不同构造对装配式钢管再生混凝土框架节点抗震性能的影响研究*

边瑾靓，曹万林，张宗敏，叶涛萍,3

(1 北京工业大学城市建设学部, 北京 100124； 2 天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室， 天津 300384； 3 中建二局第一建筑工程有限公司， 北京 100176)

0 引言

钢框架结构自重轻，抗震性能好，装配化程度高，广泛应用于装配式建筑中[1]。方钢管柱截面相较于H型钢柱，各向几何尺寸相同，抗弯承载力在各方向能力相同。相较于圆钢管柱，方钢管柱与墙板连接更为简便，因此对于装配式钢框架结构，方钢管柱是较好的选择。方钢管中灌入混凝土后形成的钢管混凝土柱具有承载能力高、塑性好等优点而得到了广泛应用[2]。方钢管混凝土柱与钢梁存在多种的连接方式：内隔板节点、外隔板节点、隔板贯通节点、直板连接型节点、顶底角钢节点、贯穿螺栓节点和盲孔螺栓节点等。节点构造以及抗震性能对于结构安全性尤为重要。

国内外学者对方钢管柱节点进行了大量的研究。周天华等[3]对方钢管混凝土柱-工字形梁节点破坏特征以及抗震性能进行了研究，并给出了设计建议。张爱林等[4]提出了装配式方钢管柱-桁架梁节点，对该节点进行单调加载试验，研究其破坏模式和受力性能。Jiang J M等[5]对钢管混凝土双直板连接型节点进行了试验研究，建立了非线性有限元模型，对节点弯矩-转角关系以及破坏特征进行了验证。Cao S等[6]提出了一种新的节点构造形式，这种节点采用上环板、下横隔板的形式与梁的上下翼缘进行连接，并进行了低周反复荷载试验。研究表明新型节点滞回曲线饱满，延性和耗能能力较好。

笔者课题组[7-9]将再生混凝土内填于薄壁方钢管梁柱中，提出了装配式轻型钢管再生混凝土框架-复合墙结构，并对该结构体系进行了抗震性能试验研究。以往方钢管混凝土梁柱节点多针对于高层结构，而高层钢管混凝土梁柱节点构造较为复杂，对于构件尺寸较小的轻钢结构，过于复杂的节点增加了施工的难度[10]，过强的节点设置不利于住宅经济性要求，造成资源的浪费。为丰富低层轻钢框架结构的节点形式，探究薄壁方钢管再生混凝土梁柱节点的抗震性能，基于以往高层结构梁柱节点研究，提出了8种不同构造的装配式钢管再生混凝土框架节点。对8个试件进行低周反复荷载试验，研究不同构造对装配式钢管再生混凝土框架节点抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计制作了8个装配式方钢管再生混凝土梁柱节点试件，梁、柱截面均选用100mm×100mm×4mm方钢管，并内填再生混凝土。不同节点构造以及详细尺寸见图1，主要设计参数见表1。

焊接型节点：梁直接通过焊接方式与柱进行连接，如图1(a)所示。双直板连接型节点：柱节点区左、右两侧焊接直板连接板，梁与连接板通过螺栓进行装配连接，如图1(b)所示。三直板连接型节点：柱节点区上、下、右三侧焊接三个直板连接板，梁与连接板通过螺栓进行装配连接，如图1(c)所示。

试件主要设计参数 表1

双L形节点：参考钢管混凝土顶底角钢节点，设计了L形连接板并与柱节点区上下侧进行焊接，L形连接板与梁通过螺栓进行装配连接。为增强节点转动刚度以及承载能力，基于双L形节点，通过焊接不同尺寸、数量的三角加劲肋，提出了不同的双L形带加劲肋节点构造形式，如图1(e)～(h)所示。SL-1试件和SL-2试件三角加劲肋高度为70mm，SL-1试件为单三角加劲肋，SL-2试件为双三角加劲肋。SL-3试件和SL-4试件三角加劲肋高度为150 mm，SL-4试件是在SL-3试件基础上附加了一根直径为16 mm的钢筋，如图1(h)所示。试件所用连接板及三角加劲肋厚度均为6 mm。

图1 试件尺寸

节点试件梁柱内填再生混凝土，粗骨料取代率为100%，实测混凝土抗压强度为43.4 MPa，弹性模量为3.02×104MPa，再生混凝土配合比如表2所示。再生粗骨料粒径为5～10mm，含水率为3.92%，再生粗骨料物理性能如表3所示。梁柱以及连接板钢材力学性能指标如表4所示。

再生混凝土配合比/(kg·m-3) 表2

再生粗骨料物理性能 表3

实测钢材的力学性能 表4

1.2 试验装置及加载制度

设计了一种用于研究轻钢框架梁柱节点受力性能的试验装置，见图2。通过柱端卡槽、盖板以及螺栓对柱端进行约束。长孔螺栓槽用于将试验装置固定在万能力学试验机上，并对加载点进行调整。通过万能力学试验机加载梁的上、下往复运动，实现对装配式框架梁柱节点的抗震性能研究。

图2 试验装置

采用荷载-位移加载制度，如图3所示。试件加载屈服前，采用荷载控制并分级加载，每级荷载往复加载两次。试件屈服后采用位移控制，位移值取试件屈服最大位移值，并以该位移值的倍数为级差进行控制加载。当试件承载力下降为峰值荷载的85%时，终止加载，对应的荷载作为破坏荷载。

图3 加载制度

1.3 测点布置

试件加载点以及位移计布置如图4(a)所示。加载点距离柱表面L=523 mm，共布置了7个位移传感器，编号D1～D7，用于记录梁和柱的位移变化。应变片主要在节点域受力最大处布置，以焊接型节点为例，应变片布置如图4(b)所示，应变片编号为1～14。

图4 位移计和应变片布置

2 试验结果及分析

2.1 破坏特征

HJJ试件破坏特征为梁柱连接处焊缝受力破坏，破坏时无明显征兆，如图5(a)所示。LBJ试件受力后，节点区域梁与连接板相对变形较大。连接板螺栓孔处钢材受拉屈服，出现颈缩现象。当荷载到达承载力峰值时，螺栓孔上方钢板被拉断，承载力下降，如图5(b)所示。SBJ试件破坏特征为节点域上、下连接板与柱焊缝受力破坏，侧面连接板无明显破坏现象，如图5(c)所示。

图5 破坏特征

SL-0试件破坏特征为L形连接板与柱焊缝受力破坏，焊缝随后开裂延伸，如图5(d)所示。SL-1和SL-2试件破坏特征均为L形连接板与柱焊缝受力破坏，三角加劲肋与L形连接板焊缝撕裂，如图5(e)，(f)所示。SL-3试件破坏特征为L形连接板转角处受拉断裂，三角加劲肋将L形连接板拉断，三角加劲肋受压屈曲，如图5(g)所示。SL-4试件破坏特征为L形连接板与柱焊缝受力破坏，三角加劲肋将L形连接板拉断。由于附加了钢筋，三角加劲肋并未出现受压屈曲现象，如图5(h)所示。

2.2 抗震性能

通过公式(1)，(2)对试验数据进行处理：

M=F×L

(1)

θ=Δ/L

(2)

式中：M为弯矩；F为竖向荷载；L为加载点到柱表面距离；θ为试件转角；Δ为加载点竖向位移。

试件弯矩(M)-转角(θ)滞回曲线，如图6所示。从图6(a)可以看出HJJ试件承载力较低，滞回曲线不饱满。梁柱焊缝撕裂后，试件承载力迅速下降，延性较差。图6(b)，(c)为两种不同的直板连接型梁柱节点，LBJ试件峰值荷载与SBJ试件相近，但LBJ滞回曲线饱满，抗震耗能能力较强。

图6(d)～(h)为双L形连接节点以及不同构造双L形带加劲肋节点。SL-0试件承载力较低，当双L形连接节点附加三角加劲肋后，显著提高了节点的承载力及耗能能力。不同构造装配式节点中， SL-3试件承载能力较高，滞回曲线饱满，当附加上钢筋后(SL-4)，其延性得到了较大的改善。

图6 试件弯矩-转角滞回曲线

μ=θ0.85m/θy

(3)

图7 骨架曲线

图8 名义屈服位移计算示意

图9 试件延性系数

通过式(3)对试件变形能力进行分析，如图9所示。分析表5、图7和图9可以发现：

(1)HJJ，LBJ，SBJ试件和SL-1试件承载能力接近，但延性差异性较大。SL-1试件承载力和延性均优于其他三种节点构造形式。

节点试件试验特征值 表5

(2)SL-0试件虽然延性系数较高，约为HJJ试件的2.89倍，但承载能力较低，约为HJJ试件的0.64倍。

(3)SL-2，SL-3试件和SL-4试件承载力较高，分别是HJJ节点的1.51倍，1.91倍和1.97倍，但延性系数较SL-0试件与SL-1试件有所下降。SL-4试件延性系数大于SL-3试件，焊接钢筋提高了三角加劲肋抗屈曲能力，提高了双L形强化加劲肋节点的承载力和延性。

2.3 刚度退化

采用归一化割线刚度-转角关系对试件刚度退化进行分析，见图10。图中K0为试件初始刚度。Ki为不同转角对应的平均割线刚度，计算公式为：

图10 刚度退化曲线

(4)

式中：fi+和fi-为每级循环正、负向最大峰值荷载；Δi+和Δi-为每级循环正、负向最大峰值位移。

装配式钢管再生混凝土梁柱节点刚度退化主要经历两个阶段：1)刚度快速下降阶段；2)刚度慢速下降阶段。加载初期构件受力并逐步出现受力损伤，试件刚度快速下降。当梁、柱以及连接板屈服耗能稳定时，刚度下降速率降低，进入慢速下降阶段。焊接型节点由于延性较差，试件经历刚度快速下降阶段后，便破坏退出工作。

除焊接型节点外，其他7种不同构造节点试件刚度退化速率呈现出差异性，承载力较低的SL-0试件与SBJ试件，由于焊缝在加载过程中较快进入了损伤阶段，较其他类型节点刚度退化快。LBJ，SL-1，SL-2三个试件的刚度退化相近，刚度退化速率较SL-0试件与SBJ试件减缓。SL-3试件与SL-4试件增加了三角加劲肋高度，提高了节点域抗弯性能，减缓了刚度退化过程。

2.4 耗能能力

对试件每级加载循环中，第一循环滞回曲线所围面积进行累积叠加，计算试件累计耗能值Ep。各试件Ep-θ曲线如图11(a)所示。

图11 试件累计耗能对比

HJJ试件延性较差，较早出现破坏并退出工作，累计耗能较低。当θ<2.5%时，其他7种不同构造节点试件耗能能力差异性并不显著。随着试件损伤的累积，SBJ试件和SL-0试件耗能能力逐步减弱，耗能能力较低。SL-3试件与SL-4试件耗能能力显著优于其他构造类型试件，由于SL-4试件附加的钢筋增加了三角加劲肋的抗屈曲能力，试件延性提高，耗能能力较好。将θ=4.5%与θ=6.5%时试件累计耗能进行对比，如图11(b)所示。由于HJJ试件小转角出现破坏，图11(b)不包含HJJ试件。LBJ，SL-3和SL-4试件在加载前期和加载后期，都表现出较好的耗能能力。SL-3试件与SL-4试件前期耗能能力相近，由于附加了钢筋，SL-4试件节点域损伤得到改善，提高了加载后期试件的耗能能力。

2.5 应变分析

对节点试件应力状态进行分析，各节点试件装配处应变-加载历程曲线如图12所示，图中实线为梁柱装配处侧面应变曲线(ε1)，虚线为梁柱装配处顶面应变曲线(ε2)，点线为钢材屈服应变(εy)。

图12 节点域应变值

由图12可以发现，对于HJJ试件，由于焊缝较早进入了损伤阶段，焊缝开裂后，梁构件受力减小，装配处顶面与侧面应力水平较低。LBJ试件梁通过螺栓与侧面连接板连接，侧面连接板为主要受力构件并受力达到屈服应变。SBJ试件加载前期，上下连接板与侧面连接板协同工作，应变发展趋势接近。由于上下连接板焊缝较早出现损伤，试件破坏退出工作，应力水平较低。

SL-0试件焊缝较早出现了损伤，局部受力减弱，梁与柱应力水平较低。SL-1试件和SL-2试件受力状态相近，试件加载前期，三角加劲肋为主要受力构件，接近峰值荷载时，柱应力水平较高。当三角加劲肋与连接板出现受力破坏时，节点域应力重分布，柱应力水平降低，L形连接板顶面应力水平提高，达到屈服状态。SL-3试件与SL-4试件提高了节点域高度，柱局部应力集中现象得到改善，整体受力过程与SL-1试件和SL-2试件相近。

试件节点分类 表6

3 节点分类

欧洲规范EN 1993-1-8中根据刚度将节点分为刚性、半刚性、铰三类。从强度角度将节点分为全强度、部分强度、铰三类。

(1)刚度分类

通过对节点初始转动刚度Sj,ini与kbEIb/Lb的比较对节点进行刚度分类，对于无侧移框架，kb=8；对于有侧移框架，kb=25。EIb为梁的抗弯刚度，Lb为梁的长度，kb为梁Ib/Lb的均值。当Sj,ini>kbEIb/Lb时，节点为刚性节点，当Sj,ini<0.5EIb/Lb时，节点为铰节点，半刚性节点值介于刚性节点与铰节点之间。

(2)强度分类

通过对节点极限弯矩Mu与梁塑性弯矩Mbp的比较对节点进行强度分类。当Mu>Mbp时，节点为全强度节点；当Mu<0.25Mbp时，节点为铰节点；部分强度节点值介于全强度节点与铰节点之间。

对于钢管混凝土梁的最大塑性弯矩Mbp以及抗弯刚度EIb，参考相关公式进行计算[11]，具体公式为：

Mbp=γmWscmfscy

(5)

式中：γm为抗弯承载力计算系数，γm=1.04+0.48×ln(ξ+0.1)；ξ为约束效应系数；Wscm为截面抗弯模量；fscy为钢管混凝土轴心受压时的强度指标，fscy=(1.18+0.85ξ)fck；fck为混凝土轴心抗压强度标准值。

EIb=EsIs+0.6EcIc

(6)

式中：Es为钢材弹性模量；Is为钢管截面惯性矩；Ec为混凝土弹性模量；Ic为核心混凝土截面惯性矩。

将各试件初始转动刚度、梁刚度以及梁塑性弯矩等值汇总于表6。从表6可以看出，试验中8种节点均属于半刚性节点。根据强度分类规则，双L形强化加劲肋节点(SL-3，SL-4试件)达到了全强度节点，其他6种节点均属于部分强度节点。

4 结论

本文通过对8个不同构造节点试件进行低周反复荷载试验，研究了不同构造对装配式钢管再生混凝土梁柱节点抗震性能的影响，得到以下结论：

(1)不同节点构造形式对装配式钢管再生混凝土梁柱节点抗震性能影响较大。焊接型节点承载力、延性以及耗能能力较低。直板连接型节点与焊接型节点承载力相近，但直板连接型节点延性以及耗能能力优于焊接型节点。直板连接型节点中，双直板连接型节点抗震性能优于三直板连接型节点，节点构造也较为简单，便于装配安装。

(2)双L形无加劲肋节点承载力低，较早便出现焊缝损伤。提出的双L形带加劲肋节点抗震性能得到了显著提高。SL-2，SL-3试件和SL-4试件的承载力分别是焊接型节点的1.51倍，1.91倍和1.97倍，三角加劲肋高度的增加提高了节点的抗震性能，改善了节点区域柱的应力集中现象。双L形强化加劲肋节点构造简单，抗震性能好。通过在三角加劲肋旁附加钢筋的形式，可以提高节点延性以及抗震耗能能力。

(3)参考欧洲规范对试验节点进行分类。双L形强化加劲肋节点(SL-3，SL-4试件)为半刚性全强度节点，其他6种不同构造的装配式钢管再生混凝土节点均属于半刚性部分强度节点。