桁架式鋼骨混凝土梁-鋼骨混凝土柱梁柱組合構件抗震性能試驗研究

楊立軍, 鄧志恒, 馮 超，陳 孔

(1.廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530004； 2. 湖南文理學院 土木建筑工程學院，湖南 常德 415000)

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桁架式鋼骨混凝土梁-鋼骨混凝土柱梁柱組合構件抗震性能試驗研究

楊立軍1，2, 鄧志恒1, 馮 超1，陳 孔1

(1.廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530004； 2. 湖南文理學院 土木建筑工程學院，湖南 常德 415000)

提出了一種由桁架式鋼骨混凝土(SRC)梁和鋼骨混凝土(SRC)柱組成的框架結構新的節點形式。為了研究這種新型梁柱組合構件的抗震性能，對8個桁架式鋼骨混凝土梁-鋼骨混凝土柱框架邊節點進行了低周反復荷載試驗。試驗觀察并記錄了各節點試件的破壞形態，測得其梁端荷載-位移滯回曲線、節點剪切變形、骨架曲線和梁端荷載-轉角滯回曲線。以試驗結果為基礎，對節點的延性、耗能性能、承載力及剛度退化等抗震耗能性能進行了分析，討論了含鋼率、軸壓比及角鋼腹桿尺寸對節點受力性能的影響。研究結果表明，這種新型桁架式鋼骨混凝土框架節點具有良好的延性及耗能性能，為其工程應用提供了理論依據。

框架節點；桁架式鋼骨混凝土梁；延性；耗能性能；抗震性能；梁柱組合構件

型鋼混凝土結構除了在混凝土中配置必要的鋼筋外，主要配置型鋼作為其受力骨架。由于具有承載力高、延性好，抗震性能優越的優點，得到了廣泛的應用，其各個方面都成為了研究熱點：組成材料(型鋼超高強和高強混凝土[1-4]、型鋼再生混凝土[5-7])、構件(梁[8]、柱[9-11]、剪力墻、節點)、框架、力學性能(靜力性能、抗震性能[11-20])等等。為了克服型鋼混凝土黏結能力弱，穿筋困難，耗鋼量大和錨固要求高的缺點，許多學者提出了型鋼混凝土結構的新型形式，如鄧志恒等提出了桁架式鋼骨混凝土T形梁，TAO等提出了SRC柱-鋼桁架梁，何益斌等提出了方鋼管SRC柱與鋼梁端板螺栓連接，鄧志恒等提出了桁架式SRC梁-鋼筋混凝土柱，極大地擴大了型鋼混凝土結構的工程應用范圍和優勢。本文提出了一種由實腹式桁架式SRC梁和SRC柱組成的框架結構節點形式。桁架式SRC梁內配平行弦桁架式鋼骨，桁架式鋼骨上下弦桿采用T形型鋼，由斜桿、豎桿組成的腹桿為角鋼，可以通過調整格構式腹桿的高度改變梁的高度。角鋼的剪切作用有效提高了鋼骨架與混凝土黏結能力，梁端設置的交叉腹桿成為一種很好的耗能減震裝置。為了研究這種新型梁柱組合構件的抗震性能，設計了8個桁架式SRC梁-SRC柱框架邊節點的低周反復荷載試驗。

1 試驗概況

1.1 試件設計

對框架結構中間層邊節點進行研究，取梁柱反彎點之間的倒“T”字形結構為試驗對象。按照強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件原則設計試件。設計時主要考慮腹桿截面尺寸、軸壓比及工字鋼尺寸(含鋼率)對節點抗震性能的影響。

試驗共設計8個試驗節點，梁截面尺寸為200 mm×400 mm，柱截面尺寸為300 mm×350 mm，梁長1 470 mm，柱高1 900 mm，型鋼混凝土保護層厚度50 mm，鋼筋保護層厚度25 mm，梁T形型鋼由工字鋼從腹板中間破開做成。試件幾何尺寸及截面配鋼如圖1所示，型鋼骨架如圖2所示，其中，配I14、I16型鋼的JD-1、JD-2、JD-5～JD-7梁柱連接采用直接對接圍焊的形式，如圖2(a)所示；JD-3、JD-4、JD-8梁柱連接除對接圍焊外，在梁端上、下弦桿翼緣外側各加焊一塊100 mm×100 mm×10 mm的直角三角形加勁板，腹板兩側各加焊一塊240 mm×70 mm×10 mm的矩形加勁板(長邊與柱翼緣面焊接)，如圖2(b)所示。各試件設計參數如表1所示。

圖1 試件幾何尺寸及截面配鋼Fig.1 Geometry and steel layout of specimens

圖2 型鋼骨架Fig.2 Steel skeleton表1 試件參數Tab.1 Details of specimens

試件編號梁b×h/mm2縱筋箍筋型鋼柱b×h/mm2箍筋主筋型鋼節點區水平箍筋軸壓比腹桿尺寸JD-1200×400416?8@100I14300×350?8@100418+214I14?8@1000.2∠40×4JD-2200×400416?8@100I16300×350?8@100418+214I16?8@1000.2∠40×4JD-3200×400416?8@100I18300×350?8@100418+214I18?8@1000.4∠40×4JD-4200×400416?8@100I18300×350?8@100418+214I18?8@1000.2∠40×4JD-5200×400416?8@100I14300×350?8@100418+214I14?8@1000.2∠50×4JD-6200×400416?8@100I14300×350?8@100418+214I14?8@1000.3∠50×4JD-7200×400416?8@100I16300×350?8@100418+214I16?8@1000.4∠50×4JD-8200×400416?8@100I18300×350?8@100418+214I18?8@1000.4∠50×4

1.2 材料力學性能

混凝土采用C40普通商品混凝土，由預留同養試塊測得立方體抗壓強度fcu=50.59 MPa。

型鋼采用Q235，縱筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。鋼材力學性能如表2所示，其中fy、fu、Es分別表示鋼材的屈服強度、極限強度和彈性模量。

1.3 試驗加載方案

加載試驗裝置示意圖如圖3所示。試驗先按設定軸壓比由液壓千斤頂對柱頂端施加軸心壓力，然后采用電液伺服加載系統對梁端施加低周反復循環荷載，采用荷載-位移雙控制的加載制度，加載制度如圖4所示。試件屈服前按每級15 kN進行加載，根據P-Δ曲線判定屈服荷載Py和屈服位移Δy。試件屈服后按位移控制加載，以Δy為基數成倍數進行循環加載；每級循環加載3次，當構件破壞時卸載。

表2 鋼材力學性能Tab.2 Mechanical performance of steel

圖3 加載試驗裝置Fig.3 Test set-up

圖4 加載制度Fig.4 Loading program

1.4 試驗測試內容及測點布置

(1)梁自由端荷載及位移

梁自由端荷載及位移由作動器自帶的荷載傳感器與位移傳感器量測，并同步傳輸到計算機。

(2)梁端塑性鉸區的彎矩及轉角

如圖5所示，在梁端上、下部位離柱面1倍梁高(h)范圍內分別布置兩個位移傳感器量測梁上、下部位h范圍之內的伸長和縮短量，從而算出此范圍內的轉角，繪出彎矩-轉角滯回曲線。

(3)節點核心區剪切變形

如圖5所示，在節點核心區沿對角線方向安裝兩個交叉導桿及位移傳感器，測量節點區對角線方向的伸長和縮短量，從而得到核心區荷載-剪切變形曲線。

圖5 位移計布置Fig.5 Arrangement of displacement meter

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞形態

節點的破壞形態主要有梁端受彎破壞和節點核心區剪切破壞兩種形式。本次試驗的8個構件均發生了較為理想的梁端塑性鉸區受彎破壞，裂縫開展進程基本相似，節點區均產生了或多或少的交叉斜裂縫，典型試件裂縫分布如圖6所示。

圖6 典型試件裂縫分布(JD-3)Fig.6 Crack distribution of typical specimens(JD-3)

2.2 梁端荷載-位移滯回曲線

梁自由端豎向荷載-豎向位移滯回曲線如圖7所示。

從圖7中各試件滯回曲線可知：

(1)各節點試件的滯回曲線均呈飽滿的梭形，破壞以前沒有捏縮現象產生，而且隨著梁端豎向控制位移逐級增加，滯回環愈加飽滿，表明桁架式SRC梁-SRC柱框架節點具有良好的抗震性能。

(2)隨著位移等級增加，滯回曲線由直線型變成梭

形，滯回環愈加飽滿，其對角線的斜度逐漸減小，表明試件剛度開始隨著位移與荷載的增大而逐漸退化。

(3)在同一級位移循環中，后一次的循環峰值荷載均較前一次有所降低，越接近破壞時，下降越明顯，表明試件在加載過程中存在強度退化現象，且越接近破壞階段，退化越明顯。

(4)與鋼筋混凝土節點滯回曲線相比，桁架式SRC梁-SRC柱框架節點滯回曲線更加飽滿，耗能能力強；與同類型鋼骨混凝土節點相比，飽滿程度相對較弱，說明該類型節點具有較好的抗震性能。

(5)從JD-5、JD-6可知，節點兩側往往不是同時破壞，當單側承載力由于型鋼焊縫處裂開而突然下降，另一側仍能繼續承受荷載，表現在滯回曲線上則是一側曲線迅速下跌，另一側仍能穩定下降，說明此時構件還具有一定的耗能能力，但滯回曲線開始捏縮，呈現弓形或倒S行，耗能能力下降。

(a)JD-1P-△滯回曲線(b)JD-2P-△滯回曲線(c)JD-3P-△滯回曲線(d)JD-4P-△滯回曲線

(e)JD-5P-△滯回曲線(f)JD-6P-△滯回曲線(g)JD-7P-△滯回曲線(h)JD-8P-△滯回曲線圖7 P-Δ滯回曲線Fig.7Theload-displacementhystereticcurves

(6)在梁端對焊縫加強之后，JD-3、JD-4、JD-8承受荷載雖然明顯增大，并沒有發生類似JD-5、JD-6單側跌落的現象，而且滯回曲線飽滿，正、負向基本同時達到破壞狀態，說明在滿足承載力的條件下，加強型鋼骨架對接處焊縫強度是有必要的。

(7)由于在梁端配置了交叉腹桿，各試件達到峰值荷載前后曲線上升或下降均較平緩，說明構件承載力在彈塑性階段上升或下降緩慢，延性較好，交叉腹桿起到到了一定的減震耗能作用。

2.3 梁端骨架曲線

骨架曲線為對應滯回曲線每一級循環峰值點的連線。圖8為各節點試件骨架曲線，表3為試驗各主要階段特征值。

圖8 骨架曲線Fig.8 Skeleton curves

從圖8骨架曲線圖可以得到：

(1)由于桁架式SRC梁內配置了復雜的角鋼和工字鋼，所以骨架曲線上并沒有表現出明顯的屈服拐點。

(2)骨架曲線有較長和較平緩的上升或下降段，相較于普通鋼筋混凝土框架節點有了較明顯的改善。

(3)對比JD-3與JD-4以及JD-5與JD-6可知，軸壓比越大，初期剛度和極限荷載變大，但延性變小，骨架曲線下降越快。說明軸壓比對節點的承載能力及延性性能有一定的影響，節點的承載能力會在一定程度上隨著軸壓比的增大而提高，但變形延性性能會有所降低。

(4)對比JD-1、JD-2、JD-4以及JD-7與JD-8，當軸壓比與梁腹桿尺寸都相同時，試件所承受的極限荷載隨型鋼的增強而顯著提高。說明梁內含鋼率對節點承載力及結構穩定性起到重要作用。

2.4 梁端塑性鉸區荷載-轉角滯回曲線

梁端塑性鉸區的轉動一般采用梁端部一定范圍截面的平均曲率φ來表示，其計算表達式為:

φ=(δ1-δ1)/hl

(1)

式中:δ1、δ2分別為梁端上、下部位兩個位移計的實測值之和；h為梁上、下測點之間的高度；l為量測區段長度，試驗中l=400 mm。

利用試驗數據作出了試件JD-1～JD-8的塑性鉸區荷載-轉角滯回曲線，結果表明8個試件的荷載-轉角滯回曲線都呈飽滿的梭形，與梁自由端荷載-位移滯回曲線的形狀類似，圖9為JD-3塑性鉸區荷載P-轉角φ滯回曲線。說明在梁端配置交叉腹桿的桁架式鋼骨混凝土框架節點，其塑性鉸具有良好能量耗散性能。

圖9 JD-3塑性鉸區荷載P-轉角φ滯回曲線Fig.9 Force-rotation hysteresis loop in plastic zones of JD-3

2.5 節點延性

取節點延性系數μ為節點梁端破壞位移Δu與屈服位移Δy的比值，即：

μ=Δu/Δy

(2)

試驗中各試件的屈服荷載與屈服位移、極限荷載、破壞荷載和延性系數如表3所示。

從表3可以得出如下結論：

(1)對比試件JD-1、JD-2、JD-4以及試件JD-7與JD-8，當軸壓比與梁腹桿尺寸都相同時，試件的位移延性系數隨著含鋼量的增大而增大。

表3 試件延性系數Tab.3 Ductility factor of specimens

(2)對比試件JD-3與JD-4以及試件JD-5與JD-6，當試件的含鋼量及梁腹桿尺寸相同時，節點位移延性系數與軸壓比成反比例增長，相同條件下，軸壓比越小，延性系數越大。

(3)對比試件JD-1與JD-5，當試件軸壓比與含鋼量均相同時，節點的位移延性系數隨著梁腹桿尺寸的增強而有所提高，說明在同等條件下，增加梁端交叉腹桿的尺寸，有利于提高節點的抗震性能。

(4)軸壓比、型鋼與梁腹桿尺寸對節點試件延性性能均有一定的影響。相同條件下，軸壓比越大，節點的延性越差；而同等條件下，含鋼量越大，節點的延性越好。

2.6 能量耗散性能

等效黏滯阻尼系數he是表征能量耗散性能的指標，各試件的等效黏滯阻尼系數如表4所示。

表4 等效黏滯阻尼系數Tab.4 The equivalent viscous damping coefficients

試件JD-1～JD-8的等效黏滯阻尼系數在0.27～0.35范圍內，而相關文獻的研究表明，普通鋼筋混凝土節點的he值為0.1左右，SRC柱-鋼筋混凝土梁組合節點的he值大致在0.22～0.30之間，實腹式鋼骨混凝土節點的he值大致在0.20～0.30之間，說明桁架式SRC梁-SRC柱節點的he值較大，與實腹式鋼骨混凝土節點的he值接近。說明在梁端設置交叉腹桿的桁架式SRC梁-SRC柱框架節點具有良好的抗震耗能性能。

2.7 承載力退化

節點承載力退化采用同級強度退化系數λi來表示，表達式為:

(3)

利用式(4)求出試件在各級循環第三次加載的強度退化系數λ3如表5所示(其中JD-2加載時取偶數倍控制位移，故對于JD-2表中1Δ、2Δ、3Δ分別對應2Δ、4Δ、6Δ，以此類推)。

表5 強度退化系數Tab.5 Strength degradation coefficient

由表5可知：隨著位移和循環次數的增加，試件的承載力整體上呈下降之勢，彈塑性階段下降速度有所減緩甚至反彈，在破壞階段下降則更加明顯，承載力退化更加嚴重，以至不能繼續承受荷載。

2.8 剛度退化

采用環線剛度指標描述剛度退化。環線剛度是指在同級位移加載下，多次加載的平均折算剛度，其表達式為:

(4)

試件JD-1～JD-8各級位移加載時的環線剛度曲線圖如圖10所示(JD-2同前所述，取偶數倍控制位移進行分析)。

圖10 環線剛度曲線Fig.10 Loop stiffness curves

由圖10可知：

(1)隨著加載級數不斷增加，各試件剛度逐漸退化，且前期剛度退化更明顯，在3倍控制位移之后，剛度退化速度逐漸減緩。這是因為隨著控制位移不斷增大，混凝土不斷開裂，梁內縱筋及型鋼逐漸屈服，部分混凝土逐漸裂開脫落，構件有效受力面積變小，所以剛度下降很快；進入大變形階段以后，試件基本靠桁架式型鋼梁及型鋼翼緣框內所包圍的混凝土繼續承受荷載，有效截面基本不再減少，所以剛度下降速度減緩。

(2)對比試件JD-3(n=0.4)與JD-4(n=0.2)以及試件JD-5(n=0.2)與JD-6(n=0.3)可以發現，軸壓比越高，試件的初期剛度相對更大，而且退化速度更快。

(3)對比試件JD-1(∠40×4)與JD-5(∠50×4)以及試件JD-3(∠40×4)與JD-8(∠50×4)可以發現，在軸壓比與含鋼量相同時，交叉腹桿所配角鋼強度越大，試件剛度更大，退化速度相對更快，說明梁端塑性鉸區交叉腹桿對試件剛度有較大影響。

(4)綜合對比可以發現，配I18型鋼的試件JD-3、JD-4、JD-8，其剛度高于配I14與I16型鋼的試件，說明含鋼量對于節點試件的剛度有較大影響。

(5)所有試件在達到3倍初始屈服位移時，剛度仍然大于初始屈服剛度的30%，說明梁端配交叉腹桿的桁架式SRC梁-SRC柱框架節點具有良好的抗震性能。

3 結 論

(1)各試件裂縫發展模式與破壞形態基本一致，早期以梁端裂縫發展為主，屈服前后節點區產生交叉裂縫，并最終以梁端塑性鉸區受彎破壞結束，節點設計合理，受力性能安全可靠。

(2)各節點試件滯回曲線均呈飽滿的梭形，與鋼筋混凝土節點滯回曲線相比，桁架式SRC梁-SRC柱框架節點的滯回曲線更加飽滿，說明桁架式SRC梁-SRC柱框架節點耗能能力較強，具有良好的抗震性能。

(3)由于在梁端配置了交叉腹桿，在各試件達到峰值荷載前后，曲線上升或下降均較平緩或基本持平，各試件延性系數在3.0左右，具有較好的延性，說明配有交叉腹桿的桁架式SRC梁-SRC柱框架節點具有較好的減震耗能性能。

(4)軸壓比、含鋼量與梁腹桿尺寸均對節點試件的承載力與剛度有較大影響。相同條件下，軸壓比越大，節點的延性越差，承載力及剛度退化越快；而同等條件下，含鋼量越大，節點的延性及耗散性能越好，承載力更高，剛度更大。

(5)新型桁架式SRC梁-SRC柱框架節點的等效黏滯阻尼系數較大，試件JD-1～JD-8的等效黏滯阻尼系數在0.27～0.35范圍內，具有較好的耗能性能。

(6)在進行試件設計時，根據含鋼量的不同，提出了普通型與加強型兩種梁柱連接形式。觀察試件的破壞形態可以發現，普通型焊接以梁端部位裂開或屈服為主，其中試件JD-5、JD-6發生單側裂縫裂開，荷載突然跌落的現象，而加強型試件JD-3、JD-4、JD-8則沒有出現這種情況，均為梁端塑性鉸區型鋼屈服破壞。建議在進行桁架式SRC梁-SRC柱框架節點設計時，采用加強型連接設計方案。

(7)本次試驗所有節點都為梁端受彎破壞。給出該類節點設計方法，控制節點破壞模式，是新型桁架式SRC梁-SRC柱框架節點進一步研究方向。

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Experiments on seismic behaviors of beam-column combined components with steel reinforced concrete column-reinforced concrete beam encased steel truss

YANG Lijun1,2, DENG Zhiheng1, FENG Chao1, CHEN Kong1

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. College of Civil and Architecture Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

A new type of frame joint with steel reinforced concrete (SRC) column-reinforced concrete (RC) beam encased steel truss was put forward. Reversed cyclic loading tests on eight specimens were conducted to intensively investigate the seismic behaviors of the beam-column combined components. The failure processes of eight frame joints under low-cyclic reversed loading were observed and recorded. And the load-displacement hysteretic loops, shear behavior of the joint core, skeleton, curve, load-intersection angle hysteretic loops etc. of the test subassemblies were tested. Then the seismic behaviors such as the ductility, energy dissipation capacity, and strength and stiffness degradations were analyzed. The influential factors, such as the steel proportion, axial compression ratio and size of angle iron’s web member, on the mechanical performance of joints were discussed. The results indicate that the joints with SRC column RC beam encased steel truss have good ductility and energy dissipation capacity. It provides theoretical basis for engineering application of this kind of structures.

frame joint; reinforced concrete beam encased steel truss; ductility; energy dissipation capacity; seismic behavior；beam-column combined components

國家自然科學基金項目(51268005);廣西自然科學基金項目(GXNSFAA019311)；湖南省“十二五”重點建設學科(機械設計及理論) (湘教發2011[76])

2015-09-28 修改稿收到日期：2015-11-16

楊立軍 男，博士生，教授，1976年生

鄧志恒 男，教授，博士，博士生導師，1963年生

TU398.9;TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.003