鋼骨超高強混凝土框架邊節點抗震性能試驗研究

賈金青 ,劉偉,涂兵雄

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 2.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021)

鋼骨超高強混凝土框架邊節點抗震性能試驗研究

賈金青1,劉偉1,涂兵雄2

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 2.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021)

為研究鋼骨超高強混凝土框架邊節點的抗震性能，開展了6個鋼骨超高強混凝土框架邊節點試件的低周反復加載試驗。試件設計參數為軸壓比、配箍率。針對不同設計參數試件的破壞形態、延性、耗能能力、抗剪承載力及箍筋應變等進行了分析，得到了各設計參數的影響規律。研究結果表明：軸壓比對鋼骨超高強混凝土邊節點抗震性能的影響以0.38為分界點，隨著軸壓比增大，節點組合體破壞形態由彎剪破壞轉變為小偏心受壓破壞，其節點核心區水平抗剪承載力在試驗軸壓比區間內,也表現為先增大后下降的變化規律。該研究結果為鋼骨超高強混凝土框架節點抗震設計提供了重要依據。

鋼骨超高強混凝土；延性；承載力；軸壓比

近年來，隨著鋼骨超高強混凝土框架結構在高層及超高層建筑中的廣泛應用[1-2]，其抗震性能逐漸引起重視。由于超高強混凝土的脆性及截面破壞特征，混凝土一旦開裂，裂縫面光滑，骨料咬合作用削弱明顯，對抗剪機制產生影響。而梁柱節點作為影響整體結構抗震性能的重要構件，其抗震性能與抗剪性能有必要在混凝土強度提高的前提下開展進一步研究。在國內外諸多規范的梁柱節點設計中，軸壓比對節點抗震性能的影響規律一直存在爭議[3-5]。例如JGJ(2001)與SNZ(1995)認為增大軸壓比能提高構件承載力；而ACI(2002)則認為軸壓比對構件承載力的影響可忽略。國內外大量試驗表明[6-12]，軸壓比與體積配箍率是影響梁柱節點抗震性能的重要因素，閆長旺[4]開展鋼骨超高強混凝土框架中節點抗震性能試驗研究，研究表明：隨著軸壓比增大，中節點的極限荷載提高，而其延性及耗能能力降低。薛建陽[5]通過進行8個鋼骨混凝土梁柱中節點低周往復試驗,得出結論：軸壓比是影響鋼骨混凝土框架節點的重要參數，隨著軸壓比的增大，節點抗裂度與抗剪承載力提高，但并非無限制，當軸壓比很大時，節點的破壞形態由剪切破壞轉化為受壓破壞。Lin等[6]通過對15個不同軸壓比下的鋼筋混凝土梁柱節點進行低周往復試驗，研究了軸壓比對構件承載力的影響，也得到了承載力隨軸壓比變化的相同規律。

由此可見，針對軸壓比對鋼骨超高強混凝土節點抗震性能的研究仍然有限且影響規律仍存在爭議。另外，由于框架邊節點傳力機制與中節點有明顯區別，且針對鋼骨超高強混凝土框架邊節點的抗震性能尚缺少足夠的試驗研究及理論分析。因此，本文在前人成果的基礎上，研究了不同軸壓比與體積配箍率下鋼骨超高強混凝土框架邊節點的破壞形態、延性、耗能能力、承載力及節點核心區箍筋應變規律,提出軸壓比對節點抗剪承載力影響的分界點，建議在抗震設計中應予以考慮不同軸壓比變化范圍內鋼骨超高強混凝土邊節點抗震性能與抗剪性能的變化規律。

1 試驗概況

1.1 試件設計

框架結構在水平地震作用下，梁柱節點周邊的彎矩情況如圖1所示。本次試驗選取常規HSRUHSC框架結構中相鄰梁柱反彎點之間的典型單元作為研究對象。

圖1 節點組合體示意圖Fig.1 Reinforcement diagram of joint assembly

軸壓比選擇0.25、0.38、0.45三個等級。

本次試驗共設計6個試件，試件的截面尺寸完全相同，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，鋼骨采用普通熱軋鋼骨Q235。各試件試驗參數如表1。試件尺寸及配筋情況如圖2所示。

表1 試件基本參數

1.2 材料性能

試件和混凝土試塊采用同等條件養護，實測混凝土立方體抗壓強度平均值為 105MPa,實測鋼筋、鋼骨力學性能見表 2。

表2 鋼材力學性能

圖2 試件尺寸及配筋Fig.2 Reinforcement details of specimens

1.3 試件加載方案

本次試驗采用擬靜力加載，如圖3所示。柱頂采用液壓千斤頂施加軸向恒定荷載，梁端為自由端，采用30t千斤頂施加等量反對稱低周往復荷載。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，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。加載制度如圖4所示。

1.4 測點布置

試驗前，將所用位移計標定好，并在相應測點處貼好電阻應變計。試驗過程中，采用imc64通道GRONOS PL-8數據采集設備采集梁端荷載傳感器及位移計數據，進而研究不同軸壓比下鋼骨超高強混凝土框架邊節點的滯回性能、延性及耗能能力；通過對節點核心區箍肢布置測點，獲得不同軸壓比及不同配箍率下水平箍肢的應變增長規律。

圖3 加載裝置Fig.3 Experimental loading setup

圖4 試驗加載制度Fig.4 Loading program

2 試驗分析

2.1 破壞形態

試件SRUHSC-25-0.8與SRUHSC-25-1.2軸壓比為0.25，節點組合體發生典型的彎剪破壞，即梁首先受彎屈服，隨著梁端位移加大，節點箍筋屈服，混凝土被壓碎，節點核心區發生剪切破壞，構件失去承載力。加載過程中，在梁端荷載為30 kN時，距梁柱交界面15 cm處首先出現豎向受彎裂縫；梁端加載至75 kN，節點核心區出現斜向裂縫，裂縫寬度為0.08 mm；隨著梁端荷載繼續增加，梁端出現彎剪裂縫；加載至86 kN，梁受彎屈服；循環位移加載至22 mm,節點核心區裂縫加寬，裂縫寬度為0.2 mm；循環位移加載至33 mm,梁端受壓區混凝土被逐漸壓碎；循環加載至55 mm，節點核心區主裂縫迅速擴展，混凝土被壓潰，箍筋被拉斷，組合體失去承載力。

試件SRUHSC-38-0.8與SRUHSC-38-1.2軸壓比為0.38，與SRUHSC-25-0.8相比，兩者破壞過程均表現為首先在梁端出現受彎裂縫，繼而產生節點核心區的剪切裂縫及梁端的彎剪裂縫。當加載至82 kN時，試件節點核心區出現斜向剪切裂縫，裂縫寬度為0.06 mm，說明軸壓比增大提高了節點核心區的開裂荷載，抑制了節點核心區裂縫的出現及發展。文獻[13]指出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，這與本文試驗結果一致。

試件SRUHSC-45-0.8與SRUHSC-45-1.2軸壓比為0.45，與試件SRUHSC-25-0.8及試件SRUHSC-38-0.8相比，試件SRUHSC-45-0.8與SRUHSC-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型裂縫為主，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。這是由于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。加載結束時節點破壞形態如圖5所示。

圖5 試件破壞形態Fig.5 Failure patterns of specimens

2.2 鋼骨超高強混凝土邊節點滯回特性分析

各試件的梁端荷載-位移曲線如圖6所示。從圖6中可以看出：

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，框架節點滯回曲線愈加飽滿，沒有明顯捏縮現象，表明鋼骨超高強混凝土邊節點具有較好的耗能能力。

2)配箍率相同的條件下，試件SRUHSC-45-0.8與SRUHSC-25-0.8相比較，循環次數明顯減少，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)試件SRUHSC-45-0.8，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，延性差，這是因為：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。

圖6 試件的荷載-位移滯回曲線Fig.6 Loading deflection hysteretic loops of specimens

3 鋼骨超高強混凝土邊節點抗震性能

3.1 軸壓比的影響

3.1.1 設計軸壓比與試驗軸壓比的關系

我國現行規范中設計軸壓比與試驗軸壓比存在一定的換算關系：

(1)

式中：nt為試驗軸壓比，Nk為試驗軸壓力標準值，fck為混凝土抗壓強度標準值，Ac為柱截面面積，fak為鋼骨抗壓強度標準值，Aa為鋼骨截面面積。

(2)

式中：nd為設計軸壓比，Nd為考慮地震作用組合的柱設計軸力，fc為混凝土抗壓強度，fa為鋼骨抗壓強度設計值。

(3)

根據GB50010 (2010)[14], 混凝土抗壓強度標準值與設計值的轉換關系為

(4)

(5)

式中：γc為混凝土材料分項系數，γs為鋼骨材料分項系數。在本研究中，為實際應用方便，可偏于安全地取混凝土材料分項系數和鋼材的材料分項系數相同，即γc=γs。

因此,可得設計軸壓比與試驗軸壓比的關系如下：

(6)

nd=1.722nt

(7)

由此可知，本試驗中所取試驗軸壓比相對應的設計軸壓比分別為0.43、0.65、0.78，由于加載條件的限制，本試驗未涉及更高軸壓比的研究。

3.1.2 軸壓比對延性的影響

不同軸壓比下試件梁端荷載-位移骨架曲線如圖7所示。從圖中可以看出，軸壓比是影響鋼骨超高強混凝土邊節點延性及承載力的主要因素之一，本文采用位移延性系數來表征構件延性大小。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[15]:

(8)

式中：uΔ為位移延性系數，Δu為極限位移，Δy為屈服位移。各試件位移延性系數如表3所示。

從表3中可以看出，軸壓比從0.25提高至0.45，構件的位移延性系數顯著下降，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[16]。從理論上分析可知：對軸壓比較小的試件，當加載至極限荷載時，受壓區高度較小，受拉箍筋及鋼骨受拉翼緣屈服，表現為受拉破壞，受壓區混凝土破壞較小，承載力衰減緩慢；對軸壓比較大的試件，當加載至極限荷載時，受壓區高度較大，表現為受壓破壞特征，受壓區混凝土破壞嚴重，承載力衰減快，延性較差。

表 3 試件延性指標

從圖7中可以看出：軸壓比從0.25提高至0.38，屈服荷載無顯著變化，極限荷載略有提高，屈服段縮短，達到極限荷載后承載力及剛度退化加快；軸壓比從0.38提高至0.45，極限荷載略有下降，承載力、剛度退化明顯加快，對節點組合體抗震產生不利影響。

圖7 不同軸壓比下試件荷載-位移骨架曲線Fig.7 Load-deflection skeleton curves of specimens under different axial compression ratios

3.1.3 軸壓比對耗能能力的影響

耗能能力是評價結構抗震性能的主要指標，本文采用等效黏滯阻尼系數he來表示(計算示意圖如圖8所示)he越大，試件的耗能能力越強，其定義為[10]

(9)

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，按式(3)計算：

(10)

由此得出，各加載循環的等效黏滯阻尼系數，如圖9所示。

從圖9中可以看出：

1)本試驗中各試件在極限狀態時的等效粘滯阻尼系數0.24≤he≤0.32，而鋼骨高強混凝土柱-鋼筋混凝土梁邊節點he=0.182[14],由此看出，本試驗中的節點構件有更好的耗能能力；

2)達到極限荷載前，等效粘滯阻尼系數與加載循環次數近似呈線性增長關系；

3)梁屈服后，等效粘滯阻尼系數隨位移等級的增大仍有一定的增長，但增長相對緩慢；

4)隨著軸壓比的增大，等效阻尼粘滯系數減小，說明試件的耗能能力降低。

圖8 等效粘滯阻尼系數計算示意圖Fig.8 Schematic diagram of calculation of he

圖9 不同軸壓比下等效黏滯阻尼系數對比Fig.9 Comparison of he under different axial compression ratios

3.1.4 軸壓比對承載力的影響

鋼骨超高強混凝土框架邊節點在梁端施加低周往復荷載時，節點核心區極限狀態受力情況如圖10所示。

圖10 邊節點受力圖Fig.10 External actions and internal shears at exterior joint

由反彎點處彎矩為零可得

(4)

(5)

由節點處彎矩平衡可得

(6)

由式(4)～(6)可得

(7)

由節點區平衡條件可得

(8)

(9)

不同軸壓比下節點核心區抗剪承載力如圖11所示。

圖11 不同軸壓比節點核心區抗剪承載力Fig.11 Shear strength at joint core with various axial compression ratio

從圖11中可以看出：

1)軸壓比對節點核心區的抗剪承載力影響以0.38為分界點，當軸壓比從0.25增大至0.38，節點組合體的水平抗剪承載力略有增大，這是因為：一方面，軸壓比的增大能延緩梁端塑性鉸區梁縱筋向節點核心區的屈服滲透，從而適度改善梁筋貫穿段的黏結性能，減小混凝土與鋼筋之間的黏結滑移[8]。

2)軸壓力可增強骨料間的咬合力，有效抑制節點核心區斜裂縫的開展，對節點組合體的抗震性能表現為有利的一面；而當軸壓比繼續增大至0.45，節點核心區的抗剪承載力反而下降，其原因為軸壓比增大后，斜壓桿與水平方向的交角增大,使得斜壓桿所提供的水平分力減小，這對節點組合體的抗剪不利[9-10]。試件SRUHSC-45-0.8達到極限荷載后，承載力退化最快，其次是SRUHSC-38-0.8，說明高軸壓比下，節點組合體破壞最為嚴重并呈現脆性破壞的特點。

3.2 體積配箍率的影響

各試件節點核心區箍筋應變與荷載曲線如圖12所示。

圖12 不同軸壓比下梁端荷載-箍筋應變Fig.12 Load strain curves of stirrup under different axial compression ratios

從圖12中可以看出：

1)梁屈服前，節點區箍筋應變很小，僅為500 με左右，甚至更小，箍筋處于彈性階段；梁屈服后，箍筋應變逐漸增大。研究表明隨著組合體變形進一步增大，由于“貫穿段”的粘結退化，箍肢應力中桁架機構引起的部分將減小，而對核心區混凝土形成約束的部分將逐步擴大；當加載接近極限荷載時，箍筋應變迅速增大至屈服；箍筋一旦屈服，對節點核心區的混凝土約束作用也自行退化[7]，此時斜壓力較大，混凝土斜向壓碎。

2)當加載至極限荷載后，試件SRUHSC-25-0.8箍筋應變快速增長，甚至超過屈服應變，核心區開裂后其應變值比試件SRUHSC-38-0.8及SRUHSC-45-0.8大，表明在軸壓比為0.25時，核心區箍筋約束作用更強。這是由于隨著軸壓比的增大導致斜壓桿機制中斜壓桿的寬度增大，從而增大了斜壓桿機制所承擔的剪力，而由桁架機構所占用的箍筋的抗拉能力減小[20-22]，也就是說，當軸壓比較小時，桁架機構中的箍筋能發揮更大的抗拉潛力。

從表3中可看出，試件的位移延性系數隨體積配箍率的提高而增大，當軸壓比較低時，延性的增長幅度較高軸壓比時更為顯著。

4 結論

本文考慮軸壓比及體積配箍率的影響，研究了鋼骨超高強混凝土框架節點的抗震性能，結論如下：

1)軸壓比水平的變化影響節點核心區的破壞形態。配箍率與含鋼率相同的條件下，軸壓比由0.25增大至0.38，節點核心區斜裂縫出現延緩，裂縫寬度減小，斜裂縫與水平軸的交角變大，對抗震表現有利的一面；而當軸壓比由0.38繼續增大至0.45，節點構件延性很差，表現出典型的脆性破壞，對抗震不利。

2)在低周往復荷載作用下，軸壓比水平的變化對節點組合體的骨架曲線屈服點影響不明顯，而對極限荷載的影響以0.38為分界點，當軸壓比由0.25增大至0.38時，極限荷載略有提高，而當軸壓比繼續增大至0.45，極限荷載反而下降。

3)軸壓比水平的變化對鋼骨超高強混凝土邊節點組合體的延性影響顯著，隨著軸壓比增大，構件的延性明顯降低，耗能能力大幅下降。

4) 軸壓比較小的試件，節點核心區箍筋極限應變較大，箍筋能發揮更大的抗拉潛力,因此，當軸壓比較低時，構件延性受節點核心區體積配箍率的影響更為顯著。

5) 隨著體積配箍率的增大，鋼骨超高強混凝土邊節點試件的延性提高，因此，在較高軸壓力水平下，可通過提高節點核心區體積配箍率來滿足實際工程抗震位移延性要求，但其提高幅度有限。

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Experimental study on the seismic behavior of steel ultra high strength concrete frame joints

JIA Jinqing1，LIU Wei1，TU Bingxiong2

(1. State Key Laboratory of Coastal and offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2.School of Architecture and Construction，Huaqiao University, Xiamen 361021, China )

In order to study the seismic behavior of steel ultra high strength concrete(SRUHSC) frame joints, a total of six SRUHSC exterior joints were carried out under low-frequency cyclic lateral loading. The parameters considered were axial pressure coefficient and volumetric ratio of stirrup. The seismic behavior of the exterior joints，including failure patterns, ductility, energy dissipation, shear capacity and shear stirrups ultimate strain. The results show that: the value of 0.38 as a dividing point about the effect of axial compression ratio on the seismic performance of SRUHSC exterior joints should be taken into account in design. With the increase of axial pressure coefficient, the failure process shows small eccentric compression failure instead of beading-shear failure. And the shear capacity firstly increases and then decreases with the increase of axial pressure coefficient.

steel reinforced high strength concrete; ductility；shear capacity；axial pressure coefficient

2015-09-23.

日期：2016-11-14.

國家自然科學基金項目(51178078).

賈金青(1963-)，男，教授，博士生導師； 劉偉(1984-)，女，博士研究生.

劉偉，E-mail:qiuniao1984@163.com.

10.11990/jheu.201509071

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20161114.1036.010.html

TU 378.2

A

1006-7043(2017)02-0160-08

賈金青,劉偉,涂兵雄. 鋼骨超高強混凝土框架邊節點抗震性能試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017, 38(2): 160-167. LIU wei，JIA Jinqing，TU Bingxiong. Experimental study on the seismic behavior of steel ultra high strength concrete frame joints [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(2): 160-167.