大、穩定性強、工序簡單等優點，在工程實踐中得到廣泛應用［2］.這種組合結構的節點（作為主要傳力部件）也得到越來越多的關注.許多國家都制定了相應的設計規范，我國的設計規程中盡管包括對高強混凝土的設計，但仍沿用普通混凝土的設計方法，混凝土標號在C60 以下，國外研究多集中在RC 梁-SRC柱節點，較少涉及SRC梁-SRHC 柱節點研究.總體而言，SRHC 節點的研究遠遠落后于SRHC 結構的應用，尤其是邊節點的研究成果相對更少.因此，本文通過對SRHC 邊節點構件進行低周往復試驗，研究了SRHC邊節點構件的延性，耗能能力及剛度退化規律等力學性能，以期為SRHC 邊節點的進一步研究和工程應用提供理論依據.

1 試驗研究

1.1 試驗設計

本次試驗共制作了5個截面尺寸相同的型鋼超高強混凝土框架邊節點，柱截面尺寸為200 mm×200mm，柱高為1500mm；梁截面尺寸為160mm×300mm，梁長度為1020mm；試件梁、柱縱筋分別采用HRB335級φ20，φ14螺紋鋼筋，節點區箍筋采用HPB300 級φ6 鋼筋，其他區域箍筋采用HRB400級φ6 螺紋鋼筋，型鋼采用普通熱軋型鋼.所有試件的混凝土強度等級均為C100.試件節點核心區采用柱貫通方式，梁內型鋼翼緣坡口后與柱中型鋼進行焊接，型鋼腹板通過角焊縫與柱中型鋼連接，并在梁柱鋼骨連接處加設加勁肋，以防止在低周往復荷載作用下發生連接處焊縫脆性破壞.本文主要研究軸壓比、配箍率對型鋼超高強混凝土柱-型鋼混凝土梁框架節點及型鋼超高強混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架節點延性、耗能能力及剛度退化規律的影響.試件主要參數見表1，試件尺寸及配筋情況見圖1.

表1 試件基本參數

圖1 試件尺寸及配筋

1.2 加載方案及測點布置

試驗采用擬靜力加載，柱頂采用液壓千斤頂施加軸向荷載，梁端為自由端，采用300kN 千斤頂施加等量反對稱低周往復荷載［3］，試驗加載裝置見圖2.

圖2 加載裝置

加載制度采用力-位移混合控制，試件在達到屈服位移前采用荷載控制，達到屈服位移后采用位移控制，按照屈服位移的倍數分級加載，每級位移水平下循環2次，直至梁端荷載下降至極限荷載的85%或試件失去承載力為止.

2 試驗過程及主要結果分析

2.1 試驗過程及破壞特征

試驗中試件SSRC-25-0.8，SSRC-45-0.8，SSRC-25-1.2，SRC-RC-25-1.2 的節點區 域均發生了剪切破壞，破壞過程分為彈性、屈服、極限及破壞4個階段.而試件SRC-RC-45-1.2破壞過程明顯縮短，且破壞前無先兆，表現出典型的脆性破壞特征.節點核心區裂縫形態以X 形裂縫為主，伴隨豎向裂縫，隨著梁端位移加大，豎向裂縫也出現延伸，寬度增大.

2.1.1 彈性階段

彈性階段是指節點從施加荷載起到節點核心區出現初始裂縫的階段.當節點梁端正方向加載至25～30kN 時，節點梁根部約15cm 范圍內首先出現微小裂縫，裂縫寬度約為0.02 mm，該裂縫為豎向彎曲裂縫.隨著往復荷載的繼續施加，梁不斷出現豎向及斜向裂縫.當節點梁端正方向加載至60～75kN 時，節點區域出現斜向裂縫，裂縫寬度約為0.06～0.08mm，并且斜向裂縫沿平行于對角線方向擴展延伸.初裂階段，節點核心區的剪切變形與箍筋應變很小，剪力主要由混凝土與鋼骨承擔.

2.1.2 屈服階段

屈服階段指節點核心區出現第一條裂縫至節點鋼骨腹板屈服為止.隨著往復荷載繼續施加，節點核心區不斷出現斜裂縫，這些斜裂縫將核心區混凝土分割成菱形小塊.同時，梁端裂縫上下貫通并加寬，并出現斜向裂縫.當荷載達到極限荷載的90%時，節點核心區主裂縫貫通，梁端裂縫變化不大.在此階段，節點核心區箍筋應變增長很快，節點剪力主要由型鋼承擔，鋼骨腹板開始屈服，箍筋尚未屈服.

2.1.3 極限階段

核心區混凝土“通裂”后，由于混凝土斜裂縫間骨料咬合和摩擦作用以及箍筋約束，核心區混凝土仍能承擔大部分剪力.同時，型鋼腹板均已屈服，并進入強化階段，箍筋也逐漸屈服，節點承擔荷載仍能增加.節點核心區混凝土出現交叉貫通狀態，裂縫明顯加寬，其寬度達到約1.6 mm，并伴有輕微劈裂聲.節點核心區剪切變形明顯增大，試件進入極限狀態，承載力達到極限荷載值.

2.1.4 破壞階段

達到峰值荷載之后，隨著位移的增大，節點核心區混凝土開始被壓碎并大塊剝落.但由于型鋼骨架的存在，節點仍能繼續承載，承載力開始下降，通常下降至極限荷載的85%或試件失去承載力，認為節點試件破壞.

2.2 滯回曲線特征及變化規律

本研究中滯回曲線為節點試件梁自由端往復荷載與梁自由端豎向位移的曲線.各試件滯回曲線見圖3.由圖3中可見：

1）彈性階段時，混凝土尚未開裂，滯回曲線基本呈直線變化，卸載時無殘余變形.屈服前，滯回曲線呈穩定的梭形，殘余變形與剛度退化很小.隨著荷載等級的加大，SRHC 柱／SRC 梁框架節點滯回曲線愈加飽滿，沒有明顯捏縮現象，表明SRHC 柱／SRC 梁框架節點具有較好的耗能能力.而SRHC柱／RC梁框架節點滯回曲線出現明顯捏縮效應，其飽滿程度及抗震能力明顯差于SRHC柱／SRC梁框架節點.

2）配箍率相同的條件下，試件SSRC-45-0.8與SSRC-25-0.8相比較，加載至彈塑性階段后，隨著位移循環次數的增加，荷載顯著下降，耗能能力降低，表明軸壓比越大，屈服后剛度退化快，荷載下降顯著，延性及耗能能力越差.

3）軸壓比相同的情況下，配箍率較小的試件屈服后剛度退化較快，荷載顯著下降，耗能能力降低，與配箍率較高的試件相比，其極限荷載明顯較低，表明抗震延性及承載力隨配箍率的降低而下降.

4）高軸壓比作用下，對試件SRC-RC-45-1.2而言，梁端屈服前，節點核心區發生剪切失效，該破壞形式達不到預期的抗震能力，且發生剪切破壞的節點.

圖3 荷載-位移滯回曲線

不論剪切破壞的破壞形態如何，其延性均很差.在高軸壓比作用下，由節點區混凝土斜壓桿機制及桁架機制共同傳遞的斜向壓力過大，使得核心區混凝土在梁端及節點區域箍筋屈服前被斜向壓碎，這種破壞純屬脆性破壞.

2.3 骨架曲線

各試件骨架曲線對比見圖4.從圖中可以看出：

1）對于配箍率相同的試件，隨著軸壓比的增大，骨架曲線的屈服段較短，下降段變得陡峭，與坐標軸形成的面積相對較小，加載至峰值荷載后，強度退化加快，極限變形能力降低.原因在于軸壓比與混凝土的極限壓應變有關，軸壓比不同時，截面的應變分布明顯不同，低軸壓比時，截面的應變梯度較大，隨著軸壓比的增大，截面應變梯度減小，當軸壓比很高時，截面應變分布類似于軸心受壓構件［4］.

圖4 骨架曲線對比

2）配箍率對試件節點的延性有明顯的影響，隨著節點配箍率的增大，其相應的骨架曲線趨于平緩，與坐標軸形成的面積較大，其延性及耗能能力相對較好，這是由于箍筋對節點區混凝土提供了有效約束，提高了節點的極限變形能力，從而提高了試件的延性.

3）與RC 節點相比，HSRC 框架節點屈服段較長，下降段較平緩，與坐標軸形成的面積較大，變形能力較強，極限承載力由64kN 提高到93 kN，增幅45.3%，說明型鋼對超高強混凝土構件的延性改善顯著，并可大幅提高節點的極限承載力.

2.4 延性及耗能能力

根據骨架曲線，采用能量法求屈服位移，極限位移為0.85峰值荷載對應的位移，極限位移與屈服位移之比即為位移延性系數μΔ［5］.耗能能力是評價結構抗震性能的主要指標，本文采用等效粘滯阻尼系數he來表示，其定義為［6］

式中：E1為對應于最大荷載時的滯回環面積，即結構儲存能量的能力；E2為對應于最大荷載時的彈性變形能，按下式確定.

等效粘滯阻尼系數he越大，試件的耗能能力越強.各試件的位移延性系數見表2，等效粘滯阻尼系數見表3.

表2 位移延性系數

表3 等效粘滯阻尼系數

由表2可見，在同組試件中，試件達到極限狀態時的耗能能力與其位移延性系數有著相似的規律，即隨著軸壓比的增大而減小，說明軸壓比較小的試件有更好的延性及耗能能力；軸壓比相同的條件下，試件的位移延性系數及等效粘滯阻尼系數隨著配箍率的提高而有所增大；另外，SRUH-SC柱／SRC梁框架節點的位移延性系數平均值為4.63，較SRUHSC 柱／RC 梁框架節點的位移延性系數平均值2.6提高78.1%，說明型鋼的存在顯著改善了構件的延性性能.

2.5 剛度退化

采用同級控制位移下的環線剛度表示剛度退化，環線剛度定義如下［7］：

環線剛度表示在同一位移幅值水平下，節點試件剛度隨同級往復荷載次數的增加而降低.考慮軸壓比、配箍率兩個因素對環線剛度的影響，見圖6.

圖6 剛度退化曲線對比

從圖6可以看出：（1）節點試件的環線剛度隨加載位移幅值的增大而減小，耗能能力逐漸減弱，產生該現象的根本原因是框架節點達到極限承載力后的彈塑性及累積損傷.這種損傷主要表現為混凝土各種裂縫的滋生和擴展，鋼筋的屈服及鋼筋與混凝土之間的粘結滑移；（2）配箍率相同的條件下，高軸壓比的節點試件剛度退化快，而低軸壓比試件剛度退化則相對較慢.主要是由于在剪壓比一定的條件下，軸壓比的增大能使梁筋屈服區向節點內滲透減慢，從而推遲節點斜裂縫的出現，對節點抗震有利.而當軸壓比進一步增大，斜壓桿中的斜壓力加大，使核心區混凝土斜向壓潰，對節點的最終失效產生不利影響；（3）在同一軸壓比下，配箍率較高的節點試件剛度退化速度相對較慢.因為水平箍筋對斜壓混凝土提供橫向約束作用，盡管斜壓桿受壓產生體積膨脹所受到的這種約束作用不直接參與傳遞作用剪力，但卻提高了斜壓桿混凝土的抗壓能力和延性.特別是在加載后期，這對斜壓桿機構能夠維持其承載能力，從而達到更大延性提供了關鍵保證.

3 結 論

1）軸壓比為0.25時，節點滯回曲線較豐滿，骨架曲線較平緩，位移延性系數較軸壓比為0.45時提高約50%，等效粘滯阻尼系數提高約7%.

2）軸壓比為0.25時，節點核心區配箍率提高50%，試件的位移延性系數提高10%，等效粘滯阻尼系數提高約14%.

3）軸壓比與配箍率均相同時，梁中內置鋼骨后，位移延性系數均值高于SRUHSC 柱／RC 梁框架節點，具有較好的抗震性能.

［1］黃英省，唐昌輝，張世民.狗骨式鋼骨高強混凝土邊節點抗震性能試驗研究［J］.工業建筑，2012，42（5）：139-145.

［2］賈金青，姜 睿，厚 童.鋼骨超高強混凝土框架柱抗震性能的試驗研究［J］.土木工程學報，2006，39（8）：14-18.

［3］中華建筑科學研究院.JGJ101-96建筑抗震試驗方法規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，1997.

［4］王鐵成，陳恒超，郭永亮，等.反復荷載作用下雙向受剪框架柱的剛度退化［J］.天津大學學報，2005，38（12）：1058-1062.

［5］閆長旺.鋼骨超高強混凝土框架節點抗震性能研究［D］.大連：大連理工大學，2009.

［6］傅劍平.鋼筋混凝土框架節點抗震性能及設計方法研究［D］.重慶：重慶大學，2002.

［7］賈金青，徐世瑯.鋼骨高強混凝土短柱軸壓力系數限值的試驗研究［J］.建筑結構學報，2003，1（7）：14-19.