轴压比对型钢高强混凝土框架边节点抗震性能影响的试验研究

李立仁，胡能萍，涂学成(．重庆大学土木工程学院，重庆400045;．四川省第十五建筑有限公司，四川南充637000)

型钢混凝土组合结构构件是由型钢、主筋、箍筋和混凝土组合而成，即核心部分有型钢钢结构构件，其外部则为箍筋约束并配置适当纵向受力主筋的混凝土结构，英译名为“Steel Reinforced High－strength Concrete”，简称 SRHC 结构。型钢混凝土结构承载力高、刚性大并具有良好的延性和耗能性能，因而特别适用于地震区。

轴压比的大小不但影响受压构件的破坏形态，同时对节点的承载力和延性也都有影响，本试验的主要目的是通过2个节点区体积配箍率一致的构件，分别取不同的轴压比，分别定为0.30和0.27，相当于设计轴压比0.73和0.66。分析轴压比对SRHC柱－RC梁中间层边节点在低周反复荷载作用下抗震性能以及受力、变形性能的影响。

1 节点制作及材料的力学性能

1.1 试件制作

试件设计参考《型钢混凝土组合技术规程》(JGJ 138－2001)进行了配筋设计，并参照了《钢骨混凝土设计规程》(YB 9082－97)。综合考虑试验精度及试验设备能力，为了更好地模拟型钢框架梁柱节点的受力性能，各节点试件均采用1/3缩尺模型，并在此基础上进行适当调整，具体尺寸及配筋如图1所示。

1.2 节点材料的力学性能

实验用钢骨和钢筋均是普通热轧钢，通过测定确定其力学性能。节点所用的高强混凝土SJ－1实测等级为C89.6，SJ－2实测等级为C94.8。SRHC柱内型钢采用热轧普通H型钢 HW100×100×6×8，含钢率为5.0%。

2 试验的加载及量测

2.1 试验加载装置

本次试验在重庆大学大型结构实验室进行。实验装置主要由加力架、反力墙、传感器、千斤顶、位移计等组成。实验采用梁端一个拉压千斤顶反复加载，柱上下端采用铰支座(模拟反弯点)。试验均在反复荷载作用下逐级进行加载，构件屈服前用荷载控制分级加载，屈服后用位移控制分级加载。每级荷载(位移)下反复2次。当实测的位移－荷载滞回曲线的荷载值降至该方向曾达到的最大荷载的85%时即认为构件破坏。但在荷载降至这种状态时，试验并未终止，而是继续进行，直至梁端不能继续承担所施加的荷载或柱轴力因节点破坏而不能稳于设定值时，宣告试验终止。

图1 SRHC柱－RC梁节点试件

2.2 实验测试及数据采集

2.2.1 应变片位置

为了研究在循环荷载作用下节点核心区的受力性能。在节点核心区位置的钢骨腹板上布置应变化。在钢骨翼缘上布置应变片，对于钢筋应变片的位置，根据需要布置在不同的部位，见图2。

图2 试件测点布置

2.2.2 仪表位置

为了绘制滞回曲线，在梁端循环荷载施加位置处的下方，安放大位移计。为了测量节点的旋转角，在靠近核心区的梁端安置百分表，表针顶向柱。为了测量节点的剪切变形，在核心区处安放十字交叉的百分表两个。为了了解在实验过程中柱上端的水平位移变化，在柱上端安放百分表一个。

3 受力过程分析及结果对比

3.1 试验现象总结

基于上述的试验过程和破坏形态分析，对于发生节点核心区剪切破坏的型钢高强混凝土节点的受力过程大致可以分为四个阶段:弹性阶段、型钢腹板屈服阶段、极限阶段和破坏阶段。

3.1.1 弹性阶段

弹性阶段是指节点试件从加荷开始直到核心区混凝土出现第一条沿对角线方向肉眼可见的裂缝阶段。当节点核心区由剪应力和正应力产生的主拉应变达到混凝土的极限拉应变值时，节点核心区中心开始出现沿对角线方向肉眼可见的斜裂缝时(宽0.05mm左右)，称为初裂，相应的荷载为初裂荷载。本次试验表明，初裂荷载大约是梁端屈服荷载的30% ～50%。约在55～75 kN左右。初裂阶段，节点箍筋的应变比较小，故可认为该阶段的节点剪力主要是由混凝土和型钢承担。

3.1.2 型钢腹板屈服阶段

型钢腹板屈服阶段又称为带裂缝工作阶段，是指从节点核心区混凝土出现第一条斜裂缝开始，到核心区型钢腹板屈服的阶段。当荷载大约加至极限荷载的80%左右时，节点核心区混凝土出现了许多沿对角线方向贯通的交叉主斜裂缝，核心区呈“通裂”状态。此时，型钢腹板达到屈服应变，对应的荷载即为屈服荷载。

3.1.3 极限阶段

核心区混凝土“通裂”后，由于骨料咬合力和摩擦力的存在以及箍筋和翼缘框的约束，核心区混凝土仍能承受一部分剪力，此时型钢由屈服逐渐进入强化阶段，承载力仍可继续增加5% ～20%，达到极限值(最大值)，这时型钢腹板已屈服，处于塑性状态，箍筋也逐渐进入屈服。节点达到极限状态，对应的荷载即为极限荷载。

3.1.4 破坏阶段

随着位移加大，节点核心区混凝土开始压碎而大块剥落，核心区剪切变形急剧增大。此时，节点仍能继续承载，承载力在达到极限值后开始下降，当下降一定幅度(比极限荷载低15%左右)时，可认为节点破坏，对应的荷载为破坏荷载。

本次试验中的两个试件均发生节点核心区剪切破坏。型钢高强混凝土节点具有较好的延性特征、耗能能力和可避免节点发生脆性破坏等优点。

3.2 试验结果对比

3.2.1 裂缝发育

通过本次两个试验对比表明:试件轴压比高的构件，节点开裂荷载也相对高，分别是75 kN和55 kN，轴压力的增大推迟了节点区交叉斜裂缝的出现并适度减慢斜裂缝的发育速度，且增大了交叉斜裂缝与水平轴线的交角;而且，轴压比偏大的试件SJ1，其节点斜裂缝往上下柱端发展的趋势更明显一些。

3.2.2 滞回曲线

通过对以上滞回曲线的分析，可以得到以下不同参数情况下滞回曲线的特征:SJ－2与SJ－1的滞回曲线相比，极限位移SJ－2大。这说明轴压比的改变对型钢高强混凝土节点的抗震性能是有影响的。

3.2.3 骨架曲线

分析图3所示的骨架曲线可知:

(1)SJ2构件的滞回曲线相对于SJ1来说下降段较长、较平缓，说明其变形能力较强，延性好;

(2)当轴压小的构件，轴压比对屈服位移的影响不是很大，轴压比高的构件骨架曲线对应的最大荷载增大;当轴压比较大时，屈服位移下降，骨架曲线对应的最大荷载减小，轴压比对强化阶段刚度的影响是:随着轴压比的增大，强化阶段的刚度不断下降，结构的延性随轴压比的增大有显著降低的趋势。

图3 骨架曲线

3.2.4 耗能性能

由于构件在加载时表现出非弹性性质，试件的总滞回耗能随着位移的增加而增大，在最后一级位移下的总滞回耗能随着轴压比的减小而略有增加。

表1 各试件平均最大等效阻尼比

由表1可以看出:本次试验两个试件都发生节点区的剪切破坏，所以阻尼比较大，但是从表中可以看出，在配箍率相同、混凝土强度差别很小的情况下，轴压比较小的SJ－2阻尼比较大，滞回耗能性能更好，说明轴压比对节点的滞回耗能性能的影响比较大，这一点与普通钢筋混凝土节点试验所得结果是一致的。

3.2.5 延性

本次试验两个试件的延性系数计算如表2。

表2 轴压比与位移延性的关系

从试验结果来看，轴压比较小的SJ－2延性系数要稍大一些，说明轴压比是影响节点延性系数的主要因素。所以，SRC节点由于所含型钢的作用，变形能力增加，不至于造成脆性破坏，即使遭受超过其强度的地震荷载作用，也可以靠塑性变形能力耗散地震能量。

3.2.6 强度衰减

图4 各试件的强度衰减

从图4中可以看出:轴压比对构件的强度衰减有一定影响。轴压比为0.27时，随着位移的增加，构件承载力的衰减表现出逐步而稳定的增加，当轴压比增加到0.30时，构件后期的承载力衰减有所加大但增加幅度不大。这说明强度衰减是随轴压比的增大而减小的。

4 结论

本文通过对两个轴压比不同的型钢高强混凝土中间层边节点试件的低周反复加载试验结果，拟得出如下结论:轴压比对型钢高强混凝土节点的滞回曲线有非常明显的影响:轴压比小的试件，滞回环呈丰满的梭形，滞曲曲线比较稳定，构件在强度不显著降低的情况下，所能经受的循环次数多，极限变形大。随着轴压比的提高，耗能性能变差，刚度退化加剧、延性降低，等效阻尼比减小。然而轴压比的存在对节点初期(屈服以前)的抗裂和抗剪承载能力有一定的的提高作用，轴压比大的试件节点区裂缝出现的相对较晚，但对节点中型钢腹板的承载能力却有一定的削弱作用。

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