钢管再生混凝土柱钢梁框架边节点恢复力模型研究

唐榕 (合肥市市政工程管理处，安徽 合肥 230022)

张阳阳 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)

朱凯 (中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 710065)

唐榕 (合肥市市政工程管理处，安徽 合肥 230022)

张阳阳 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)

朱凯 (中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 710065)

通过对2个矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架边节点在低周反复荷载下进行的拟静力试验，分析了不同再生骨料取代率对节点抗震性能的影响，建立了该种类型节点的恢复力模型。研究结果表明，该类型节点滞回曲线饱满，拥有较好的抗震性能；不同再生骨料取代率对试件特征点的荷载影响不大，说明再生骨料取代率对节点抗震性能影响较小；建立的恢复力模型骨架曲线和滞回曲线与试验实测的具有较高的吻合度，可供矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架结构的弹塑性地震反应分析参考；矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架边节点具有良好的抗震性能，可以在高烈度抗震设防区域中的高层建筑中推广使用。

矩形钢管再生混凝土；再生骨料取代率；框架节点；恢复力模型；拟静力试验

钢管混凝土柱-钢梁框架节点的结构形式已成为钢管混凝土框架结构中的一种重要结构形式，该类结构不仅具有承载力高、变形能力好等优点，且可以在施工过程中节约资金，加快施工进度，已成为逐步受到住户青睐的一种结构形式。再生混凝土指的是，将废弃混凝土经过破碎、分级，制作成再生骨料，再将再生骨料制备成混凝土。再生混凝土技术的运用可以使废弃混凝土变废为宝，符合可持续发展战略。

将再生混凝土填入钢管中，可形成钢管再生混凝土。目前，众多国内外学者[1～5]对钢管再生混凝土柱、钢管再生混凝土节点、钢管再生混凝土框架进行了抗震性能试验研究，而关于钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点的抗震性能研究则较少。恢复力模型是进行非线性地震反应的基础，只有合理确定恢复力模型才能正确进行结构分析。研究钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点恢复力模型可以深入了解低周反复荷载下节点内力的弹塑性变形能力、承载力和刚度退化等规律。白国良[6]研究了再生混凝土梁柱节点恢复力模型，张向冈[7]陆续对圆形钢管再生混凝土柱和钢管再生混凝土框架进行了恢复力模型研究。除此之外，关于钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点恢复力模型的研究尚未检索到相关文献。因此，通过2根矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架节点的拟静力试验[8]，笔者分析了不同再生骨料取代率对节点抗震性能的影响，得到了骨架曲线，再依据骨架曲线及滞回规则，建立起矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架节点的恢复力模型。

1 试验概况

1.1 试件设计

依据《建筑抗震试验方法规程》，节点试件按实际尺寸选取1/2缩尺模型，采用外加强环构造形式，柱截面尺寸为150mm×150mm，钢管的厚度为3.5mm，采用方形空心钢管。整个柱高1682mm，梁长度1365mm，工字形钢梁采用3块钢板全融透焊接，焊缝质量要求与钢材等强。柱底部和工字形钢梁设置部分加劲肋以保证整个试件的稳定性，试件几何构造尺寸见图1。钢管内填充C40等级混凝土，同批次浇筑成型。共有2根试件，编号分别为试件JD-1、JD-2，其再生骨料取代率分别为50%、100%。

图1 试件几何构造尺寸(单位：mm)

图2 加载示意图

1.2 加载装置及加载设置

采用作动器提供低周反复荷载，千斤顶提供竖直轴力。加载示意图见图2，将试件柱底部固定在可以转动的铰支座上，铰支座下部又可以和刚性地面固定，梁端用链杆和铰支座相连。千斤顶和反力梁中间放置滑车，以保证加载过程中试件可以平行移动。加载方式采用位移加载，试件屈服前循环1次，屈服后循环3次。

2 试验结果及分析

2.1 破坏过程

试件在加载过程中，首先在梁端出现塑性铰，随着加载的进行，塑性铰不断形成，最后塑性铰产生较大残余变形使得梁端出现断裂。观察柱端和节点核心区域，未发现明显破坏现象。观察实测应变值可知，梁端应变在加载过程中早已超过屈服应变，有些应变值甚至溢出，而节点核心区和柱段的应变值均未超过屈服应变，说明设计的节点满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震设防目标。

2.2 滞回曲线

2个试件的滞回曲线见图3。从图3可以发现，2个试件滞回曲线相差较小，大致形状相同。试件JD-1的滞回曲线略大于试件JD-2，说明再生骨料取代率为50%的试件抗震性能略好于取代率为100%的试件，但总体上看，二者相差不大，说明再生骨料取代率对该类型节点的抗震性能影响较小。另外，2个滞回曲线对称较好，且滞回环呈现出梭形，曲线饱满，表明该类型节点具有较好的耗能性能。

图3 滞回曲线

2.3 骨架曲线

图4 骨架曲线

2个试件的骨架曲线见图4。从图4可知，2根试件在达到极限荷载前，其骨架曲线基本呈现出直线的变化，无明显可见的屈服点。试件JD-1的极限承载力要高于试件JD-2，且极限荷载过后，在下降段时2根试件的骨架曲线有分离，表明试件出现了强度和刚度退化现象。总体看来，2个骨架曲线大体接近，说明再生骨料取代率对其影响较小。

2.4 荷载特征值及延性

在工程结构抗震中，一般会选取位移延性系数来评价和衡量构件的延性性能。其计算方法为，在构件保持基本承载力的前提下，选取破坏位移与屈服位移的比值来表示试件的位移延性系数μ。选用“几何作图法”计算出各试件的屈服位移Δy，而破坏位移Δu即为破坏荷载Pu对应的位移，破坏荷载Pu取极限荷载Pmax下降15%时对应的荷载。2根试件在不同阶段下的特征荷载、对应的位移值及位移延性系数μ见表1；不同再生骨料取代率下各极值荷载值及对应的位移值如图5、图6所示；不同再生骨料取代率对延性性能的影响见图7。

从表1、图4及图5可知，2根试件JD-1、JD-2的位移延性系数分别为3.27和3.22，十分接近，说明不同再生骨料取代率对试件的延性影响极小。不同工作阶段下2根试件的屈服荷载、极限荷载和破坏荷载也极为接近，且屈服、极限、破坏荷载所对应的屈服位移、极限位移及破坏位移也较为接近，差别极小，这说明不同再生骨料取代率对各工作阶段的极限荷载值及位移值影响也较小。总体来说，不同再生骨料取代率对试件的荷载值和延性性能不产生明显的影响。

图5 特征点荷载值 图6 特征点位移值

试件编号屈服阶段Py/kNΔy/mm极限阶段Pmax/kNΔmax/mm破坏阶段Pu/kNΔu/mm位移延性系数μJD-143.5217.0492.8541.5278.9355.753.27JD-241.8516.5486.5742.1573.5853.293.22

图7 不同再生骨料取代率的影响 图8 等效黏滞阻尼系数

2.5 耗能性能

等效黏滞阻尼系数he常被用来描述结构在地震下的耗能能力，其值越大，表明耗能能力越好[9～11]。除弹性阶段外，将不同位移下对应的he的绘制于同一图中，不同位移下的等效黏滞阻尼系数见图8。

从图8可知，随着加载位移的不断加大，等效黏滞阻尼系数也不断增大，说明试件越到加载后期耗能能力越好。再生骨料取代率为50%试件JD-1的等效黏滞阻尼系数在不同加载阶段均略大于取代率为100%的试件JD-2，但其趋势均大体一致，较为接近，说明不同再生骨料取代率对该类型节点的耗能能力也无显著的影响。

3 建议的节点恢复力模型

为了在抗震设防区推广矩形钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点的运用，并对组合结构进行弹塑性地震反应分析，十分有必要建立起该种类型节点的恢复力模型，而恢复力模型主要包含骨架曲线和滞回规则。

3.1 骨架曲线

依据2根节点试件的骨架曲线，建议选取三线型的恢复力模型，如图9所示。

图9 三线型恢复力模型

1)弹性工作段。从试验实测数据点可知，骨架曲线未出现明显的屈服点，这主要是因为矩形钢管选用的是薄壁冷弯钢管。为简化计算，可以把节点屈服之前的骨架曲线予以简化，简化成为原点与屈服点的连线，见图9中OD、OC段,该阶段的刚度为K1=Py/Δy。

2)强化工作段。加载过程中，试件在屈服后会出现比较明显的强化工作阶段。强化段可以简化成将屈服点D和极限荷载点E的直线DE。该阶段的刚度K3=(Pmax-Py)/(Δmax-Δy)。

3)强度退化工作段。加载超过极限荷载点后，试件会进入强度退化段。该阶段的刚度退化率为：αJD-1=0.428，αJD-2=0.415。

3.2 卸载刚度

1)正向卸载刚度。将点1和点2中所有点进行拟合线性回归分析，可得到1、2点的直线斜率K2。正向卸载刚度回归方程可表示为：

(1)

式中，Δ为卸载点位移；Δu为破坏点位移。

(2)

3.3 恢复力模型

将试验测得的滞回曲线及骨架曲线模型进行组合，可建立起适用于所研究的矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架边节点的恢复力模型，对该恢复力模型进行如下说明：

1)D、C点分别为正向、负向屈服点，E、B点分别为正向、负向极值点，F、A点分别为正向、负向破坏点。对应的，OD、OC段分别为正向、负向弹性段，DE、CB段分别为正向、负向屈服段，EF、BA段分别为正向、负向破坏段。

3.4 恢复力模型与试验结果的对比

将得到的恢复力模型用以计算所研究的框架节点，获得了计算滞回曲线，并与试验所得结果进行对比，如图10所示。

从图10可知，计算得到的滞回曲线与实际测得的滞回曲线有一定的吻合度，尤其是计算得到曲线的骨架曲线和实测骨架曲线吻合较好，表明研究建立起的恢复力模型可很好反应出矩形钢管再生混凝土柱-钢梁框架边节点在低周反复荷载下的荷载和位移的关系，建立的恢复力模型可用于该类型节点的弹塑性地震反应分析。

图10 节点恢复力模型计算曲线与实测曲线对比

4 结论

通过对2根再生骨料取代率分别为50%、100%的矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架边节点的拟静力试验研究，对比分析了2根试件的抗震性能，并建立起了适合该类型节点的恢复力模型，可以得到以下结论：

1)矩形钢管再生混凝土柱-工字型钢梁框架节点在加载过程中，梁端形成塑性铰，满足“强柱弱梁、强节点、弱杆件”的延性抗震设防目标，且该类型节点具有较好的抗震性能，可在抗震设防区用于工程实践。

2)不同再生骨料取代率对试件的特征位移、特征荷载、延性性能及耗能能力影响均很小，说明再生骨料取代率对该类型节点的抗震性能不产生明显影响。

3)通过对节点试件滞回特性的分析，建立起了适合该类型节点的恢复力模型，建立的恢复力模型计算出的滞回曲线与实测滞回曲线具有较好的吻合度，可用于该类型组合节点的弹塑性地震反应分析。

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[编辑] 计飞翔

2016-07-10

住房和城乡建设部科技计划项目(2014-K2-021)。

唐榕(1992-)，男，工程师，现主要从事结构工程抗震方面的研究工作；通信作者：朱凯，1879025407@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)31-0067-06

[引著格式]唐榕，张阳阳，朱凯.钢管再生混凝土柱-钢梁框架边节点恢复力模型研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(31)：67～72.