非对称配钢钢骨混凝土柱钢梁框架节点延性试验研究

崔振坤，肖云峰，靳思骞，陈娟　(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)



崔振坤，肖云峰，靳思骞，陈娟(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

[摘要]对4个T形配钢柱-钢梁节点和4个L形配钢柱-钢梁节点进行了低周反复拟静力试验，研究了非对称配钢钢骨混凝土柱-钢梁框架节点的延性性能和耗能能力。试验考虑了轴压比、混凝土强度等级和核心区配箍率等参数对节点延性分析的影响,并对在相同条件下T型试件和L型试件延性进行对比分析，观察了节点的受力过程和破坏形态，分析了不同因素对滞回特性的影响。结果表明，试件的延性随着轴压比的增大而减小，随着混凝土强度增加而减小，随着核心区配箍率的增大而增大；在轴压比、核心区配箍率及混凝土强度等条件相同情况下，L形试件受到偏心扭转的影响，T形试件延性较L形延性好。

[关键词]非对称配钢；钢骨混凝土；拟静力试验；框架节点延性

我国抗震设防目标以“小震不坏，中震可修，大震不倒”为准则，这就要求结构要有足够的承载力来抵御小震，有足够的变形和耗能能力来抵御大震。大量的震后损坏实例表明，变形能力和耗能能力不足是造成结构损坏乃至结构倒塌的最主要原因。在进行抗震设计时，传统的依据强度概念进行弹性设计已经无法满足实际需求，充分考虑结构和构件的塑性变形而进行的延性设计显得尤为重要。

型钢混凝土节点作为传递梁柱间相互作用力的部件，其内力传递机理十分复杂，一旦节点发生破坏，会对整个结构体系产生非常严重的影响。目前非对称配钢钢骨混凝土柱-钢梁框架节点研究相对较少，文献[1]对9个中间层边节点、4个角节点和4个中节点进行了低周反复试验，得到节点在弯剪作用下的受剪承载力以及在剪扭作用下受剪及受扭承载力计算公式；文献[2]进行了SRCTJ1和SRCTJ2两个型钢混凝土柱钢桁梁组合节点试验，对赵鸿铁提出的计算公式进行了补充与改进；文献[3]进行了5个型钢混凝土十形柱空间节点试验，提出节点抗裂承载力和抗剪承载力计算公式；文献[4]进行了2个转换节点的低周反复试验，研究了该类节点的抗震性能特点。在已有研究的基础上，笔者在考虑轴压比、混凝土强度、核心区配箍率等参数影响下，进行了8个节点(4个T形配钢柱-钢梁节点和4个L形配钢柱-钢梁节点)的低周反复拟静力试验，对非对称配钢钢骨混凝土柱-钢梁框架节点延性进行研究，以期望能为工程应用提供有效参考价值。

1试验概况

1.1试件设计

为了研究非对称配钢钢骨混凝土柱-钢梁框架节点的延性特点及破坏机理，以“强构件，弱节点”为原则，加强了试件梁、柱等部位的设计，使节点核心区先于其他部位而首先发生破坏，以期达到研究节点的试验目的，设计了8个节点(4个T形配钢柱-钢梁节点和4个L形配钢柱-钢梁节点)试件，试件配钢率均为6.96%，试件尺寸与截面配钢如图1所示，试件其他参数见表1。

图1　试件尺寸与截面配钢(单位:mm)

试件采用细石混凝土浇筑，混凝土强度等级为C30和C60，其立方体抗压强度分别为40.25MPa和62.8MPa。试件采用∅b4和∅10钢筋，其屈服强度分别为435.4MPa和305.3MPa，采用6mm和8mm厚2种规格钢板作为钢骨，其屈服强度分别为324MPa和272MPa。

表1　试件参数与破坏形态

1.2试验加载

试验采用柱端加载方式。首先用竖向液压千斤顶施加轴力至设计值并保持恒定，然后用电液伺服作动器施加水平位移荷载。在试件达到屈服荷载以前，每级位移荷载循环往复一次，在试件达到屈服荷载后，每级位移荷载循环往复3次，直至试件的承载力下降到最大极限荷载的85%时停止加载，试验宣告结束[5,6]。

2试验结果分析

2.1试件主要循环过程的试验数据

图2　试件破坏形态

试件在循环荷载作用下，典型破坏形态分为剪切破坏和焊接撕裂破坏2种形式，破坏形态如图2所示，各试件主要特征荷载见表2。

在试件未达到屈服荷载的加载初期，剪切破坏试件和焊接撕裂破坏试件均在钢梁与型钢柱连接处下侧混凝土首先出现裂缝；继续加载，2种破坏形态试件节点核心区都出现斜向X形交叉裂缝，但剪切破坏试件破坏较严重；当达到极限荷载时，剪切破坏试件核心区混凝土被压缩并脱落，焊接撕裂破坏试件发出焊缝撕裂的咔嚓声且试件承载力退化显著；当达到破坏荷载时，试验宣告结束，剪切破坏试件核心区混凝土脱落严重，露出核心区内部的箍筋，柱子上部发生10°左右的倾斜，焊接撕裂破坏的试件核心区混凝土并未发生脱落，仅有一些交叉的斜裂缝。

2.2滞回曲线

柱端水平位移主要由柱、梁及核心区的弹性和非弹性变形构成。梁端和柱端承受较大的弯矩和剪力，因此梁端和柱端也较早的进入塑性阶段，试件塑性铰的形成是柱端水平位移的最主要原因[7～9]。试件在加载过程中绘出的滞回曲线如图3所示，具有如下滞回特点：

1)在试验开始加载时，由于试件处于弹性阶段，滞回曲线呈线性关系；随着水平荷载继续施加，试件进入弹塑性阶段，滞回曲线呈曲线关系,滞回曲线所包面积逐渐增大，且滞回曲线慢慢向横轴倾斜，试件刚度退化较明显；在试验加载末段，试件处于塑性阶段，试件强度、刚度下降较快， 曲线基本与横轴相平。

表2　试件特征荷载

2)在试验中节点试件TJ-2、TJ-4及LJ-2发生剪切破坏，滞回环较饱满，变形能力和耗能能力相对较好；节点试件TJ-1、TJ-3、LJ-1及LJ-3发生梁柱焊接撕裂破坏，滞回环饱满程度与发生剪切破坏的试件相比稍差，变形及耗能不如发生剪切破坏的试件，但总体上来看，依然能满足变形及耗能的要求。

3试件延性影响因素分析

3.1试件的延性指标

试件延性是指试件达到最大承载力后，仍能发生较大变形而承载力缓慢降低的一种性质。发生延性破坏的试件，在承载力没有显著降低前，试件经历了很大的非线性变形，在破坏前能给人以警示。延性系数是度量和比较构件间延性的指标,一般可分为曲率延性系数和位移延性系数，笔者以位移延性系数为指标分析各因素对试件延性性能的影响，采用能量等值法对延性系数进行求解，具体过程如下：

破坏位移Δu与屈服服位移Δy之比得到延性系数μ，即μ=Δu/Δy，其中破坏位移与屈服位移取值方法如图4所示。

3.2节点延性主要因素分析

1)轴压比。试验轴压比分为0.3和0.6两种形式。试件TJ-1与TJ-2相比，延性系数随着轴压比增大由3.20降到2.81；试件LJ-1与LJ-2相比，延性系数随着轴压比增大由3.04降到2.77。试件延性随着竖向压力的增大而减小，这是由于在水平位移荷载施加中后段，水平位移较大，竖向力产生的二阶效应较明显，已不可忽略此二阶效应对试件破坏的加速作用，轴压比越大试件受影响程度越大，延性也稍差。

图3　试件滞回曲线

图4　屈服位移和破坏位移

2)配箍率。 试件配箍率采用2种形式，体积配箍率分别为0.825%和1.651%。在轴压比和混凝土强度相同的情况下，比较试件TJ-1与TJ-3，延性系数随着配箍率增大由3.20增大到3.39；比较试件LJ-1与LJ-3，延性系数随着配箍率的增大由3.04增大到3.2。配箍率的提高有利于改善试件的延性，这主要是因为箍筋对节点核心区混凝土起到约束作用，使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的极限压应变，防止混凝土在高应变下发生剥落和脆性破坏，从而提高了试件的延性性能。

图5　T型试件与L型试件延性对比

3)混凝土强度。试件采用C30和C60混凝土浇筑。试件TJ-2与TJ-4比较，混凝土强度提高，延性系数由2.81降为2.74。试件延性随着混凝土强度的提高而降低，这是由于在混凝土抗压强度提高时，混凝土的脆性增强，极限压应变减小，延性随之降低。

3.3T型试件与L型试件延性对比分析

TJ-1与LJ-1、TJ-2与LJ-2以及TJ-3与LJ-3这3组试件分别对应的混凝土强度、节点核心区配箍率、轴压比均相同，在此相同条件下分别比较3组试件延性特点，比较结果如图5所示。

由图5对比分析结果可知，T型试件延性较L型试件延性好，在轴压比、混凝土强度和配箍率等条件相同情况下延性系数平均要高4.33%，这是由于L型试件在加载时，加载作用点没有通过试件截面弯曲中心，试件处于偏心受力状态，节点核心区偏心受力剪应力图如图6所示。由图6可知，L型试件一侧剪应力明显要大于T型试件相应侧剪应力，此扭转剪应力加速了试件的破坏速度，使试件延性系数产生了一定的降低。

4结论

图6　偏心受扭剪应力

1)对于非对称配钢钢骨混凝土柱-钢梁框架节点，延性系数均在3.0左右，比钢筋混凝土节点要好，抗震性能更出色。降低混凝土强度、提高节点核心区的配箍率以及降低柱子轴压比能够改善节点的延性,提高节点的抗震性能。

2)在试件轴压比、混凝土强度及节点核心区配箍率条件相同情况下，T型试件延性比L型试件延性要好，主要是由于L型试件处于偏心受扭状态，由此产生的扭转剪应力对试件延性产生了不利影响，使L型试件延性性能在形同条件下有所降低。

3)发生剪切破坏的节点试件，柱端产生塑性铰，试件发生较大变形，其滞回曲线较饱满，耗能能力较发生焊接撕裂破坏的试件更好。

[参考文献]

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[编辑]计飞翔

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)01-039-05

[中图分类号]TU398.9

[作者简介]崔振坤(1988-)，男，硕士生，现主要从事型钢混凝土组合结构方面的研究工作；通信作者：肖云峰， 279375457@qq.com。

[基金项目]国家科技支撑计划项目(2013BAJ08B03)；国家自然科学基金项目(51108041)；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201303)。

[收稿日期]2015-10-29

[引著格式]崔振坤，肖云峰，靳思骞，等.非对称配钢钢骨混凝土柱-钢梁框架节点延性试验研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(1)：39～43.