非對稱配鋼鋼骨混凝土柱鋼梁框架節點延性試驗研究

崔振坤，肖云峰，靳思騫，陳娟　(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

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崔振坤，肖云峰，靳思騫，陳娟(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

[摘要]對4個T形配鋼柱-鋼梁節點和4個L形配鋼柱-鋼梁節點進行了低周反復擬靜力試驗，研究了非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節點的延性性能和耗能能力。試驗考慮了軸壓比、混凝土強度等級和核心區配箍率等參數對節點延性分析的影響,并對在相同條件下T型試件和L型試件延性進行對比分析，觀察了節點的受力過程和破壞形態，分析了不同因素對滯回特性的影響。結果表明，試件的延性隨著軸壓比的增大而減小，隨著混凝土強度增加而減小，隨著核心區配箍率的增大而增大；在軸壓比、核心區配箍率及混凝土強度等條件相同情況下，L形試件受到偏心扭轉的影響，T形試件延性較L形延性好。

[關鍵詞]非對稱配鋼；鋼骨混凝土；擬靜力試驗；框架節點延性

我國抗震設防目標以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為準則，這就要求結構要有足夠的承載力來抵御小震，有足夠的變形和耗能能力來抵御大震。大量的震后損壞實例表明，變形能力和耗能能力不足是造成結構損壞乃至結構倒塌的最主要原因。在進行抗震設計時，傳統的依據強度概念進行彈性設計已經無法滿足實際需求，充分考慮結構和構件的塑性變形而進行的延性設計顯得尤為重要。

型鋼混凝土節點作為傳遞梁柱間相互作用力的部件，其內力傳遞機理十分復雜，一旦節點發生破壞，會對整個結構體系產生非常嚴重的影響。目前非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節點研究相對較少，文獻[1]對9個中間層邊節點、4個角節點和4個中節點進行了低周反復試驗，得到節點在彎剪作用下的受剪承載力以及在剪扭作用下受剪及受扭承載力計算公式；文獻[2]進行了SRCTJ1和SRCTJ2兩個型鋼混凝土柱鋼桁梁組合節點試驗，對趙鴻鐵提出的計算公式進行了補充與改進；文獻[3]進行了5個型鋼混凝土十形柱空間節點試驗，提出節點抗裂承載力和抗剪承載力計算公式；文獻[4]進行了2個轉換節點的低周反復試驗，研究了該類節點的抗震性能特點。在已有研究的基礎上，筆者在考慮軸壓比、混凝土強度、核心區配箍率等參數影響下，進行了8個節點(4個T形配鋼柱-鋼梁節點和4個L形配鋼柱-鋼梁節點)的低周反復擬靜力試驗，對非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節點延性進行研究，以期望能為工程應用提供有效參考價值。

1試驗概況

1.1試件設計

為了研究非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節點的延性特點及破壞機理，以“強構件，弱節點”為原則，加強了試件梁、柱等部位的設計，使節點核心區先于其他部位而首先發生破壞，以期達到研究節點的試驗目的，設計了8個節點(4個T形配鋼柱-鋼梁節點和4個L形配鋼柱-鋼梁節點)試件，試件配鋼率均為6.96%，試件尺寸與截面配鋼如圖1所示，試件其他參數見表1。

圖1　試件尺寸與截面配鋼(單位:mm)

試件采用細石混凝土澆筑，混凝土強度等級為C30和C60，其立方體抗壓強度分別為40.25MPa和62.8MPa。試件采用?b4和?10鋼筋，其屈服強度分別為435.4MPa和305.3MPa，采用6mm和8mm厚2種規格鋼板作為鋼骨，其屈服強度分別為324MPa和272MPa。

表1　試件參數與破壞形態

1.2試驗加載

試驗采用柱端加載方式。首先用豎向液壓千斤頂施加軸力至設計值并保持恒定，然后用電液伺服作動器施加水平位移荷載。在試件達到屈服荷載以前，每級位移荷載循環往復一次，在試件達到屈服荷載后，每級位移荷載循環往復3次，直至試件的承載力下降到最大極限荷載的85%時停止加載，試驗宣告結束[5,6]。

2試驗結果分析

2.1試件主要循環過程的試驗數據

圖2　試件破壞形態

試件在循環荷載作用下，典型破壞形態分為剪切破壞和焊接撕裂破壞2種形式，破壞形態如圖2所示，各試件主要特征荷載見表2。

在試件未達到屈服荷載的加載初期，剪切破壞試件和焊接撕裂破壞試件均在鋼梁與型鋼柱連接處下側混凝土首先出現裂縫；繼續加載，2種破壞形態試件節點核心區都出現斜向X形交叉裂縫，但剪切破壞試件破壞較嚴重；當達到極限荷載時，剪切破壞試件核心區混凝土被壓縮并脫落，焊接撕裂破壞試件發出焊縫撕裂的咔嚓聲且試件承載力退化顯著；當達到破壞荷載時，試驗宣告結束，剪切破壞試件核心區混凝土脫落嚴重，露出核心區內部的箍筋，柱子上部發生10°左右的傾斜，焊接撕裂破壞的試件核心區混凝土并未發生脫落，僅有一些交叉的斜裂縫。

2.2滯回曲線

柱端水平位移主要由柱、梁及核心區的彈性和非彈性變形構成。梁端和柱端承受較大的彎矩和剪力，因此梁端和柱端也較早的進入塑性階段，試件塑性鉸的形成是柱端水平位移的最主要原因[7～9]。試件在加載過程中繪出的滯回曲線如圖3所示，具有如下滯回特點：

1)在試驗開始加載時，由于試件處于彈性階段，滯回曲線呈線性關系；隨著水平荷載繼續施加，試件進入彈塑性階段，滯回曲線呈曲線關系,滯回曲線所包面積逐漸增大，且滯回曲線慢慢向橫軸傾斜，試件剛度退化較明顯；在試驗加載末段，試件處于塑性階段，試件強度、剛度下降較快， 曲線基本與橫軸相平。

表2　試件特征荷載

2)在試驗中節點試件TJ-2、TJ-4及LJ-2發生剪切破壞，滯回環較飽滿，變形能力和耗能能力相對較好；節點試件TJ-1、TJ-3、LJ-1及LJ-3發生梁柱焊接撕裂破壞，滯回環飽滿程度與發生剪切破壞的試件相比稍差，變形及耗能不如發生剪切破壞的試件，但總體上來看，依然能滿足變形及耗能的要求。

3試件延性影響因素分析

3.1試件的延性指標

試件延性是指試件達到最大承載力后，仍能發生較大變形而承載力緩慢降低的一種性質。發生延性破壞的試件，在承載力沒有顯著降低前，試件經歷了很大的非線性變形，在破壞前能給人以警示。延性系數是度量和比較構件間延性的指標,一般可分為曲率延性系數和位移延性系數，筆者以位移延性系數為指標分析各因素對試件延性性能的影響，采用能量等值法對延性系數進行求解，具體過程如下：

破壞位移Δu與屈服服位移Δy之比得到延性系數μ，即μ=Δu/Δy，其中破壞位移與屈服位移取值方法如圖4所示。

3.2節點延性主要因素分析

1)軸壓比。試驗軸壓比分為0.3和0.6兩種形式。試件TJ-1與TJ-2相比，延性系數隨著軸壓比增大由3.20降到2.81；試件LJ-1與LJ-2相比，延性系數隨著軸壓比增大由3.04降到2.77。試件延性隨著豎向壓力的增大而減小，這是由于在水平位移荷載施加中后段，水平位移較大，豎向力產生的二階效應較明顯，已不可忽略此二階效應對試件破壞的加速作用，軸壓比越大試件受影響程度越大，延性也稍差。

圖3　試件滯回曲線

圖4　屈服位移和破壞位移

2)配箍率。 試件配箍率采用2種形式，體積配箍率分別為0.825%和1.651%。在軸壓比和混凝土強度相同的情況下，比較試件TJ-1與TJ-3，延性系數隨著配箍率增大由3.20增大到3.39；比較試件LJ-1與LJ-3，延性系數隨著配箍率的增大由3.04增大到3.2。配箍率的提高有利于改善試件的延性，這主要是因為箍筋對節點核心區混凝土起到約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態，提高了混凝土的極限壓應變，防止混凝土在高應變下發生剝落和脆性破壞，從而提高了試件的延性性能。

圖5　T型試件與L型試件延性對比

3)混凝土強度。試件采用C30和C60混凝土澆筑。試件TJ-2與TJ-4比較，混凝土強度提高，延性系數由2.81降為2.74。試件延性隨著混凝土強度的提高而降低，這是由于在混凝土抗壓強度提高時，混凝土的脆性增強，極限壓應變減小，延性隨之降低。

3.3T型試件與L型試件延性對比分析

TJ-1與LJ-1、TJ-2與LJ-2以及TJ-3與LJ-3這3組試件分別對應的混凝土強度、節點核心區配箍率、軸壓比均相同，在此相同條件下分別比較3組試件延性特點，比較結果如圖5所示。

由圖5對比分析結果可知，T型試件延性較L型試件延性好，在軸壓比、混凝土強度和配箍率等條件相同情況下延性系數平均要高4.33%，這是由于L型試件在加載時，加載作用點沒有通過試件截面彎曲中心，試件處于偏心受力狀態，節點核心區偏心受力剪應力圖如圖6所示。由圖6可知，L型試件一側剪應力明顯要大于T型試件相應側剪應力，此扭轉剪應力加速了試件的破壞速度，使試件延性系數產生了一定的降低。

4結論

圖6　偏心受扭剪應力

1)對于非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節點，延性系數均在3.0左右，比鋼筋混凝土節點要好，抗震性能更出色。降低混凝土強度、提高節點核心區的配箍率以及降低柱子軸壓比能夠改善節點的延性,提高節點的抗震性能。

2)在試件軸壓比、混凝土強度及節點核心區配箍率條件相同情況下，T型試件延性比L型試件延性要好，主要是由于L型試件處于偏心受扭狀態，由此產生的扭轉剪應力對試件延性產生了不利影響，使L型試件延性性能在形同條件下有所降低。

3)發生剪切破壞的節點試件，柱端產生塑性鉸，試件發生較大變形，其滯回曲線較飽滿，耗能能力較發生焊接撕裂破壞的試件更好。

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[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)01-039-05

[中圖分類號]TU398.9

[作者簡介]崔振坤(1988-)，男，碩士生，現主要從事型鋼混凝土組合結構方面的研究工作；通信作者：肖云峰， 279375457@qq.com。

[基金項目]國家科技支撐計劃項目(2013BAJ08B03)；國家自然科學基金項目(51108041)；湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃項目(T201303)。

[收稿日期]2015-10-29

[引著格式]崔振坤，肖云峰，靳思騫，等.非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節點延性試驗研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(1)：39～43.