异形钢骨混凝土柱—钢梁节点受剪承载力试验

肖云峰，曾　磊，陈　娟，靳思骞，崔振坤

( 1.长江大学城市建设学院， 湖北荆州434023； 2.武汉建工集团股份有限公司， 湖北武汉430065)



异形钢骨混凝土柱—钢梁节点受剪承载力试验

肖云峰1，曾磊1，陈娟1，靳思骞1，崔振坤2

( 1.长江大学城市建设学院， 湖北荆州434023； 2.武汉建工集团股份有限公司， 湖北武汉430065)

为研究异形钢骨混凝土柱—钢梁框架节点的地震破坏机理和受剪承载力，进行了4个T形配钢柱—钢梁节点和4个L形配钢柱—钢梁节点的低周往复荷载试验，研究了轴压比、混凝土强度等级和核心区配箍率对节点受剪承载力的影响。观察其受力过程和失效模式，分析了节点核心区混凝土、箍筋、钢骨腹板及钢骨翼缘框在低周往复荷载作用下的应变变化规律及受力机理，分析了节点的各组成部分的抗剪性能。通过对试验数据的分析，得到节点在水平荷载作用下受剪承载力计算公式，计算值与试验值吻合良好。

异形钢骨混凝土柱；框架节点；拟静力试验；受剪承载能力

钢骨混凝土结构具有承载能力高、抗震性能好等诸多优点[1-2]，目前已在高层、超高层结构以及大跨度结构中得到了广泛应用。实际工程中，为了避免框架柱在室内凸出墙体，影响建筑结构的整体美感，优化边柱和角柱的不均匀偏心受力状态[3]，使得异形钢骨混凝土结构在国内外得到较多的应用。

节点是连接框架梁、柱构件的关键部位，其内力传递机理十分复杂。因此，研究地震作用下异形钢骨混凝土柱—钢梁框架节点的承载能力和破坏机理成为该类新型结构体系推广应用的研究重点。目前对钢筋混凝土框架节点的受力机理研究较多，斜压杆机理、桁架机理、剪摩机理等相继被提出[4-6]；对于钢骨混凝土框架节点，文献[7-9]提出了节点核心区的水平受剪承载力的理论公式。但是对于异形钢骨混凝土框架节点的研究则相对较少，相关规范及行业标准也未对其做出明确的规定。

本文进行了4个T形截面钢骨混凝土柱—钢梁节点和4个L形截面钢骨混凝土柱—钢梁节点的拟静力试验，试验考虑了混凝土强度等级、核心区配箍率和轴压比等参数的影响，研究了低周往复荷载作用下的受力过程和破坏形态，并基于试验结果提出了节点受剪承载能力实用计算公式。

1　试验研究

1.1概况

按照“强构件，弱节点”原则，选取框架结构中间层边节点(T形柱节点)和角节点(L形柱节点)梁柱反弯点间的典型单元部分作为试验对象，研究异形钢骨混凝土柱—钢梁框架节点的受力破坏过程和受剪承载力。试验设计了4个T形配钢柱—钢梁框架节点和4个L形配钢柱—钢梁框架节点，框架柱的配钢率均为6.96%。所有试件缩尺比例均为1∶2，节点构造及应变测试布置见图1，试件具体尺寸及配钢形式见图2，试件设计参数见表1。

采用C30和C60细石混凝土浇筑，纵筋采用直径为10 mm的HRB335级钢筋，箍筋采用直径为4 mm的冷拔钢丝，柱钢骨和钢梁分别采用6 mm和8 mm Q235钢板焊接成型。实测混凝土立方体抗压强度、钢筋与钢板的抗拉强度及屈服强度等力学性能参数见表2和表3。

(a) T形节点

(b) L形节点

图1节点构造及应变片布置

Fig.1Jointconstruction sketch and strain gages

(a) T形边节点

(b) L形角节点

(c) T形边节点截面 (d) L形角节点截面 (e) 工字钢梁截面

图2　构件构造与截面参数Fig.2　Specimen layout and section parameters表1　相关设计参数Tab.1　Design parameters

表2　混凝土材料性能Tab.2　Concrete properties

表3　钢材材料性能Tab.3　Steel properties

1.2试验加载及量测装置

图3　试验加载装置Fig.3　Test setup

试验采用柱端加载方式，如图3所示。开始加载时，竖向采用200T液压千斤顶施加至设计值，并保持恒定；为了让千斤顶能随柱顶同步水平移动，千斤顶与上部反力梁之间布置了滚轮小车；采用100T电液伺服作动器施加水平往复荷载，并通过位移控制加载；在试件屈服前，每级位移荷载循环往复一次，在试件屈服后，以屈服位移倍数逐级加载，且每级位移荷载循环往复三次，直至水平反力荷载下降到最大极限荷载的85%或试件无法承受竖向荷载时停止加载，试验宣告结束。

2　试验现象及破环形态

试件破坏形态主要可以分为两类:节点核心区剪切斜压破坏和节点核心区焊缝拉裂失效破坏。其中试件TJ-4由于加载设备故障导致试验失败。

2.1节点核心区剪切斜压破坏

当轴压比为0.6时，框架柱承受的竖向荷载较大，试件发生以核心区混凝土被压碎脱落为破坏特征的剪切斜压破坏。加载过程中，随着水平荷载的不断增大，节点核心区混凝土出现斜裂缝，并逐渐形成多条交叉贯通X形斜裂缝。加载至极限荷载时，裂缝条数增加并最终趋于稳定，裂缝宽度变大，核心区混凝土先后被压碎脱落。加载后期，试件承载力和刚度退化显著。节点核心区剪切斜压破坏的典型破坏形态见图4(a)。

2.2节点核心区焊缝拉裂失效破坏

当轴压比为0.3时，框架柱承受的竖向荷载较小，试件发生以梁柱焊缝被拉裂为破坏特征的焊缝拉裂失效破坏。与发生节点核心区剪切斜压破坏的试件类似，水平荷载加载至极限荷载的60%左右时，核心区混凝土出现X形交叉斜裂缝。当荷载逐渐增大，斜裂缝发展缓慢并趋于稳定。加载至极限荷载时，可以听到梁柱交界处发出明显的咔嚓声，承载力迅速下降。试验结束后，砸开核心区混凝土，发现钢梁翼缘与柱钢骨之间的连接焊缝被拉裂。节点核心区焊缝拉裂失效破坏的典型破坏形态见图4(b)。

3　应变分析

试件LJ-2发生典型的节点核心区剪切斜压破坏，以该试件为例对节点核心区钢骨、箍筋、钢骨翼缘框的应变进行了分析。

3.1节点核心区钢骨应变

试验加载各阶段节点核心区钢骨腹板的主应变值如图5所示。节点核心区混凝土出现裂缝之前，钢骨腹板应变较小，节点水平剪力主要由混凝土承担；随后，节点核心区混凝土形成X形斜裂缝，钢骨腹板应变逐渐增大，钢骨腹板开始承受更多的节点水平剪力；试件屈服时，钢骨腹板局部屈服，并且屈服的区域随着荷载的增加逐渐增大；当试件达到极限荷载时，整个钢骨腹板几乎全部屈服，钢骨腹板的受剪作用得到了充分发挥；试件破坏时，钢骨腹板整体屈服，部分区域进入强化阶段，但由于一些箍筋被拉开失去约束作用且核心区混凝土大量被压碎剥落，节点整体受剪承载力降低，但下降较为平缓。试件破坏时，钢骨腹板主应变方向约为45°。

图5　钢骨腹板主应变及其方向

3.2节点核心区箍筋应变

在施加水平荷载之前，框架柱已经承受了一定的轴力，核心区箍筋已出现拉应变，但应变值较小，仅为屈服应变的12%左右；当开始施加水平荷载直至混凝土开裂前，箍筋应变增长十分缓慢，此阶段核心区受剪承载力主要由混凝土和钢骨共同承担；随着水平荷载的增大，箍筋应变逐渐增大，在达到屈服荷载时，箍筋应变约为屈服应变的70%左右；荷载继续增加，核心区混凝土出现多条X形斜裂缝，箍筋应变增长较快，其值达到2 000～2 350 με；试件进入破坏阶段后，核心区混凝土被压碎脱落，箍筋应变迅速增大，箍筋的应变达到2 510～2 830 με，说明箍筋对核心区受剪起到了一定作用，但试件破坏时部分箍筋已被拉开失效。

3.3节点核心区钢骨翼缘框

在节点核心区，钢骨柱翼缘与钢梁上下翼缘高度处的水平加劲板共同形成了一个封闭的翼缘框。加载初期，翼缘框应变较小，仅为屈服应变的15%左右，其承担水平剪力较小，主要起到约束混凝土的作用；当达到屈服荷载时，翼缘框应变逐渐增大至屈服应变的35%左右；当加载至极限荷载时，钢骨腹板已接近全部屈服，翼缘框应变相应增长较快，应变达到屈服应变的70%左右；当加载至破坏荷载时，翼缘框水平加劲板焊缝撕裂，但翼缘框一直未达到屈服应变，说明翼缘框未能充分发挥其受剪承载力。

4　受力机理与承载力计算

图6为节点水平剪力计算简图，其中Vc为柱上、下端混凝土所受剪力；Vb为梁端所受剪力；Ctt，Cbb和Cb分别为节点上、下端及梁端腹板所受压力；Ttt,Tbb和Tt分别为节点上、下端及梁端腹板所受拉力。由梁端、柱端弯矩及平衡条件可以推导出节点核心区承受的水平剪力Vj。

(1)

图6　水平剪力计算简图Fig.6　Calculation diagram of the shear

式中，Mb为钢梁梁端弯矩；Hb为钢梁截面高度；H为钢骨混凝土柱截面高度。

对于承受水平剪力的钢骨混凝土框架梁柱节点，钢筋和混凝土部分的受剪可视为混凝土斜压杆机理加桁架受剪机理，钢骨部分(钢骨腹板和钢骨翼缘框)的受剪可视为“框架—钢板剪力墙”受剪机理[10-12]。可以认为节点受剪承载力是由混凝土、钢骨腹板、核心区箍筋和钢骨翼缘框四个部分的受剪承载力Vc、Vw、Vsv和Vf叠加。

4.1混凝土受剪

由试验结果可知，试件屈服前，水平剪力主要由混凝土承担，钢骨只承担较少部分的剪力，节点受剪主要由混凝土斜压杆决定[13]。节点核心区在柱端弯矩和梁端弯矩作用下，沿着核心区对角线方向的混凝土区域承受压应力，垂直于此方向的混凝土区域则承受拉应力，当水平荷载不断变大，沿着对角线会产生45°或135°斜裂缝，形成混凝土斜压杆，斜压杆的受压能力决定了核心区的受剪能力。

核心区混凝土水平受剪承载力由斜压杆的水平分力提供，主要与斜压杆的抗压能力与斜压杆宽度有关。由于节点核心区混凝土受到核心区翼缘框和箍筋的约束，使其受剪承载力比普通钢筋混凝土的受剪承载力大得多。核心区斜压杆受压承载力用下式表示：

Vc=fcHbjcosθ,

(2)

斜压杆等效宽度H可以用柱截面高度和梁截面高度表示，并同时用节点截面高度进行相应的代换，则斜压杆宽度可表示为：

(3)

式中，α为斜压杆有效宽度与核心区对角线的比值；β为梁、柱截面高度的比值。

Vc=γfchjbjcosθ,

(4)

其中，斜压柱倾角θ与梁、柱受压区高度有关:

(5)

系数γ受轴压比影响较大，通过对试验数据进行线性回归[14]，可以得到系数γ与轴压比n的关系：

γ=0.25+0.1n。

(6)

4.2箍筋受剪

试件屈服后，节点核心区混凝土产生多条交叉的斜裂缝，将该区域分割成许多菱形小块，此时核心区只能借助纵筋和箍筋的约束来传递内力，从而从屈服前的斜压杆机理逐渐转为由水平箍筋来承担水平剪力、纵筋来承担竖向力的受力模式。因此，节点核心区中箍筋部分的受剪由桁架机理决定。

节点核心区箍筋的受剪承载力可参考钢筋混凝土节点的研究成果，其计算方法如下：

(7)

4.3钢骨腹板受剪

由于钢骨腹板的抗侧刚度远大于钢骨翼缘框的抗侧刚度，钢骨腹板分担了绝大部分的水平剪力。钢骨翼缘框与钢骨腹板共同形成“框架—剪力墙”受力体系，受力机理如图7所示。

节点在达到屈服状态以前，钢骨腹板基本上都已经屈服，受力如图8所示。其主拉和主压应力分别为：

(8)

(9)

式中，σcol为钢骨腹板所受轴向应力；σ1为钢骨腹板的主拉应力；σ3为钢骨腹板的主压应力；τ为钢骨腹板所受的剪应力。

图7“框架—剪力墙”受力机理

Fig.7Stress mechanism of the frame-shear wall

图8钢骨腹板应力

Fig.8Stress of the steel web

对于低碳钢钢骨腹板，节点在达到屈服状态以前，钢骨腹板处于剪切流动状态，利用形状改变能密度理论，即第四强度理论建立强度条件：

(10)

式中，fy表示钢骨腹板单向拉伸屈服强度；σ1、σ2和σ3是构件危险点处的主应力。根据钢骨腹板应力状态，σ2=0，化简可得剪应力如下：

(11)

由式(11)可知，轴压力对钢骨受剪能力有所降低，但同时轴压力可以提高核心区混凝土的受剪承载力。综合考虑取钢骨腹板的受剪承载力为：

(12)

式中，Vsv为钢骨腹板的受剪承载力；hw和tw分别为节点区钢骨腹板的高度和厚度；fy为钢骨腹板单向拉伸屈服强度。

对于L形配钢柱—钢梁框架节点而言，L形钢骨的截面弯曲中心与截面形心不重合，柱顶水平荷载通过截面形心，而不经过弯曲中心，因此存在偏心扭转。节点核心区受到水平剪力和扭矩的共同作用，其剪应力分布如图9。考虑非对称配钢产生的偏心扭转对节点核心区受剪承载力的不利影响，引进折减系数δ进行考虑，其值通过试验数据回归而得，则钢骨腹板的受剪承载力可表示为：

(13)

利用式(13)对非对称配钢折减系数δ进行回归，回归得出δ为0.930 4，在地震作用下，节点核心区受力较复杂，波动较大，因此建议非对称配钢折减系数δ取0.85。

图9　节点剪应力分布

4.4钢骨翼缘框受剪

由试验结果可知，钢骨翼缘框在整个破坏过程中并没有屈服，表明翼缘框对节点核心区的受剪作用较小。所以，本文忽略翼缘框对节点受剪承载力力的贡献。但另一方面，翼缘框对核心区混凝土和钢骨腹板有一定的约束作用，提高了混凝土和钢骨腹板的受剪承载力、延性和耗能能力，这些有利影响保守地作为节点承载力储备进行考虑。

5　计算公式及验算

节点核心区受剪承载力主要由混凝土、钢骨腹板和箍筋一起承担，其计算公式为：

(14)

式中各参数意义及取值如前文所述，抗震设计时还需考虑承载力抗震调整系数。

按式(14)所得节点核心区受剪承载力计算值与试验实测值的比较结果如表4所示，可以看出，理论值与试验值吻合较好。

表4　节点受剪承载力计算值与试验值比较Tab.4　Comparison of calculation value and test value

6　结　语

通过对4个T形柱—钢梁节点和4个L形柱—钢梁节点受剪承载力的试验研究，得到以下结论：

①对于L形异形钢骨混凝土柱—钢梁框架节点，其受剪承载能力受到偏心扭转的影响，节点核心区钢骨腹板贡献的承载力必须予以折减, 折减后得到了异形钢骨混凝土柱—钢梁框架节点受剪承载能力的计算公式，计算值与试验值吻合较好。

②由于节点核心区箍筋贡献的受剪承载力较核心区混凝土贡献的受剪承载力比重小，箍筋过密势必会影响混凝土的受剪能力，且箍筋布置过密会影响施工过程中混凝土的浇筑与振捣。因此，设计中可适当放宽钢骨混凝土框架节点的箍筋设置与构造要求。

[1]许成祥,杨炳,赵斌,等.外包钢加固震损钢管混凝土柱的抗震性能试验[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2015，40(4): 821-830.

[2]杨炳,许成祥,赵斌,等.钢套法加固方钢管混凝土柱抗震性能试验研究[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2015，40(5): 1051-1059.

[3]曾磊,涂祥,许成祥,等.非对称配钢钢骨混凝土柱抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2013, 34(3):141-151.

[4]ATTAALLA S A.General analytical model for nominal shear stress of type 2 normal and high strength concrete beam column joints[J]. ACI Structural Journal, 2004, 101(1):65-75.

[5]HWANG S J，LEE H J.Analytical model for predicting shear strengths of interior reinforced concrete beam-column joints for seismic resistance[J]. ACI Structural Journal, 2000, 97(1):35-44.

[6]曾磊,吴园园,张地,等.钢骨混凝土异形柱—钢梁节点抗震性能试验研究[J]. 振动与冲击, 2016，35(4):224-229.

[7]SHAFAEI J, HOSSEINI A, MAREFAT M S.Seismic retrofit of external RC beam-column joints by joint enlargement using prestressed steel angles[J]. Engineering Structures, 2014,81(81):265-288.

[8]METELLI G, MESSALI F, BESCHI C, et al.A model for beam-column corner joints of existing RC frame subjected to cyclic loading[J]. Engineering Structures, 2015, 89(C):79-92.

[9]薛建阳,鲍雨泽,任瑞,等.低周反复荷载下型钢再生混凝土框架中节点抗震性能试验研究[J]. 土木工程学报,2014(10):1-8.

[10]郑山锁,曾磊,吕营, 等.型钢高强高性能混凝土框架节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2008,29(3):128-136.

[11]曾磊,许成祥,郑山锁.考虑高强度混凝土脆性影响的型钢混凝土框架节点受剪承载力计算公式[J]. 建筑结构,2010(7):99-102.

[12]郑山锁,李磊,王斌,等.型钢与混凝土界面剪力传递能力[J]. 工程力学,2009,26(3):148-154.

[13]李忠献,张雪松,丁阳.梁端塑性铰外移的型钢混凝土节点的抗震性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版),2007,35(3):77-82.

[14]薛建阳,刘义,赵鸿铁,等.型钢混凝土异形柱框架节点承载力试验研究[J]. 土木工程学报,2011(5):41-48.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Experimental study on shear capacity of joints between steel reinforced concrete special-shaped column and steel beam

XIAO Yun-feng1, ZENG Lei1, CHEN Juan1, JIN Si-qian1, CUI Zhen-kun2

(1. School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;2. Wuhan Construction Engineering Co., Ltd, Wuhan 430065, China)

To study the seismic failure mechanism and shear capacity of frame joints between steel reinforced concrete special-shaped column and steel beam, 4 joints with T-shaped section and 4 joints with L-shaped section were tested under reversed cyclic loading, and the influence of axial compression ratio, concrete strength and core area stirrup ratio on shear capacity was studied. The deformation characteristics and the failure mode were investigated, the strain variation and mechanical behavior of the concrete, the stirrup, the steel web and the steel flange in core area of the joints under reversed cyclic loading were investigated, and shear capability of each part in the joints was investigated. By analyzing the test data, formulas for shear capacity under horizontal loading were put forward. The calculated results agree well with the test results.

special-shaped steel reinforced concrete column; frame joints; quasi-static test; anti-shear capacity

2016-04-11；

2016-05-13

国家自然科学基金资助项目(51108041);湖北省自然科学基金资助项目(2011CDB009);湖北省教育厅科学技术研究资助项目(Q20111306)和湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划资助项目(T201303)

曾磊(1979—)，男，湖北洪湖人，长江大学副教授，工学博士；E-mail: zenglei28@126.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1045

TU398.9

A

1001-7445(2016)04-1045-09

引文格式：肖云峰，曾磊，陈娟,等.异形钢骨混凝土柱—钢梁节点受剪承载力试验[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1045-1053.