方钢管再生混凝土柱-钢梁节点的抗震性能试验与影响因素分析

朱凯

(中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 710065)

张震

(安徽省外经建设集团有限公司，安徽 合肥 230051)

陈凯祥

(安徽建筑大学土木学院，安徽 合肥 230022)

方钢管再生混凝土柱-钢梁节点的抗震性能试验与影响因素分析

朱凯

(中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 710065)

张震

(安徽省外经建设集团有限公司，安徽 合肥 230051)

陈凯祥

(安徽建筑大学土木学院，安徽 合肥 230022)

为了研究方钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点在不同影响因素下的抗震性能，基于现行设计规范，以再生骨料取代率、粘结滑移、混凝土等级为设计变化参数，设计并制作了4根节点模型并进行了拟静力试验。详细观察了破坏过程，得到了实测滞回曲线。基于试验数据，详细分析了各设计变化参数对节点承载力、刚度、位移延性系数及耗能能力的影响程度。研究结果表明，各变化参数下的节点模型在破坏形态上都表现一致，均表现出钢梁翼缘的断裂破坏；不同再生骨料取代率对节点抗震性能影响不大；粘结滑移有否对节点抗震性能影响极小；混凝土等级越高，节点承载能力随之变大，但变形能力变差。研究成果可为方钢管再生混凝土柱-钢梁结构的推广和应用提供理论参考。

方钢管再生混凝土；框架节点；再生骨料取代率；粘结滑移；拟静力试验

再生混凝土技术的出现和运用无疑为解决废弃混凝土提供了一条新的想法和路径，如何在结构层次大规模应用再生混凝土已成为科研工作者研究的重点和难点[1～3]。钢管再生混凝土结构是将钢管内原先填充的普通混凝土置换成再生混凝土[4]。研究钢管再生混凝土结构的抗震性能以推动该类型结构的发展，对于解决大量废弃混凝土无疑具有十分重要的现实意义。

现阶段，大量学者研究的重点主要集中于方形、圆形、异形钢管混凝土结构以及方形、圆形钢管再生混凝土柱。李威[5]、周天华[6]、陈志华[7]、庄鹏[8]、许成祥[9，10]对常规截面(如圆形、方形)、异形截面(如T形、十字形)柱-钢梁框架节点的力学性能做了试验研究。张向冈[11，12]、张震[3]对圆形、方形钢管再生混凝土柱抗震性能进行了研究。现有的研究成果极少涉及到方钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点的抗震性能研究，尤其是不同设计参数对该类型节点抗震性能指标的影响程度更是无从知晓。

为此，笔者拟设计4根节点模型，选取再生骨料取代率、粘结滑移、混凝土等级为设计参数，考察这3种参数对节点的承载力、刚度、位移延性系数及耗能能力的影响。探究方钢管再生混凝土柱-钢梁节点在低周反复荷载下的抗震性能，评价该类型节点形式是否能在实际工程中推广使用[13]。

1 试验概况

1.1 设计概况

依据相关设计规范，按照“强节点弱杆件、强柱弱梁”的抗震设防要求设计制作了4根方钢管再生混凝土柱-钢梁框架节点模型，试件编号分别为JD-1、JD-2、JD-3、JD-4。节点模型详图见图1，采用外加强环构造形式，加强环厚度为6mm。除试件JD-4钢管内填充C50再生混凝土外，其余各试件均填充C40再生混凝土。其中，试件JD-3在浇筑混凝土前，先用钢丝刷将钢管内壁打磨干净，并涂刷一层环氧树脂，以达到钢管和混凝土之间不存在粘结滑移的目的。各试件的设计参数见表1。

图1 节点模型详图(单位；mm)

试件编号再生骨料取代率/%混凝土等级粘结滑移JD⁃150C40有JD⁃2100C40有JD⁃3100C40无JD⁃4100C50有

1.2 再生混凝土

所用的再生粗骨料均来自某拆除建筑，该建筑物建于上世纪80年代，因城市规划需要现已经被征收拆迁，该类型的再生粗骨料具有较好的代表意义。再生骨料取代率有50%、100%两类，其中取代率50%的混凝土质量配合比为465∶158∶538∶576∶576，取代率100%的混凝土质量配合比为465∶158∶538∶0∶1152。再生混凝土等级有C40、C50两类， C40、C50等级混凝土的立方体抗压强度分别为39.5、48.2N/mm2。

图2 加载示意图

1.3 加载系统

该试验采用拟静力加载系统。整个节点模型在高度为10m的L形反力墙-地面上完成，试验过程通过电脑微机控制，试验过程中可通过电脑控制暂停加载系统，以方便观察加载过程。节点模型加载方式采取柱顶端加载，作动器施加水平位移，作用于柱顶端。轴力通过千斤顶施加，滑车位于反力梁和千斤顶之间，可保证千斤顶随着作动器施加的位移而左右移动的同时其轴力保持恒定不变，加载示意图如图2所示。

图3 破坏形态图

1.4 破坏形态

各变化参数下的所有的节点在破坏形态上都表现一致，均表现出钢梁翼缘的断裂破坏，破坏形态图如图3所示。

2 滞回曲线

试验测得的滞回曲线如图4所示，横、纵坐标分别表示柱顶的水平荷载P及水平位移Δ。

图4 滞回曲线

由图4可知，所有试件的滞回曲线均较为饱满，其加载形成的滞回环从梭形逐步发展为弓形，形状大致接近，捏缩现象并未出现，滞回性能较为稳定，无异常。除试件JD-4以外，其余试件在达到极限荷载后，荷载缓慢下降，下降阶段比较平缓，而试件JD-4荷载下降幅度超过其极限荷载的15%，试件宣告破坏。这应该与试件再生混凝土等级较高有关，再生混凝土等级越高，试件达到的极限荷载越大，但混凝土变形能力变差，造成其整体模型荷载下降急速。

3 变化参数影响分析

定量分析再生骨料取代率、粘结滑移、混凝土等级这3个参数对节点抗震性能指标(如位移延性系数、特征点承载力、刚度及耗能能力)的影响，因定义当节点极限荷载下降幅度为15%时为试件的破坏荷载，破坏荷载对应的即为破坏位移，故对破坏点时的承载力及位移不予分析，只分析其余阶段特征点时的承载力及位移的变化情况。

3.1 再生骨料取代率对位移延性系数影响分析

不同再生骨料取代率下的位移延性系数变化规律如图5所示。由图5可知，再生骨料取代率50%、100%对应的为试件JD-1、JD-2，其位移延性系数分别为3.27、3.22。随着取代率从50%增大到100%，试件的位移延性系数下降了1.53%，下降幅度极小，可忽略不计。可见，试件的位移延性系数随再生骨料取代率变化极小，可大致认为再生骨料取代率对位移延性系数无影响。节点的位移延性系数均超过了3.0，满足结构对延性的要求。基于实际工程对位移延性系数的需求，再生骨料取代率为50%、100%的再生混凝土可用于方钢管再生混凝土柱-钢梁结构的框架中。

3.2 再生骨料取代率对特征点承载力及位移影响分析

不同再生骨料取代率下的特征点承载力变化规律如图6所示，不同再生骨料取代率下的特征点位移变化规律如图7所示。

由图6可知，随着再生骨料取代率从50%增加到100%，其屈服点、极限点的荷载分别降低了3.84%、6.76%。从总体上看来，不同阶段的承载力变化幅度在5%左右，变化幅度不大，即取代率为50%、100%时对试件特征点承载力影响很小。这应该是因为再生骨料取代率为50%、100%时，其混凝土等级都为C40，再生骨料制作过程中的损伤很小，对混凝土性能影响较小。

由图7可知，随着再生骨料取代率从50%增加到100%，其屈服点、极限点、破坏点的位移分别降低了2.93%、1.52%、4.41%。说明随着再生骨料取代率的增大，试件在不同特征点阶段的位移均有所降低，但都在5%以内，表明100%取代率下试件的变形能力较50%取代率试件有所降低，但仍较为接近。

图5 位移延性系数随取代率的变化规律 图6 特征点承载力随取代率的变化规律

3.3 再生骨料取代率对刚度影响分析

特征阶段刚度随取代率的变化规律如图8所示。

图7 特征点位移随取代率的变化规律 图8 特征阶段刚度随取代率的变化规律

由图8可知，随着再生骨料取代率从50%增加到100%，试件在弹性阶段、屈服点、极限点、破坏点的刚度分别降低了3.29%、0.93%、8.16%、2.47%。其中，在极限点处刚度变化情况最大，达到了8.16%，其余阶段刚度变化情况均较小，尤其是达到破坏点时，刚度变化幅度在2.47%，小于5.0%。说明试件在不同阶段的刚度变化不大。基于实际工程对节点刚度的需求，再生骨料取代率为50%、100%的可用于实际钢管再生混凝土柱-钢梁框架结构中。

3.4 再生骨料取代率对耗能能力影响分析

当评价结构耗能能力时，等效黏滞阻尼系数与总耗能经常被选取用来评价分析。等效黏滞阻尼系数用的是试件破坏前一个滞回环相关数据计算得出，总耗能指的是所有滞回环总面积之和。因加载历程都不一样，故选取这2个指标予以分析。特征阶段等效黏滞阻尼系数和总耗能随取代率的变化规律如图9、图10所示。

图9 特征阶段等效黏滞阻尼系数随取代率的变化规律 图10 特征阶段总耗能随取代率的变化规律

由图9、图10可知，随着再生骨料取代率的增大，试件在屈服点、极限点以及破坏点时等效黏滞阻尼系数分别下降了5.09%、5.64%、2.78%，总耗能分别下降了14.77%、6.20%、6.04%。可见，越到加载后期，试件的耗能能力下降幅度越小，说明越到加载后期，其耗能能力越接近，表明所选的不同再生骨料取代率对耗能能力影响较小。基于实际结构工程对耗能能力的要求，再生骨料取代率为50%、100%可用于方钢管再生混凝土柱-钢梁框架中。

3.5 粘结滑移对位移延性系数影响分析

位移延性系数随粘结滑移的变化规律如图11所示。从图11可知，没有粘结滑移的试件JD-3的位移延性系数为3.15，较试件JD-2下降了2.17%，下降幅度极小，可忽略不计。说明有无粘结滑移对试件的位移延性系数影响极小。

3.6 粘结滑移对特征点承载力及位移影响分析

特征点承载力、位移随粘结滑移的变化情况如图12、图13所示。

图11 位移延性系数随粘结滑移的变化规律 图12 特征点承载力随粘结滑移的变化规律

由图12、图13可见，无粘结滑移的试件JD-3较有粘结滑移的试件JD-2在屈服点、极限点的承载力分别下降了10.87%、7.82%，在屈服点、极限点、破坏点的位移分别下降了6.71%、0.66%、5.74%，表明粘结滑移对试件的承载力有一定程度影响，尤其是对屈服阶段时承载力影响较大。其次，粘结滑移对特征点位移影响不大，尤其对极值点时的极限位移影响更小，表明是否有粘结滑移不影响试件的抗倒塌能力。总体上，粘结滑移与否对试件在特征点阶段承载力及位移影响较小。

3.7 粘结滑移对刚度影响分析

图14为特征阶段刚度随粘结滑移的变化规律。由图14可知，无粘结滑移试件JD-3在不同阶段时的刚度均小于有粘结滑移试件JD-2，且刚度随着不同阶段的增加而逐渐降低，无明显突变异常现象。试件JD-3较试件JD-2在弹性阶段、屈服点、极值点、破坏点的刚度分别降低了5.90%、4.46%、7.20%、2.24%。可见，粘结滑移对试件不同阶段的刚度影响并未出现明显统一的规律，且下降幅度均较小，尤其是到破坏点时，下降幅度仅2.24%，表明粘结滑移对试件刚度的影响也较小。

图13 特征点位移随粘结滑移的变化规律 图14 特征点刚度随粘结滑移的变化规律

3.8 粘结滑移对耗能能力影响分析

特征阶段等效黏滞阻尼系数及总耗能随粘结滑移的变化规律如图15、图16所示。

由图15、图16可见，随着特征阶段不断延续，试件的等效黏滞阻尼系数及总耗能均不断增长，表明随着加载的持续，越到加载后期耗能能力越好。有无粘结滑移其耗能能力还有些许差别，但差别极小。无粘结滑移试件JD-3较有粘结滑移试件JD-2在屈服点、极限点以及破坏点时等效黏滞阻尼系数分别下降了8.47%、7.06%、2.29%，总耗能分别下降了9.99%、4.36%、2.19%。越到加载后期，下降幅度越小，耗能能力越接近。总体上看来，有无粘结滑移对试件的耗能能力影响甚微。

图15 特征阶段等效黏滞阻尼系数随粘结滑移的变化规律 图16 特征阶段总耗能随粘结滑移的变化规律

3.9 混凝土等级对位移延性系数影响分析

位移延性系数随混凝土等级的变化规律如图17所示。由图17可知，试件JD-2、JD-4的位移延性系数分别为3.22、2.85。随着混凝土等级的提高，试件JD-4的位移延性系数反而下降了11.49%。这是因为混凝土等级高的试件历经的损伤更大，从极限荷载到破坏荷载过程中经历的变形减小，导致延性性能出现了降低。

3.10 混凝土等级对特征点承载力、位移影响分析

特征点承载力、位移随混凝土等级的变化情况如图18、图19所示。由图18、图19可知，随着混凝土等级的提高，试件在屈服点、极限点、破坏点的承载力也随之增大，但在特征点位移方面没有表现出明显的变化规律。即试件JD-4较试件JD-2在屈服点、极限点的承载力分别提高了10.73%、12.40%，但在屈服点、极限点、破坏点的位移分别提高了8.71%、7.35%、-0.04%。换言之，混凝土等级的提高有利于提高节点的抗倒塌能力，但对试件的延性性能不利，降低了试件的延性。

图17 位移延性系数随混凝土等级的变化规律 图18 特征点承载力随混凝土等级的变化规律

3.11 混凝土等级对刚度影响分析

特征点刚度随混凝土等级的变化规律如图20所示。由图20可知，试件JD-4在不同阶段时的刚度均大于试件JD-2，且刚度到加载后期逐渐降低，无异常突变情况。试件JD-4较试件JD-2在弹性阶段、屈服点、极值点、破坏点的刚度分别提高了3.68%、1.86%、4.69%、16.91%。可见，刚度对于混凝土等级的变化变现较为敏感。尤其是在破坏点时刚度提高程度竟达到了16.91%，这是由于混凝土等级的增大提高了试件的水平承载力，但峰值荷载过后，试件损伤加剧、破坏突然、破坏位移均较小所导致。

图19 特征点位移随混凝土等级的变化规律 图20 特征点刚度随混凝土等级的变化规律

3.12 混凝土等级对耗能能力影响分析

特征阶段等效黏滞阻尼系数及总耗能随混凝土等级的变化规律如图21、图22所示。由图21、图22可知，随着加载的不断延续，试件JD-2的等效黏滞阻尼系数及总耗能不断提升。混凝土等级的不同对试件耗能能力的影响较大，混凝土等级为C50试件JD-4较等级为C40试件JD-2在屈服点、极值点以及破坏点时等效黏滞阻尼系数分别下降了6.34%、4.89%、4.57%，下降幅度基本在5%左右，下降幅度较小。因试件JD-2与试件JD-4加载路径不一致，若单纯从等效黏滞阻尼系数来评价混凝土等级的影响，则显得不是很全面，还应从总耗能的角度来予以评价。试件JD-4较试件JD-2在屈服点、极值点以及破坏点时总耗能分别下降了22.41%、17.86%、12.89%，可见，混凝土等级的提高降低了试件的耗能能力。

图21 特征阶段等效黏滞阻尼系数随粘结滑移的变化规律 图22 特征阶段总耗能随粘结滑移的变化规律

4 结论

选择再生骨料取代率、粘结滑移、混凝土等级为设计变化参数，通过对4根方钢再生混凝土柱-钢梁框架节点的拟静力试验，定量分析了设计变化参数对抗震性能指标的影响变化规律，主要得到了以下结论：

1)各变化参数下的节点模型在破坏形态上都表现一致，均表现出钢梁翼缘的断裂破坏。

2)试件的滞回曲线丰满，表现稳定，加载过程中逐步从弓形发展到梭形，说明该类型节点具有良好的抗震性能。

3)选取的50%、100%的再生骨料取代率对节点的抗震性能指标影响程度较小，基于实际工程对延性、承载力、刚度及耗能能力的要求，再生骨料取代率50%、100%的混凝土均可用于方钢管再生混凝土柱-钢梁框架结构中。

4)粘结滑移对节点各项抗震性能指标影响程度也很小，即粘结滑移对节点抗震性能不产生明显影响。

5)混凝土等级的增大，有利于节点达到更大的承载力，但对节点的延性不利，使得节点的后期变形能力降低。

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[编辑] 计飞翔

2016-11-16

住房和城乡建设部科技计划项目(2014-K2-021)。

朱凯(1990-)，男，硕士，现主要从事结构工程抗震方面的研究工作，1879025407qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2017)01-0059-08

[引著格式]朱凯,张震,陈凯祥.方钢管再生混凝土柱-钢梁节点的抗震性能试验与影响因素分析[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(1)：59～66.