梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点的抗震性能*

陈庆军 薛华 汤序霖† 左志亮 陈映瑞

（1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点试验室，广东 广州 510640）

梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点的抗震性能*

陈庆军1，2薛华1汤序霖1†左志亮1，2陈映瑞1

（1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点试验室，广东 广州 510640）

通过4个梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点试件的低周反复荷载试验，研究了此类型边节点的抗震性能.试验结果表明：随着环梁与框架梁配筋率比值、环梁宽度与圆柱直径比值的减小，试件破坏区域由框架梁根部向环梁转移，并出现框架梁根部塑性铰破坏、框架梁与环梁交界处破坏、环梁区破坏3种不同的破坏形式；梁贯通式节点的梁端内力能够可靠传递至节点核心区，环梁节点可与框架梁、钢管混凝土柱协调工作；按“强节点”设计试件塑性铰出现在框架梁根部，滞回曲线饱满，延性系数较大，环线刚度曲线呈下凹型趋于收敛，耗能能力也较大，体现出良好的抗震性能；通过合理设计的梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点受力安全可靠，可实现“强柱弱梁，节点更强”的抗震设计原则.

钢管混凝土；边节点；梁贯通式节点；抗震性能

钢管混凝土结构具有优越的受力性能和良好的经济效益，广泛应用于高层建筑.钢管混凝土柱-梁连接节点作为结构的关键部位一直受到研究人员的关注［1］.早期的研究主要集中于柱梁中节点，近期，研究者注意到了边节点的力学性能与中节点存在差异，对钢管混凝土柱-梁边节点形式开展了试验与理论研究.在钢管混凝土柱与钢梁连接节点方面，Park等［2］进行了7个方钢管混凝土柱与宽翼缘钢梁连接边节点的低周反复荷载试验，其中方钢管混凝土柱外缘增设加强外环板；Zhang等［3］对加强外环板形式的圆钢管混凝土柱与钢梁边节点进行低周反复荷载试验；Han等［4］则考虑了楼板增强作用，进行了带混凝土楼板的边节点抗震性能分析；Nie等［5］对带楼板的加强内环板形式的方钢管混凝土柱与钢梁连接的整榀框架进行试验研究；在钢管混凝土柱与混凝土梁连接节点方面，方小丹等［6-7］提出了柱钢管贯通的抗剪环梁节点形式，并进行了边节点与整体框架的试验研究；王毅红等［8］提出芯钢管连接的节点形式，并进行了2个边节点的加载试验与有限元分析；Nie等［9］通过两个梁贯通式的边节点的低周反复荷载试验，证明了梁贯通式节点具有良好的抗震性能.

目前常用的节点处理方式为：钢管混凝土柱沿全高保持连续，通过加强环板、混凝土环梁等进行节点加强，并与钢梁或混凝土梁进行连接.这造成了现场的焊接工作量大、构造相对复杂等问题.文献［10-11］提出了一种梁贯通式的钢管混凝土节点连接形式，柱钢管在节点区域不连续，框架梁纵筋可贯通节点，柱钢管不连续而导致其轴向承载力的下降通过在节点区域增设混凝土环梁进行加强.该节点连接构造形式简单、施工方便.文献［12］通过6个柱-梁中节点试件的低周反复荷载试验，证明经过合理设计的节点，可满足“强柱弱梁，节点更强”的抗震原则［13］.为推广该节点形式的应用，本研究将通过4个边节点的低周反复荷载试验，对节点的抗震性能展开研究，完善该节点形式的抗震设计理论.

1 试验概况

共设计如图1所示的梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点试件4个，试件主要参数为环梁与框架梁纵筋配筋率之比（ρbr/ρbf）、环梁宽度与圆柱直径之比（b/d），图中非长度标注的数字表示应变片的编号.图中Asc、As、Asv、Asr分别为柱插筋、框架梁纵筋、框架梁箍筋、环梁环筋的配筋量.

图1 梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点试件（单位：mm）Fig.1 The specimens of exterior through-beam joint between concrete-filled steel tubular column and reinfoced concrete beam（Unit：mm）

柱钢管在节点区域内完全断开，并配置水平环筋以加强其受力性能，试件命名为S1、S2、S3、S4.其中试件S1为正常配筋试件，以考察该形式边节点的抗震性能；试件S2-S4逐渐提高框架梁纵筋的配筋率，并通过减少环梁宽度、降低环梁内水平环筋和钢管柱内纵向插筋的配筋率等方式弱化节点，以期出现节点区或钢管混凝土柱的破坏形式，从而考察不同破坏形式下的力学性能.试件截面尺寸及配筋等具体参数见表1，采用的钢材的力学性能见表2.现场施工时，为简化施工，节点区与框架梁采用相同强度混凝土同时浇筑.考虑此因素并结合试验室加载装置能力后，确定本次试验试件钢管柱内混凝土强度等级为C25，节点区与梁采用较低强度混凝土同时浇筑，设计强度等级为C20.由于施工偏差使混凝土的实测强度略低，其中钢管柱内混凝土立方体的实测强度为19.73MPa，节点区与框架梁混凝土的实测强度为15.0MPa.

表1 试件参数1）Table 1 Parameters of the specimen

表2 钢材力学性能Table 2 Material properties of the steel

试验采用拟静力试验方法.先在柱顶施加恒定荷载（1800 kN），而后在梁端施加反对称荷载.梁端反对称加载制度见图2.梁端加载点与柱轴线间距离为1500mm.

在试件的节点环筋、梁纵向钢筋上粘贴电阻应变片，测量钢筋应变值以研究节点力学性能；并在钢管柱内插筋上粘贴电阻应变片，考察节点的整体性.试件上的电阻应变片的布置见图1.

图2 梁端反对称加载制度Fig.2 The anti-symmetric loading system in the end of beam

2 试验结果及讨论

2.1 破坏形态

从试验现象来看，试件呈现出3种不同的破坏形态，其中试件S1、S2各有不同，而试件S3、S4比较类似.3种不同破坏形态的照片如图3所示.

2.1.1 框架梁根部塑性铰破坏

加载过程中，梁根部的上下裂缝交汇形成交叉裂缝；随着荷载的增大，框架梁上靠近环梁位置的裂缝斜向延伸进入环梁，但数量较少且裂缝宽度非常小；峰值荷载时，框架梁上的交叉裂缝宽度非常大，裂缝表面以及交叉裂缝上下三角形区域的混凝土压碎、剥落.部分梁纵向钢筋、箍筋屈服，但环筋基本没有屈服，环梁几乎没有破坏.试件S1的破坏形态属于此种破坏.

图3 各试件的破坏形态Fig.3 Failuremode of specimens

2.1.2 框架梁与环梁交界处破坏

框架梁根部的裂缝斜向进入环梁，在框架梁和环梁交界处也形成了十字交叉裂缝；随着荷载的增大，框架梁上不再出现新的裂缝，而框架梁与环梁交界处的十字交叉裂缝越来越宽；最后，环梁与框架梁交界处的上下部混凝土压碎、剥落，环筋和梁纵筋局部外露，梁纵筋和部分环筋屈服.塑性铰主要出现在环梁与框架梁的交界处，出现这种破坏形态的是试件S2.

2.1.3 环梁区破坏

梁根部的裂缝比较早斜向进入环梁，同时环梁区侧面不断出现径向裂缝.裂缝发展不仅局限于环梁靠近框架梁的位置，而是布满了整个环梁；最后，环梁上的斜裂缝越来越宽，靠近框架梁根部的环梁混凝土压碎、剥落，梁纵向钢筋屈服，环筋也有很大一部分屈服.发生这种塑性铰位于环梁上的破坏的是S3和S4.

综上所述，由于ρbr/ρbf的不同，试件破坏时塑性铰的位置逐渐由框架梁根部移向节点环梁，从而出现了3种不同的破坏形态，这与前期完成的中节点在低周反复荷载下的破坏规律相似［12］.正是不同的节点设计原则导致了不同的破坏形态.

2.2 荷载-位移滞回曲线

图4 各试件的荷载-位移滞回曲线Fig.4 Load-displacement hysteresis loops of specimens

各试件的荷载（P）-位移（Δ）滞回曲线如图4所示.由图4可见，试件S1的滞回曲线为梭形，试验结束时曲线未出现弓形和反S形，随着位移的增大，耗能显著增大，表明正常设计的环梁边节点在低周反复作用下，环梁基本保持完好，内部钢筋粘结滑移量也小，具有良好的抗震性能；试件S3和S4随着加载级数的增大，滞回曲线出现反S形或是Z形，这是由于试件在加载过程中环梁严重开裂、内部钢筋滑移加剧所造成，表明其耗能能力较差.试件S2的加载曲线形状则介于上述两者之间.

2.3 应变分析

2.3.1 环梁水平环筋荷载-应变滞回曲线特点

图5给出了试件S1、S4环筋在反复荷载作用下的荷载（P）-应变（ε）曲线.

为了描述方便，将位于框架梁轴线上近力侧的环筋位置称为0°位置，远力侧为180°位置，环梁中部为90°位置.由图5可见：试件S1的应变较小，而出现节点破坏的试件S4的环筋在加载的后期达到了屈服极限.同层环筋中，不同试件在内外环90°位置的应变规律并不一致；其中试件S1在90°位置外环的应变较内环的大，而试件S4则是外环的应变较内环的小.这是因为梁端受力部分通过框架梁纵筋直线传递，并沿径向扩散，使环筋中部位置受力；同时，梁端受力部分沿着环筋从0°位置环向传递.试件S4加载后期节点混凝土开裂严重，使得环筋的导载作用更明显.

图5 环梁环筋荷载-应变滞回曲线Fig.5 Load-strain hysteresis curves of the steel bars in the ring beam

2.3.2 框架梁纵筋应变分析

图6为试件S1和S4的框架纵筋测点应变变化曲线，图中横坐标x表示应变测点与柱轴线之间的距离.

从图6可见：试件S1加载后期的最大拉应变出现在框架梁根部，而试件S4的最大受拉应变出现在节点核心区内，这与观测到的试件破坏形态相吻合；随着峰值位移的加大，纵筋拉应变增长明显，而压应变增长相对缓慢，这是由于混凝土开裂后，弯矩作用下受拉钢筋承担全部的拉力，而受压区混凝土裂缝闭合，仍可承担部分压力，因此纵筋压力增长较小；加载后期，试件S4纵筋受拉卸载后，残余变形很大，出现了应变零点由节点核心区向框架梁发展的趋势，并且该趋势与前期完成的中节点相比更加得明显［12］，这说明纵筋粘结应力严重退化，产生了明显的粘结滑移，因此，在实际工程中，对于此边节点更应确保梁纵筋在节点内有足够的锚固长度，或者采用相应的加强锚固措施.

图6 梁纵向钢筋应变变化曲线Fig.6 Variation curves of strains of longitudinal steel bar of the RC beam

2.3.3 钢管混凝土柱中纵向插筋应变特点

图7中以试件S1、S3为例给出了钢管柱内插筋应变沿竖向变化的曲线.图中纵坐标y表示应变测点与梁轴线之间的距离.

从图7可见：试件S1的纵向插筋均未屈服，在反复荷载作用下，柱插筋应变交替拉压变化；加载过程中，试件S1的插筋最大应变始终出现在钢管柱内.而试件S3的柱纵向插筋在加载过程中部分测点达到屈服（加载位移30mm时），最大应变出现在节点内部，节点外测点应变则相对较小；随着荷载的增大，插筋的残余变形逐渐增大，插筋在节点区域出现了全部受拉的现象，这与前期完成的中节点试验存在明显差异［12］，在中节点低周反复荷载试验中，节点破坏试件的插筋以受压为主.这表明在正常设计的试件中，插筋可以承担部分荷载，并可靠传递至上下钢管混凝土柱；而对于节点较弱的情况，边节点插筋将比中节点承担更大的荷载作用，因此后期的粘结破坏现象也更加严重，因此应适当提高插筋的配筋率.

图7 钢管柱插筋应变沿竖向变化曲线Fig.7 Variation curves of strains of column longitudinal steel bar

2.4 抗震性能分析

2.4.1 延性

根据文献［14］的方法计算得到试件的屈服荷载并确定其对应的屈服位移，取下降段85%峰值承载力所对应的位移为极限位移［15］，并计算试件的延性系数，汇总于表3中.

由表3可见：试件S3、S4加载过程骨架曲线未出现下降，其极限荷载、极限位移取试验停止前的最大数据进行保守计算.从表3的数据可以发现，本次试验中试件S1的延性最好（3.21）；试件S3、S4的位移延性最差（2.10，2.70）

2.4.2 强度退化

在位移幅值不变的条件下，结构或构件承载力随荷载反复循环次数的增加而降低的特性称为强度退化.结构或构件的强度退化可以用第二、第三循环强度退化系数来衡量，其表达式为

表3 主要特征点的试验结果Table 3 Main test results of characteristic points

图8为试件的第二循环强度退化系数曲线.

图8 试件的第二循环强度退化系数曲线Fig.8 Strength degradation curves of the 2ndcycle of the specimens

由图8可见：各试件的强度退化系数基本都在0.9以上，不同加载等级中各循环的承载力并没有大幅度下降，总体上试件的强度退化现象并不明显；所有试件在前两个位移加载级中，试件的强度基本没有变化（0.99～0.96）；在第三加载级中，试件S2仍然保持在0.97，试件S3、S4的强度系数略有下降（0.91～0.92）.这正是破坏形态的不同导致了强度退化程度的差异.

2.4.3 刚度退化

结构或构件在不同位移控制点下的刚度退化可以用环线刚度Kj来表示：

图9为试件的环线刚度曲线图.由图9可见：随着荷载的增大，试件的环线刚度呈下降趋势；除试件S3外，其余试件环线刚度曲线开始阶段下降较快，后期逐渐趋于缓和，整体收敛呈下凹形状；试件S3环线刚度明显不同，开始阶段退化不明显，后期迅速下降，曲线出现不收敛的上凸形.

图9 试件环线刚度曲线Fig.9 Stiffness curves of specimens

2.4.4 耗能能力

由各试件的滞回曲线可计算第一周加载循环的等效粘滞阻尼系数ξeq［12］，并绘制出各试件的等效粘滞阻尼系数曲线，如图10所示.

图10 等效粘滞阻尼系数曲线Fig.10 The curves of equivalent viscous damping indexes

由图10可见：除了试件S4的第七级加载外，各个试件的等效粘滞阻尼系数均随着加载位移的增大而不断变大；所有试件在第一级位移下的等效粘滞阻尼系数都很小，均不大于0.04，当加载到第二级位移时，各个试件的等效粘滞阻尼系数都有了不同幅度的增加，其中试件S1增幅最大，试件S3、S4增幅则小很多.

3 结论

通过对4个梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点试件的低周反复加载试验，得到如下主要结论：

（1）正常设计的梁贯通式圆钢管混凝土柱-混凝土梁边节点在低周反复荷载作用下的受力性能良好，验证了该节点形式可应用于组合结构的边节点.

（2）根据环梁与框架梁配筋率比值、环梁宽度与圆柱直径比值、柱插筋等试验参数设计的试件在加载过程中出现了3种不同的破坏形态：“强节点”试件出现框架梁根部的塑性铰破坏，“节点较弱”试件出现框架梁与环梁交界处的破坏，“弱节点”试件出现环梁区破坏.表明通过合理的设计，可以实现“强柱弱梁，节点更强”的抗震设计原则.

（3）试件应变分析表明，梁贯通式节点的梁端内力能够可靠传递至节点核心区，在节点区断开的柱钢管内设置柱插筋能有效地传递柱端弯矩，钢筋混凝土环梁对钢管断开部分的混凝土核心区可以形成有效的约束，各部分协调工作，通过合理设计的试件受力安全可靠.

（4）节点的破坏形态决定了其抗震性能.按“强节点”设计的节点，其滞回曲线较为饱满，骨架曲线达到最大承载力后下降不明显，延性系数大，环线刚度曲线呈下凹收敛，归一化滞回耗能也较大，其抗震性能良好；而按照“弱节点”设计的节点，其滞回曲线捏缩现象很严重，骨架曲线在到达最大承载力后下降较快，延性系数较小，环线刚度曲线呈上凸型，归一化滞回耗能也较小，其抗震性能差；按照“节点较弱”设计的节点，抗震性能介于上述两者之间.

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Seism ic Behavior of Exterior Through-Beam Joint Between Concrete-Filled Steel Tubular Columns and Reinforced Concrete Beams

Chen Qing-jun1，2Xue Hua1Tang Xu-lin1Zuo Zhi-liang1，2Chen Ying-rui1
（1.School of Civil and Transportation Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

The low-cycle reversed loading experiments of four specimenswere conducted to investigate the seismic behavior of the exterior through-beam joint between concrete-filled steel tubular（CFST）columns and reinforced concrete beams.Experimental results show that（1）as the relative reinforcement ratio（the reinforcement ratio of ring beam/the reinforcement ratio of frame beam）and the relative radiowidth ratio（thewidth of ring beam/the diameter of steel tube）decrease，the plastic hinge transfers from the frame beam to the ring beam，and three failure modes occur，which includes the failure at the frame beam root，the failure at the connection of the frame beam and the ring beam and the failure in the ring beam；（2）the internal force at the roots of the beams can be reliably transmitted to the joint，and the joint can work coordinately with the frame beam and the CFST column；and（3）for the specimens designed on the basis of the principle of“Strong Joint”，the plastic hinge appears at the frame beam root with plump hysteretic curves，relatively large ductility coefficient，concave and convergent stiffness curves and excellent energy dissipation ability，whichmeans that the seismic behavior is good.Therefore，the exterior through-beam joint obtained through reasonable design is safe and reliable under stress，and it can realize the anti-seismic design principle of“Strong Column with Weak Beam is，Stronger in Joints”.

concrete-filled steel tubular；exterior joint；through-beam joint；seismic behavior

TU398

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.07.006

1000-565X（2015）07-0033-09

2014-12-02

国家自然科学基金青年基金资助项目（51408230）；广东省自然科学基金资助项目（S2013040015140）；亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题（2015ZC18）；华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2014ZZ0026）

Foundation items：Supported by the Youth Foundation of the National Natural Science Fundation of China（51408230）and the Natural Science Foundation of Guangdong Province of China（S2013040015140）

陈庆军（1975-），男，副教授，主要从事结构理论、结构仿真分析等研究.E-mail：qjchen@scut.edu.cn

†通信作者：汤序霖（1986-），男，博士后，主要从事结构工程等研究.E-mail：ctxulintang@scut.edu.cn