带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点滞回性能试验研究

戎 贤，杨洪渭，张健新

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401)

0 引 言

建筑产业现代化的理念为绿色发展。与现浇混凝土结构相比，装配式混凝土结构更为切合建筑产业现代化的内涵，并已成为新型建筑工业化发展的重要方向之一[1，2]。国内外学者对装配式混凝土结构及构件进行了大量的研究，取得了一定的研究成果[3-8]。然而，目前所应用的装配式混凝土框架结构尚存在施工建造不便及适用性不足等问题，使其优势无法得到充分发挥[9-10]。由于装配式混凝土框架结构中梁柱中节点的连接方式是影响整体结构抗震性能的核心受力部位，笔者结合钢结构中节点的连接特点，提出了带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点连接方式，并对其进行滞回性能试验研究。研究表明，带钢端头的新型装配式混凝土梁柱中节点抗震性能良好。

1 试验概况

1.1 中节点试件

共设计3个装配式梁柱中节点试件，分别编号ZGJ-1、ZGJ-2和ZGJ-3。3个试件的截面尺寸相同，梁柱配筋形式相同，如图1；连接如图2。

图1 中节点ZGJ-1, ZGJ-2, ZGJ-3试件配筋

图2 中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3连接

梁柱中节点试件采用C45混凝土，混凝土轴心抗压强度Rc=31.17 MPa，轴心抗拉强度Rt=2.82 MPa。纵筋采用HRB600钢筋，箍筋采用HRB400钢筋，型钢采用Q235钢材，型钢连接采用10.9级高强螺栓。钢筋和钢板材料力学性能试验结果如表1。

表1 钢筋和钢板力学性能指标

新型装配式混凝土梁柱中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的预制柱和预制梁内分别预埋钢连接件。预制柱内纵筋在中节点核心区截断，分别焊接于上下水平连接板处，预制梁内纵筋焊接于钢端头，焊接长度满足钢筋锚固要求。试件ZGJ-1预制梁内钢端头长度为300 mm，预制柱中上下水平连接板之间设置腹板；试件ZGJ-2预制梁内钢端头长度为300 mm，预制柱中上下水平连接板之间未设置腹板；试件ZGJ-3预制梁内钢端头长度为200 mm，预制柱中上下水平连接板之间未设置腹板。预制梁和预制柱通过焊接和高强螺栓连接进行拼装。

1.2 加 载

试验加载装置如图3。柱下端采用球铰支座，柱顶为单向铰支座。试验时由千斤顶对柱顶施加460 kN恒定轴压力。梁两端分别放置伺服作动器，用于施加低周反复荷载。试验采用荷载/位移混合加载控制方法。荷载控制加载时，每级荷载循环1次；屈服后采用位移控制，每级荷载循环3次；当荷载减小为极限荷载的85%时，试件破坏。

图3 加载装置

2 试验现象

装配式混凝土梁柱中节点的破坏形态如图4。

图4 中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的破坏形态

从图4可以看出：

1)3个带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点最终破坏形态为核心区混凝土保护层大面积剥落，箍筋和纵筋裸露，发生中节点核心区剪切破坏。

2)中节点ZGJ-2比中节点ZGJ-3核心区混凝土剥落程度轻，梁端裂缝数量多而密。可见增加梁内预埋钢端头长度能够改善装配式混凝土梁柱中节点的破坏形态。

3)中节点ZGJ-1与中节点ZGJ-2相比，由于承受高约40kN的极限荷载和高约30mm的破坏位移，导致中节点ZGJ-1核心区承受剪力更大，混凝土保护层剥落更为严重，梁端的裂缝更为密集。表明水平连接板间设置腹板的中节点由于承受较大剪力而发生的中节点核心区剪切破坏较为严重。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

装配式混凝土梁柱中节点的荷载-位移(P-Δ)滞回曲线如图5。

图5 中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3荷载-位移(P-Δ)滞回曲线

从图5可以看出：

1)在加载初期，3个装配式混凝土梁柱中节点构件均处于弹性工作阶段，卸载后，中节点试件基本无残余变形，说明加载初期中节点刚度退化并不明显；随着荷载的增加，滞回环所包围的面积逐渐增大，说明中节点的耗能能力不断增加；试件屈服后，随着荷载增加，试件变形增长较快，残余变形越来越大；极限荷载后，滞回曲线向位移轴倾斜，中节点的强度和刚度退化加剧。

2)装配式混凝土梁柱中节点ZGJ-1比中节点ZGJ-2和ZGJ-3的滞回环面积大，滞回曲线饱满，表明水平连接板间设置腹板的中节点ZGJ-1的抗震性能好。

3)中节点ZGJ-2和ZGJ-3的滞回曲线形状基本一致，而中节点ZGJ-2比中节点ZGJ-3的滞回曲线饱满程度大，表明滞回性能更好。

3.2 骨架曲线

装配式混凝土梁柱中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的骨架曲线如图6。

图6 中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的骨架曲线

从图6可以看出：

1)中节点构件屈服前，3个装配式混凝土梁柱中节点在加载过程中骨架曲线变化趋势一致，骨架曲线呈线性关系，中节点构件处于弹性工作状态，骨架曲线基本重合。

2)随着荷载的增加，中节点构件的骨架曲线斜率逐渐降低，进入弹塑性工作状态，中节点构件的骨架曲线差异较大。

3)极限荷载后，水平连接板间腹板设置与否对中节点构件的骨架曲线下降段影响较为明显。设置腹板的中节点ZGJ-1的骨架曲线极限荷载较大，下降段较为缓慢，破坏位移较大，表现出较好的承载能力、变形能力和延性性能。

4)与ZGJ-3相比，中节点ZGJ-2的极限荷载更大，骨架曲线下降段更缓慢，承载能力和延性性能更好。

3.3 刚度退化

装配式混凝土梁柱中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的刚度退化曲线如图7。

图7 中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的刚度退化曲线

从图7可以看出：

1)加载前期，3个装配式混凝土梁柱中节点的刚度退化曲线较为陡峭，说明中节点试件刚度退化较快。

2)当中节点构件进入塑性阶段后，随着位移的增加，中节点构件的刚度逐渐降低，刚度退化速率减慢，由于装配式混凝土中节点钢端头等钢连接件的作用，中节点加载后期的承载能力和变形能力亦较高。中节点ZGJ-1的刚度退化曲线最缓慢，中节点ZGJ-2比中节点ZGJ-3的刚度退化曲线缓慢，说明设置腹板、增加梁内预埋钢端头长度能够减缓中节点的刚度退化。

3.4 耗能能力

装配式混凝土梁柱中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的等效黏滞阻尼系数-位移(he-Δ)曲线如图8。

图8 中节点ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3等效黏滞阻尼系数-位移(he-Δ)曲线

从图8可以看出：

1)水平连接板间腹板设置与否对中节点构件的等效黏滞阻尼系数影响显著。屈服后，设置腹板的中节点ZGJ-1的等效黏滞阻尼系数he=0.10 ～ 0.25，未设置腹板的中节点ZGJ-2和ZGJ-3的等效黏滞阻尼系数he<0.1。可见，水平连接板间设置腹板能够有效提高带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点耗能能力。

2)带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点构件ZGJ-2和ZGJ-3的等效黏滞阻尼系数he相差不大，表明梁内预埋钢端头长度对中节点的耗能能力影响效果不显著。

4 结 论

1)带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点发生核心区剪切破坏，增加梁内预埋钢端头长度能够改善装配式混凝土梁柱中节点的破坏形态，水平连接板间设置腹板的中节点核心区剪切破坏较为严重。

2)水平连接板间设置腹板能够提高带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点承载能力、变形能力以及耗能能力，减缓中节点的刚度退化，从而提高节点的滞回特性。

3)增加梁内预埋钢端头长度能够改善带钢端头的装配式混凝土梁柱中节点的滞回性能，减缓中节点的刚度退化，提高承载能力和变形能力。