桁架式钢骨混凝土梁-钢骨混凝土柱梁柱组合构件抗震性能试验研究

杨立军, 邓志恒, 冯 超，陈 孔

(1.广西大学 土木建筑工程学院，南宁 530004； 2. 湖南文理学院 土木建筑工程学院，湖南 常德 415000)



桁架式钢骨混凝土梁-钢骨混凝土柱梁柱组合构件抗震性能试验研究

杨立军1，2, 邓志恒1, 冯 超1，陈 孔1

(1.广西大学 土木建筑工程学院，南宁 530004； 2. 湖南文理学院 土木建筑工程学院，湖南 常德 415000)

提出了一种由桁架式钢骨混凝土(SRC)梁和钢骨混凝土(SRC)柱组成的框架结构新的节点形式。为了研究这种新型梁柱组合构件的抗震性能，对8个桁架式钢骨混凝土梁-钢骨混凝土柱框架边节点进行了低周反复荷载试验。试验观察并记录了各节点试件的破坏形态，测得其梁端荷载-位移滞回曲线、节点剪切变形、骨架曲线和梁端荷载-转角滞回曲线。以试验结果为基础，对节点的延性、耗能性能、承载力及刚度退化等抗震耗能性能进行了分析，讨论了含钢率、轴压比及角钢腹杆尺寸对节点受力性能的影响。研究结果表明，这种新型桁架式钢骨混凝土框架节点具有良好的延性及耗能性能，为其工程应用提供了理论依据。

框架节点；桁架式钢骨混凝土梁；延性；耗能性能；抗震性能；梁柱组合构件

型钢混凝土结构除了在混凝土中配置必要的钢筋外，主要配置型钢作为其受力骨架。由于具有承载力高、延性好，抗震性能优越的优点，得到了广泛的应用，其各个方面都成为了研究热点：组成材料(型钢超高强和高强混凝土[1-4]、型钢再生混凝土[5-7])、构件(梁[8]、柱[9-11]、剪力墙、节点)、框架、力学性能(静力性能、抗震性能[11-20])等等。为了克服型钢混凝土黏结能力弱，穿筋困难，耗钢量大和锚固要求高的缺点，许多学者提出了型钢混凝土结构的新型形式，如邓志恒等提出了桁架式钢骨混凝土T形梁，TAO等提出了SRC柱-钢桁架梁，何益斌等提出了方钢管SRC柱与钢梁端板螺栓连接，邓志恒等提出了桁架式SRC梁-钢筋混凝土柱，极大地扩大了型钢混凝土结构的工程应用范围和优势。本文提出了一种由实腹式桁架式SRC梁和SRC柱组成的框架结构节点形式。桁架式SRC梁内配平行弦桁架式钢骨，桁架式钢骨上下弦杆采用T形型钢，由斜杆、竖杆组成的腹杆为角钢，可以通过调整格构式腹杆的高度改变梁的高度。角钢的剪切作用有效提高了钢骨架与混凝土黏结能力，梁端设置的交叉腹杆成为一种很好的耗能减震装置。为了研究这种新型梁柱组合构件的抗震性能，设计了8个桁架式SRC梁-SRC柱框架边节点的低周反复荷载试验。

1 试验概况

1.1 试件设计

对框架结构中间层边节点进行研究，取梁柱反弯点之间的倒“T”字形结构为试验对象。按照强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件原则设计试件。设计时主要考虑腹杆截面尺寸、轴压比及工字钢尺寸(含钢率)对节点抗震性能的影响。

试验共设计8个试验节点，梁截面尺寸为200 mm×400 mm，柱截面尺寸为300 mm×350 mm，梁长1 470 mm，柱高1 900 mm，型钢混凝土保护层厚度50 mm，钢筋保护层厚度25 mm，梁T形型钢由工字钢从腹板中间破开做成。试件几何尺寸及截面配钢如图1所示，型钢骨架如图2所示，其中，配I14、I16型钢的JD-1、JD-2、JD-5～JD-7梁柱连接采用直接对接围焊的形式，如图2(a)所示；JD-3、JD-4、JD-8梁柱连接除对接围焊外，在梁端上、下弦杆翼缘外侧各加焊一块100 mm×100 mm×10 mm的直角三角形加劲板，腹板两侧各加焊一块240 mm×70 mm×10 mm的矩形加劲板(长边与柱翼缘面焊接)，如图2(b)所示。各试件设计参数如表1所示。

图1 试件几何尺寸及截面配钢Fig.1 Geometry and steel layout of specimens

图2 型钢骨架Fig.2 Steel skeleton表1 试件参数Tab.1 Details of specimens

试件编号梁b×h/mm2纵筋箍筋型钢柱b×h/mm2箍筋主筋型钢节点区水平箍筋轴压比腹杆尺寸JD-1200×400416ϕ8@100I14300×350ϕ8@100418+214I14ϕ8@1000.2∠40×4JD-2200×400416ϕ8@100I16300×350ϕ8@100418+214I16ϕ8@1000.2∠40×4JD-3200×400416ϕ8@100I18300×350ϕ8@100418+214I18ϕ8@1000.4∠40×4JD-4200×400416ϕ8@100I18300×350ϕ8@100418+214I18ϕ8@1000.2∠40×4JD-5200×400416ϕ8@100I14300×350ϕ8@100418+214I14ϕ8@1000.2∠50×4JD-6200×400416ϕ8@100I14300×350ϕ8@100418+214I14ϕ8@1000.3∠50×4JD-7200×400416ϕ8@100I16300×350ϕ8@100418+214I16ϕ8@1000.4∠50×4JD-8200×400416ϕ8@100I18300×350ϕ8@100418+214I18ϕ8@1000.4∠50×4

1.2 材料力学性能

混凝土采用C40普通商品混凝土，由预留同养试块测得立方体抗压强度fcu=50.59 MPa。

型钢采用Q235，纵筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。钢材力学性能如表2所示，其中fy、fu、Es分别表示钢材的屈服强度、极限强度和弹性模量。

1.3 试验加载方案

加载试验装置示意图如图3所示。试验先按设定轴压比由液压千斤顶对柱顶端施加轴心压力，然后采用电液伺服加载系统对梁端施加低周反复循环荷载，采用荷载-位移双控制的加载制度，加载制度如图4所示。试件屈服前按每级15 kN进行加载，根据P-Δ曲线判定屈服荷载Py和屈服位移Δy。试件屈服后按位移控制加载，以Δy为基数成倍数进行循环加载；每级循环加载3次，当构件破坏时卸载。

表2 钢材力学性能Tab.2 Mechanical performance of steel

图3 加载试验装置Fig.3 Test set-up

图4 加载制度Fig.4 Loading program

1.4 试验测试内容及测点布置

(1)梁自由端荷载及位移

梁自由端荷载及位移由作动器自带的荷载传感器与位移传感器量测，并同步传输到计算机。

(2)梁端塑性铰区的弯矩及转角

如图5所示，在梁端上、下部位离柱面1倍梁高(h)范围内分别布置两个位移传感器量测梁上、下部位h范围之内的伸长和缩短量，从而算出此范围内的转角，绘出弯矩-转角滞回曲线。

(3)节点核心区剪切变形

如图5所示，在节点核心区沿对角线方向安装两个交叉导杆及位移传感器，测量节点区对角线方向的伸长和缩短量，从而得到核心区荷载-剪切变形曲线。

图5 位移计布置Fig.5 Arrangement of displacement meter

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

节点的破坏形态主要有梁端受弯破坏和节点核心区剪切破坏两种形式。本次试验的8个构件均发生了较为理想的梁端塑性铰区受弯破坏，裂缝开展进程基本相似，节点区均产生了或多或少的交叉斜裂缝，典型试件裂缝分布如图6所示。

图6 典型试件裂缝分布(JD-3)Fig.6 Crack distribution of typical specimens(JD-3)

2.2 梁端荷载-位移滞回曲线

梁自由端竖向荷载-竖向位移滞回曲线如图7所示。

从图7中各试件滞回曲线可知：

(1)各节点试件的滞回曲线均呈饱满的梭形，破坏以前没有捏缩现象产生，而且随着梁端竖向控制位移逐级增加，滞回环愈加饱满，表明桁架式SRC梁-SRC柱框架节点具有良好的抗震性能。

(2)随着位移等级增加，滞回曲线由直线型变成梭

形，滞回环愈加饱满，其对角线的斜度逐渐减小，表明试件刚度开始随着位移与荷载的增大而逐渐退化。

(3)在同一级位移循环中，后一次的循环峰值荷载均较前一次有所降低，越接近破坏时，下降越明显，表明试件在加载过程中存在强度退化现象，且越接近破坏阶段，退化越明显。

(4)与钢筋混凝土节点滞回曲线相比，桁架式SRC梁-SRC柱框架节点滞回曲线更加饱满，耗能能力强；与同类型钢骨混凝土节点相比，饱满程度相对较弱，说明该类型节点具有较好的抗震性能。

(5)从JD-5、JD-6可知，节点两侧往往不是同时破坏，当单侧承载力由于型钢焊缝处裂开而突然下降，另一侧仍能继续承受荷载，表现在滞回曲线上则是一侧曲线迅速下跌，另一侧仍能稳定下降，说明此时构件还具有一定的耗能能力，但滞回曲线开始捏缩，呈现弓形或倒S行，耗能能力下降。

(a)JD-1P-△滞回曲线(b)JD-2P-△滞回曲线(c)JD-3P-△滞回曲线(d)JD-4P-△滞回曲线

(e)JD-5P-△滞回曲线(f)JD-6P-△滞回曲线(g)JD-7P-△滞回曲线(h)JD-8P-△滞回曲线图7 P-Δ滞回曲线Fig.7Theload-displacementhystereticcurves

(6)在梁端对焊缝加强之后，JD-3、JD-4、JD-8承受荷载虽然明显增大，并没有发生类似JD-5、JD-6单侧跌落的现象，而且滞回曲线饱满，正、负向基本同时达到破坏状态，说明在满足承载力的条件下，加强型钢骨架对接处焊缝强度是有必要的。

(7)由于在梁端配置了交叉腹杆，各试件达到峰值荷载前后曲线上升或下降均较平缓，说明构件承载力在弹塑性阶段上升或下降缓慢，延性较好，交叉腹杆起到到了一定的减震耗能作用。

2.3 梁端骨架曲线

骨架曲线为对应滞回曲线每一级循环峰值点的连线。图8为各节点试件骨架曲线，表3为试验各主要阶段特征值。

图8 骨架曲线Fig.8 Skeleton curves

从图8骨架曲线图可以得到：

(1)由于桁架式SRC梁内配置了复杂的角钢和工字钢，所以骨架曲线上并没有表现出明显的屈服拐点。

(2)骨架曲线有较长和较平缓的上升或下降段，相较于普通钢筋混凝土框架节点有了较明显的改善。

(3)对比JD-3与JD-4以及JD-5与JD-6可知，轴压比越大，初期刚度和极限荷载变大，但延性变小，骨架曲线下降越快。说明轴压比对节点的承载能力及延性性能有一定的影响，节点的承载能力会在一定程度上随着轴压比的增大而提高，但变形延性性能会有所降低。

(4)对比JD-1、JD-2、JD-4以及JD-7与JD-8，当轴压比与梁腹杆尺寸都相同时，试件所承受的极限荷载随型钢的增强而显著提高。说明梁内含钢率对节点承载力及结构稳定性起到重要作用。

2.4 梁端塑性铰区荷载-转角滞回曲线

梁端塑性铰区的转动一般采用梁端部一定范围截面的平均曲率φ来表示，其计算表达式为:

φ=(δ1-δ1)/hl

(1)

式中:δ1、δ2分别为梁端上、下部位两个位移计的实测值之和；h为梁上、下测点之间的高度；l为量测区段长度，试验中l=400 mm。

利用试验数据作出了试件JD-1～JD-8的塑性铰区荷载-转角滞回曲线，结果表明8个试件的荷载-转角滞回曲线都呈饱满的梭形，与梁自由端荷载-位移滞回曲线的形状类似，图9为JD-3塑性铰区荷载P-转角φ滞回曲线。说明在梁端配置交叉腹杆的桁架式钢骨混凝土框架节点，其塑性铰具有良好能量耗散性能。

图9 JD-3塑性铰区荷载P-转角φ滞回曲线Fig.9 Force-rotation hysteresis loop in plastic zones of JD-3

2.5 节点延性

取节点延性系数μ为节点梁端破坏位移Δu与屈服位移Δy的比值，即：

μ=Δu/Δy

(2)

试验中各试件的屈服荷载与屈服位移、极限荷载、破坏荷载和延性系数如表3所示。

从表3可以得出如下结论：

(1)对比试件JD-1、JD-2、JD-4以及试件JD-7与JD-8，当轴压比与梁腹杆尺寸都相同时，试件的位移延性系数随着含钢量的增大而增大。

表3 试件延性系数Tab.3 Ductility factor of specimens

(2)对比试件JD-3与JD-4以及试件JD-5与JD-6，当试件的含钢量及梁腹杆尺寸相同时，节点位移延性系数与轴压比成反比例增长，相同条件下，轴压比越小，延性系数越大。

(3)对比试件JD-1与JD-5，当试件轴压比与含钢量均相同时，节点的位移延性系数随着梁腹杆尺寸的增强而有所提高，说明在同等条件下，增加梁端交叉腹杆的尺寸，有利于提高节点的抗震性能。

(4)轴压比、型钢与梁腹杆尺寸对节点试件延性性能均有一定的影响。相同条件下，轴压比越大，节点的延性越差；而同等条件下，含钢量越大，节点的延性越好。

2.6 能量耗散性能

等效黏滞阻尼系数he是表征能量耗散性能的指标，各试件的等效黏滞阻尼系数如表4所示。

表4 等效黏滞阻尼系数Tab.4 The equivalent viscous damping coefficients

试件JD-1～JD-8的等效黏滞阻尼系数在0.27～0.35范围内，而相关文献的研究表明，普通钢筋混凝土节点的he值为0.1左右，SRC柱-钢筋混凝土梁组合节点的he值大致在0.22～0.30之间，实腹式钢骨混凝土节点的he值大致在0.20～0.30之间，说明桁架式SRC梁-SRC柱节点的he值较大，与实腹式钢骨混凝土节点的he值接近。说明在梁端设置交叉腹杆的桁架式SRC梁-SRC柱框架节点具有良好的抗震耗能性能。

2.7 承载力退化

节点承载力退化采用同级强度退化系数λi来表示，表达式为:

(3)

利用式(4)求出试件在各级循环第三次加载的强度退化系数λ3如表5所示(其中JD-2加载时取偶数倍控制位移，故对于JD-2表中1Δ、2Δ、3Δ分别对应2Δ、4Δ、6Δ，以此类推)。

表5 强度退化系数Tab.5 Strength degradation coefficient

由表5可知：随着位移和循环次数的增加，试件的承载力整体上呈下降之势，弹塑性阶段下降速度有所减缓甚至反弹，在破坏阶段下降则更加明显，承载力退化更加严重，以至不能继续承受荷载。

2.8 刚度退化

采用环线刚度指标描述刚度退化。环线刚度是指在同级位移加载下，多次加载的平均折算刚度，其表达式为:

(4)

试件JD-1～JD-8各级位移加载时的环线刚度曲线图如图10所示(JD-2同前所述，取偶数倍控制位移进行分析)。

图10 环线刚度曲线Fig.10 Loop stiffness curves

由图10可知：

(1)随着加载级数不断增加，各试件刚度逐渐退化，且前期刚度退化更明显，在3倍控制位移之后，刚度退化速度逐渐减缓。这是因为随着控制位移不断增大，混凝土不断开裂，梁内纵筋及型钢逐渐屈服，部分混凝土逐渐裂开脱落，构件有效受力面积变小，所以刚度下降很快；进入大变形阶段以后，试件基本靠桁架式型钢梁及型钢翼缘框内所包围的混凝土继续承受荷载，有效截面基本不再减少，所以刚度下降速度减缓。

(2)对比试件JD-3(n=0.4)与JD-4(n=0.2)以及试件JD-5(n=0.2)与JD-6(n=0.3)可以发现，轴压比越高，试件的初期刚度相对更大，而且退化速度更快。

(3)对比试件JD-1(∠40×4)与JD-5(∠50×4)以及试件JD-3(∠40×4)与JD-8(∠50×4)可以发现，在轴压比与含钢量相同时，交叉腹杆所配角钢强度越大，试件刚度更大，退化速度相对更快，说明梁端塑性铰区交叉腹杆对试件刚度有较大影响。

(4)综合对比可以发现，配I18型钢的试件JD-3、JD-4、JD-8，其刚度高于配I14与I16型钢的试件，说明含钢量对于节点试件的刚度有较大影响。

(5)所有试件在达到3倍初始屈服位移时，刚度仍然大于初始屈服刚度的30%，说明梁端配交叉腹杆的桁架式SRC梁-SRC柱框架节点具有良好的抗震性能。

3 结 论

(1)各试件裂缝发展模式与破坏形态基本一致，早期以梁端裂缝发展为主，屈服前后节点区产生交叉裂缝，并最终以梁端塑性铰区受弯破坏结束，节点设计合理，受力性能安全可靠。

(2)各节点试件滞回曲线均呈饱满的梭形，与钢筋混凝土节点滞回曲线相比，桁架式SRC梁-SRC柱框架节点的滞回曲线更加饱满，说明桁架式SRC梁-SRC柱框架节点耗能能力较强，具有良好的抗震性能。

(3)由于在梁端配置了交叉腹杆，在各试件达到峰值荷载前后，曲线上升或下降均较平缓或基本持平，各试件延性系数在3.0左右，具有较好的延性，说明配有交叉腹杆的桁架式SRC梁-SRC柱框架节点具有较好的减震耗能性能。

(4)轴压比、含钢量与梁腹杆尺寸均对节点试件的承载力与刚度有较大影响。相同条件下，轴压比越大，节点的延性越差，承载力及刚度退化越快；而同等条件下，含钢量越大，节点的延性及耗散性能越好，承载力更高，刚度更大。

(5)新型桁架式SRC梁-SRC柱框架节点的等效黏滞阻尼系数较大，试件JD-1～JD-8的等效黏滞阻尼系数在0.27～0.35范围内，具有较好的耗能性能。

(6)在进行试件设计时，根据含钢量的不同，提出了普通型与加强型两种梁柱连接形式。观察试件的破坏形态可以发现，普通型焊接以梁端部位裂开或屈服为主，其中试件JD-5、JD-6发生单侧裂缝裂开，荷载突然跌落的现象，而加强型试件JD-3、JD-4、JD-8则没有出现这种情况，均为梁端塑性铰区型钢屈服破坏。建议在进行桁架式SRC梁-SRC柱框架节点设计时，采用加强型连接设计方案。

(7)本次试验所有节点都为梁端受弯破坏。给出该类节点设计方法，控制节点破坏模式，是新型桁架式SRC梁-SRC柱框架节点进一步研究方向。

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Experiments on seismic behaviors of beam-column combined components with steel reinforced concrete column-reinforced concrete beam encased steel truss

YANG Lijun1,2, DENG Zhiheng1, FENG Chao1, CHEN Kong1

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2. College of Civil and Architecture Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

A new type of frame joint with steel reinforced concrete (SRC) column-reinforced concrete (RC) beam encased steel truss was put forward. Reversed cyclic loading tests on eight specimens were conducted to intensively investigate the seismic behaviors of the beam-column combined components. The failure processes of eight frame joints under low-cyclic reversed loading were observed and recorded. And the load-displacement hysteretic loops, shear behavior of the joint core, skeleton, curve, load-intersection angle hysteretic loops etc. of the test subassemblies were tested. Then the seismic behaviors such as the ductility, energy dissipation capacity, and strength and stiffness degradations were analyzed. The influential factors, such as the steel proportion, axial compression ratio and size of angle iron’s web member, on the mechanical performance of joints were discussed. The results indicate that the joints with SRC column RC beam encased steel truss have good ductility and energy dissipation capacity. It provides theoretical basis for engineering application of this kind of structures.

frame joint; reinforced concrete beam encased steel truss; ductility; energy dissipation capacity; seismic behavior；beam-column combined components

国家自然科学基金项目(51268005);广西自然科学基金项目(GXNSFAA019311)；湖南省“十二五”重点建设学科(机械设计及理论) (湘教发2011[76])

2015-09-28 修改稿收到日期：2015-11-16

杨立军 男，博士生，教授，1976年生

邓志恒 男，教授，博士，博士生导师，1963年生

TU398.9;TU317.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.22.003