轴压比对SRHC柱-RC梁框架边节点抗震性能试验研究

贾金青，李　勇，刘　伟

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

轴压比对SRHC柱-RC梁框架边节点抗震性能试验研究

贾金青，李勇，刘伟

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

摘要：为研究轴压比对型钢超高强混凝土柱-钢筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架边节点抗震性能影响，通过对3个试件进行拟静力加载试验，得到了试件在低周反复荷载作用下的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性性能及耗能能力。试验结果表明轴压比对试件的破坏形态有着显著的影响，轴压比为0.25时，试件发生延性较好的梁端塑性铰区破坏；轴压比为0.38时，试件发生节点核心区剪切破坏并伴随梁端形成塑性铰；轴压比为0.45时，试件破坏过程明显缩短，发生典型的节点核心区脆性破坏；试验轴压比为0.25时，试件的滞回环饱满程度较为理想，骨架曲线下降段较平缓，轴压比提高到0.38时，位移延性系数降低幅度高达53%，同时等效黏滞阻尼系数也相应的降低了20%左右，说明试验轴压比越大，试件的延性性能越弱，抗震耗能能力越差。

关键词：型钢高强混凝土；边节点；破坏形态；延性；耗能能力

高强混凝土作为现代工程中混凝土的发展趋势，具有强度高、耐久性好、徐变小的特点[1]。但是高强混凝土的高脆性严重影响了其受力性能，高强混凝土不仅相对抗拉强度低，而且在压力作用下，其应力-应变曲线几乎没有下降段，导致高强混凝土容易发生脆性破坏，从而限制其使用[2]。为解决高强混凝土的脆性问题，国内外工程人员尝试将实腹型钢内置于高强混凝土中，形成型钢高强混凝土(SRHC)组合结构[3]。这种结构充分利用型钢抗拉性能和高强混凝土抗压性能，从而使两种材料组合成的结构具有良好的受力性能。然而节点区域受力又极为复杂，它不仅承受着柱轴向荷载的作用，还承担着梁柱连接处的弯矩和剪力，所以，要设计出构造合理、施工方便的节点形式就必须要搞清楚节点核心区的受力性能和破坏机理。因此，国内科研人员已经开始进行这种组合结构节点抗震性能的试验研究[4-6]。但我国现行规范《型钢混凝土组合结构技术规程》[7](JGJ138-2001)和《钢骨混凝土结构技术规程》[8](YB9082-2006)中规定混凝土强度等级最高为C80，现行规范显然对C100级型钢高强混凝土结构不适用，这势必影响该结构体系在国内的应用与发展。因此，本文通过对型钢超高强混凝土柱-钢筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架边节点模型进行低周反复加载试验，分析在节点配箍率、型钢混凝土柱含钢率相同的情况下，重点研究试验参数轴压比对节点核心区破坏形态、滞回性能、延性及耗能能力的影响，以期为SRHC柱-RC梁框架边节点的进一步研究和工程应用提供理论依据。

1试验概况

1.1　试验设计

参考已有组合结构节点的抗震性能试验研究方法[9-10]，并结合本次试验的目的，研究柱轴压比对型钢超高强混凝土柱-钢筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架边节点模型抗震性能的影响，共制作3个截面尺寸相同的SRHC柱-RC梁框架边节点模型，试件主要参数见表1，试件尺寸及配筋情况见图1。

表1　试件主要参数

图1试件尺寸及配筋图(单位：mm)

1.2　加载方案与测点布置

本次试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室中进行，试件采用梁-柱加载的方式，试验时试件的柱顶和柱脚均用型钢钢板固定，以免发生在柱轴向荷载作用下柱顶和柱脚的局部压碎；试件加载时柱顶用3 000 kN液压千斤顶施加在柱顶平板铰支座上；为了放松柱脚的转角约束，在柱脚同样设置平板铰支座；梁自由端低周反复荷载的施加方法参照《建筑抗震试验方法规程》[11](JGJ101-96)中关于拟静力试验的相关加载规定，采用300 kN液压千斤顶逐渐分级施加，具体加载制度如图2所示，试件加载装置及测点布置如图3所示。

图2试验加载制度

2试验结果分析

2.1　试件破坏过程分析

试验中3个试件发生了不同的破坏形式：试件SRHC-RC-1发生了梁端塑性铰区弯曲破坏，试件SRHC-RC-2发生了节点核心区剪切破坏并伴随梁端塑性铰产生，试件SRHC-RC-3破坏前无明显征兆，表现出典型的脆性破坏特征。各个试件的破坏形态如图4所示。

图4试件破坏形态

(1) 试件SRHC-RC-1梁端塑性铰区弯曲破坏

随着梁自由端反复荷载的逐渐增大，梁柱连接处开始产生细小的竖向弯曲裂缝，此时裂缝宽度很小，裂缝的产生属于梁柱连接处混凝土保护层的破坏。随着梁端反复荷载的逐渐增大，梁端塑性铰区域开始交替出现较多的竖向裂缝，原有细小竖向弯曲裂缝不断发展形成交叉斜裂缝。梁端荷载的进一步增大，梁上裂缝的范围也由梁柱连接端不断向梁自由端扩展，并不断出现新的裂缝，而试件节点核心区并没有出现明显的开裂情况。继续加载，梁柱连接处的转角逐渐增大，梁端开始形成塑性铰，进入塑性变形状态，此时荷载大部分由梁端塑性铰承担。梁端屈服进入位移循环后，梁柱连接处梁上表面混凝土轻微压碎。当接近极限荷载后，梁柱连接处混凝土开始大块剥落，主筋外露，梁端承载力明显降低。试件宣告破坏，试验结束。但此时节点核心区混凝土只是出现一些微小的裂缝并没有影响柱的承载力。完全卸载后，节点核心区残留的裂缝宽度很小，而且裂缝都是断断续续的，并没有完全贯通。根据试验测得梁端箍筋应变值可知，梁端塑性铰区钢筋达到极限应变导致试件破坏，而节点核心区仍处于正常工作状态。

(2) 试件SRHC-RC-2节点核心区剪切破坏并伴随梁端形成塑性铰

加载初期，梁柱连接处出现细小的竖向弯曲裂缝，卸载后原有裂缝闭合。梁端荷载逐渐增大，梁上下表面交替出现较多的竖向裂缝，此时节点核心区也开始出现一些微小的交叉斜裂缝。梁端荷载逐渐增大，节点核心区出现明显的双向交叉斜裂缝，将核心区混凝土分成若干个菱形小块，呈现明显的剪切受力状态，梁柱连接端原有裂缝不断斜向发展，转角逐渐变大，形成塑性铰。循环荷载的进一步增大，交叉斜裂缝开始贯通，节点区混凝土分担的节点剪力基本丧失，试件的抗剪承载力主要由节点核心区型钢腹板承担，在这个过程中，梁端塑性铰区裂缝发展缓慢。型钢腹板屈服后，试件承载力仍可继续增大。节点核心区混凝土裂缝进一步交叉贯通，裂缝宽度明显加大，节点核心区混凝土开始出现轻微的剥落现象。当达到极限荷载时，柱端承载力显著下降，节点核心区混凝土剥落现象严重，并有部分柱筋鼓出，此时试件宣告破坏，试验结束。

(3) 试件SRHC-RC-3节点核心区显著脆性破坏

由于轴压比较高，柱子承受的荷载较大，试件在屈服前就发生了节点核心区破坏。破坏过程明显缩短，并没有出现试件SRHC-RC-1、试件SRHC-RC-2所具有的弹性、屈服、极限和破坏四个阶段，且破坏前无明显征兆，表现出典型的脆性破坏特征。试件SRHC-RC-2、试件SRHC-RC-3均发生节点核心区的剪切破坏，而且节点核心区裂缝形态均以“X”形交叉贯通斜裂缝为主，但由于试件SRHC-RC-3试验轴压比较高，过大的轴向荷载使得节点核心区承受的斜向压力过大，导致节点核心区混凝土在梁端及节点区箍筋屈服前就已经达到了极限压应变而导致斜向压碎。

2.2　滞回曲线特征及变化规律

滞回曲线是试验过程中得到的节点在反复荷载作用下的荷载-位移曲线。本次试验得到的试件滞回曲线为梁自由端加载点与其竖向位移的关系曲线，它能够反映出试件的延性和耗能能力、强度退化、刚度退化等特性。本次试验各试件滞回曲线如图5所示。

图5试件滞回曲线

从图5中可以看出：

(1) 试件SRHC-RC-1、试件SRHC-RC-2、试件SRHC-RC-3在加载初期，未达到混凝土的开裂荷载，试件滞回曲线在加载和卸载循环过程中沿直线变化，没有产生残余变形，当超过混凝土开裂荷载后，滞回曲线开始出现较小的残余变形，但整个试件仍处在弹性受力范围内，构件承载力主要由混凝土承担；

(2) 轴压比是影响试件抗震性能的主要因素之一，试件SRHC-RC-1的轴压比较小，其滞回曲线比较饱满，该试件的强度在下降不明显的情况下，梁自由端能够承受较多的位移加载循环，具有较大的极限变形能力、较好的延性性能，随着轴压比的增大，试件的延性性能显著降低；

(3) 相对于钢筋高强混凝土[12]节点，SRHC柱-RC梁节点模型的滞回环饱满程度较为理想，其具有较好的抗震耗能能力，但SRHC柱-SRHC梁节点[13]和纯钢节点[14]试件相比，SRHC柱-RC梁节点试件滞回曲线捏缩现象却比较严重，延性和耗能能力相对较差；

(4) 高轴压比作用下，试件SRHC-RC-3在梁端屈服前由于节点核心区混凝土承受的相对名义剪应力[15]较大，使得核心区混凝土过早的被压碎，导致该节点在没有明显预兆的情况下发生剪切脆性破坏，达不到预期的抗震能力，不满足构件延性的设计要求。

2.3　骨架曲线特征及其变化规律

试件在低周反复荷载作用下将其滞回曲线各峰值点用较平滑的曲线连接起来即可得到该试件的骨架曲线。它是研究试件抗震性能的重要基础，运用骨架曲线可以准确的反映出试件在地震荷载作用下的结构响应情况及破坏发展情况，同时试件的延性性能还能够得到较为直观的体现。试件SRHC-RC-1、试件SRHC-RC-2的骨架曲线如图6所示。由于试件SRHC-RC-3试验轴压比为0.45，设计轴压比接近0.9，轴压比较高，柱承受的荷载较大，在试件屈服前就已经发生节点核心区的脆性破坏，因此无法从其滞回曲线中获取骨架曲线，也不能进一步分析其延性和耗能性能。从图6中可以看出：

图6试件骨架曲线

(1) 轴压比对试件的延性和耗能能力有着显著的影响，随着轴压比的增加，反映在试件骨架曲线上的屈服平台段长度急剧变短，下降段也变得十分陡峭，当试件承受的荷载达到极限值后，其抵抗变形的能力显著下降，脆性性能逐渐显现，抗震延性开始变差；

(2) 试验SRHC柱-RC梁节点试件的骨架曲线与钢筋超高强混凝土节点相比，其下降段较长并较为平缓，在大变形阶段仍能保持较好的延性性能和耗能能力，但与型钢混凝土节点相比，由于超高强混凝土的高脆性，使得其骨架曲线的上升段和下降段都较为陡峭，因而其延性性能和耗能能力相对较差。

2.4　延性及耗能能力

衡量试件抗震延性性能最重要的指标是延性系数，它直接体现了试件延性性能的好坏。根据试验中测点的布置特征，本文采用位移延性系数μΔ来研究节点的延性特征，其计算公式如下[16]：

式中：Δu为节点试件的极限位移；Δy为节点试件的屈服位移。

耗能能力是研究结构抗震性能的重要指标，而等效黏滞阻尼系数he是试件耗能能力的衡量标准，其定义为[17]：

式中：E1为试件达到极限荷载时滞回环的面积；E2为试件达到极限荷载时所具备的弹性变形能力，按照下式确定：

由上述计算公式得到的μΔ和he的计算结果分别见表2、表3。

表2　位移延性系数

表3　等效黏滞阻尼系数

由表2、表3可知，试件的轴压比越大，其位移延性系数和等效黏滞阻尼系数越小，究其原因是因为随着试件轴压比的增大，分布在节点核心区截面上的主压应力逐渐变大，过早的达到核心区混凝土的极限压应变，导致试件延性变差。进而说明低轴压比试件具有更好的延性及耗能能力。

试件SRHC-RC-1的延性系数要比试件SRHC-RC-2的延性系数大很多，说明轴压比是影响试件延性的主要因素之一。试件的延性系数越高，抵抗变形的能力越强，在地震荷载作用下不会产生脆性破坏，并可利用构件的塑性变形能力来耗散地震能量。

3结论

本文通过对3个轴压比不同的型钢高强混凝土柱-钢筋混凝土梁(SRHC柱-RC梁)框架边节点试件模型进行低周反复加载试验，得到如下结论：

(1) 不同的轴压比对试件的破坏形态影响较为显著：试件SRHC-RC-1的轴压比为0.25，经历若干个位移循环加载后，试件梁端塑性铰区达到极限承载力而发生弯曲破坏；试件SRHC-RC-2的轴压比为0.38，试件屈服进入弹塑性阶段后，节点核心区混凝土压碎，柱筋压屈，节点核心区发生剪切破坏并伴随梁端塑性铰产生；试件SRHC-RC-3的轴压比为0.45，由于轴压比较高试件破坏过程明显缩短，裂缝扩展加剧，试件延性很差，发生典型的节点核心区脆性破坏；

(2) 轴压比对试件SRHC柱-RC梁边节点抗震性能有着显著的影响：轴压比小的试件，其滞回环呈饱满稳定的梭形，而且能够承受较多的位移循环，极限变形较大其延性和耗能能力相对较好；随着轴压比的提高，试件的延性降低、等效黏滞阻尼系数减小，抗震耗能性能逐渐变差。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.001

收稿日期：2015-03-14修稿日期：2015-05-10

基金项目：国家自然科学基金项目资助(51178078)

作者简介：贾金青(1962—)，男，河北沧州人，教授，博士，主要从事型钢超高强混凝土组合结构抗震性能分析工作。E-mail:keyknown@163.net

中图分类号：TU375.1

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0001—05

Experimental Study on the Effect of Axial Compression Ratio on the Aseismic Behavior of SRHC Column and RC Beam Frame Side Joints

JIA Jinqing, LI Yong, LIU Wei

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

Abstract：In order to study the effect of axial compression ratio on the seismic behavior of frame side joints of the steel reinforced high-strength concrete (SRHC) column and reinforced concrete (RC) beam, static loading tests were conducted on 3 joint specimens, through which the failure patterns, hysteretic curve, frame curve, ductility and energy dissipation of the specimens under low-cycle repetitive loading were obtained. The results showed that, the axial compression ratio had a significant impact on the failure patterns of the specimens, when the axial compression ratio reached 0.25 the plastic hinge failure occurred at the beam ends with better ductility; when the ratio reached 0.38, shear failure occurred at the core section of the joints along with the plastic hinge failure at the beam ends; when the ratio reached 0.45, the failure process shortened significantly, and shear failure occurred at the core section of the joints. It is found that when the ratio was 0.25, the hysteretic loop presented an ideal full curve, the frame curve descended gently; while when the ratio was 0.38, the displacement ductility coefficient decreased 53%, and the equivalent viscous damping coefficient decreased 20%. These results indicate that the higher the axial compressive ratio the weaker the ductility and therefore the worse the aseismic energy dissipation of the specimens.

Keywords:Steel Reinforced High-strength Concrete(SRHC); frame side joints; failure pattern；ductility; energy dissipation