非對稱配鋼鋼骨混凝土柱鋼梁框架節(jié)點(diǎn)延性試驗(yàn)研究

崔振坤，肖云峰，靳思騫，陳娟　(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

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崔振坤，肖云峰，靳思騫，陳娟(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]對4個T形配鋼柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)和4個L形配鋼柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)擬靜力試驗(yàn)，研究了非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的延性性能和耗能能力。試驗(yàn)考慮了軸壓比、混凝土強(qiáng)度等級和核心區(qū)配箍率等參數(shù)對節(jié)點(diǎn)延性分析的影響,并對在相同條件下T型試件和L型試件延性進(jìn)行對比分析，觀察了節(jié)點(diǎn)的受力過程和破壞形態(tài)，分析了不同因素對滯回特性的影響。結(jié)果表明，試件的延性隨著軸壓比的增大而減小，隨著混凝土強(qiáng)度增加而減小，隨著核心區(qū)配箍率的增大而增大；在軸壓比、核心區(qū)配箍率及混凝土強(qiáng)度等條件相同情況下，L形試件受到偏心扭轉(zhuǎn)的影響，T形試件延性較L形延性好。

[關(guān)鍵詞]非對稱配鋼；鋼骨混凝土；擬靜力試驗(yàn)；框架節(jié)點(diǎn)延性

我國抗震設(shè)防目標(biāo)以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為準(zhǔn)則，這就要求結(jié)構(gòu)要有足夠的承載力來抵御小震，有足夠的變形和耗能能力來抵御大震。大量的震后損壞實(shí)例表明，變形能力和耗能能力不足是造成結(jié)構(gòu)損壞乃至結(jié)構(gòu)倒塌的最主要原因。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時，傳統(tǒng)的依據(jù)強(qiáng)度概念進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，充分考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的塑性變形而進(jìn)行的延性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)作為傳遞梁柱間相互作用力的部件，其內(nèi)力傳遞機(jī)理十分復(fù)雜，一旦節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，會對整個結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。目前非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)研究相對較少，文獻(xiàn)[1]對9個中間層邊節(jié)點(diǎn)、4個角節(jié)點(diǎn)和4個中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)試驗(yàn)，得到節(jié)點(diǎn)在彎剪作用下的受剪承載力以及在剪扭作用下受剪及受扭承載力計(jì)算公式；文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了SRCTJ1和SRCTJ2兩個型鋼混凝土柱鋼桁梁組合節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，對趙鴻鐵提出的計(jì)算公式進(jìn)行了補(bǔ)充與改進(jìn)；文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了5個型鋼混凝土十形柱空間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，提出節(jié)點(diǎn)抗裂承載力和抗剪承載力計(jì)算公式；文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了2個轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)試驗(yàn)，研究了該類節(jié)點(diǎn)的抗震性能特點(diǎn)。在已有研究的基礎(chǔ)上，筆者在考慮軸壓比、混凝土強(qiáng)度、核心區(qū)配箍率等參數(shù)影響下，進(jìn)行了8個節(jié)點(diǎn)(4個T形配鋼柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)和4個L形配鋼柱-鋼梁節(jié)點(diǎn))的低周反復(fù)擬靜力試驗(yàn)，對非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)延性進(jìn)行研究，以期望能為工程應(yīng)用提供有效參考價值。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

為了研究非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)的延性特點(diǎn)及破壞機(jī)理，以“強(qiáng)構(gòu)件，弱節(jié)點(diǎn)”為原則，加強(qiáng)了試件梁、柱等部位的設(shè)計(jì)，使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)先于其他部位而首先發(fā)生破壞，以期達(dá)到研究節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)康模O(shè)計(jì)了8個節(jié)點(diǎn)(4個T形配鋼柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)和4個L形配鋼柱-鋼梁節(jié)點(diǎn))試件，試件配鋼率均為6.96%，試件尺寸與截面配鋼如圖1所示，試件其他參數(shù)見表1。

圖1　試件尺寸與截面配鋼(單位:mm)

試件采用細(xì)石混凝土澆筑，混凝土強(qiáng)度等級為C30和C60，其立方體抗壓強(qiáng)度分別為40.25MPa和62.8MPa。試件采用?b4和?10鋼筋，其屈服強(qiáng)度分別為435.4MPa和305.3MPa，采用6mm和8mm厚2種規(guī)格鋼板作為鋼骨，其屈服強(qiáng)度分別為324MPa和272MPa。

表1　試件參數(shù)與破壞形態(tài)

1.2試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用柱端加載方式。首先用豎向液壓千斤頂施加軸力至設(shè)計(jì)值并保持恒定，然后用電液伺服作動器施加水平位移荷載。在試件達(dá)到屈服荷載以前，每級位移荷載循環(huán)往復(fù)一次，在試件達(dá)到屈服荷載后，每級位移荷載循環(huán)往復(fù)3次，直至試件的承載力下降到最大極限荷載的85%時停止加載，試驗(yàn)宣告結(jié)束[5,6]。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試件主要循環(huán)過程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2　試件破壞形態(tài)

試件在循環(huán)荷載作用下，典型破壞形態(tài)分為剪切破壞和焊接撕裂破壞2種形式，破壞形態(tài)如圖2所示，各試件主要特征荷載見表2。

在試件未達(dá)到屈服荷載的加載初期，剪切破壞試件和焊接撕裂破壞試件均在鋼梁與型鋼柱連接處下側(cè)混凝土首先出現(xiàn)裂縫；繼續(xù)加載，2種破壞形態(tài)試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)都出現(xiàn)斜向X形交叉裂縫，但剪切破壞試件破壞較嚴(yán)重；當(dāng)達(dá)到極限荷載時，剪切破壞試件核心區(qū)混凝土被壓縮并脫落，焊接撕裂破壞試件發(fā)出焊縫撕裂的咔嚓聲且試件承載力退化顯著；當(dāng)達(dá)到破壞荷載時，試驗(yàn)宣告結(jié)束，剪切破壞試件核心區(qū)混凝土脫落嚴(yán)重，露出核心區(qū)內(nèi)部的箍筋，柱子上部發(fā)生10°左右的傾斜，焊接撕裂破壞的試件核心區(qū)混凝土并未發(fā)生脫落，僅有一些交叉的斜裂縫。

2.2滯回曲線

柱端水平位移主要由柱、梁及核心區(qū)的彈性和非彈性變形構(gòu)成。梁端和柱端承受較大的彎矩和剪力，因此梁端和柱端也較早的進(jìn)入塑性階段，試件塑性鉸的形成是柱端水平位移的最主要原因[7～9]。試件在加載過程中繪出的滯回曲線如圖3所示，具有如下滯回特點(diǎn)：

1)在試驗(yàn)開始加載時，由于試件處于彈性階段，滯回曲線呈線性關(guān)系；隨著水平荷載繼續(xù)施加，試件進(jìn)入彈塑性階段，滯回曲線呈曲線關(guān)系,滯回曲線所包面積逐漸增大，且滯回曲線慢慢向橫軸傾斜，試件剛度退化較明顯；在試驗(yàn)加載末段，試件處于塑性階段，試件強(qiáng)度、剛度下降較快， 曲線基本與橫軸相平。

表2　試件特征荷載

2)在試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)試件TJ-2、TJ-4及LJ-2發(fā)生剪切破壞，滯回環(huán)較飽滿，變形能力和耗能能力相對較好；節(jié)點(diǎn)試件TJ-1、TJ-3、LJ-1及LJ-3發(fā)生梁柱焊接撕裂破壞，滯回環(huán)飽滿程度與發(fā)生剪切破壞的試件相比稍差，變形及耗能不如發(fā)生剪切破壞的試件，但總體上來看，依然能滿足變形及耗能的要求。

3試件延性影響因素分析

3.1試件的延性指標(biāo)

試件延性是指試件達(dá)到最大承載力后，仍能發(fā)生較大變形而承載力緩慢降低的一種性質(zhì)。發(fā)生延性破壞的試件，在承載力沒有顯著降低前，試件經(jīng)歷了很大的非線性變形，在破壞前能給人以警示。延性系數(shù)是度量和比較構(gòu)件間延性的指標(biāo),一般可分為曲率延性系數(shù)和位移延性系數(shù)，筆者以位移延性系數(shù)為指標(biāo)分析各因素對試件延性性能的影響，采用能量等值法對延性系數(shù)進(jìn)行求解，具體過程如下：

破壞位移Δu與屈服服位移Δy之比得到延性系數(shù)μ，即μ=Δu/Δy，其中破壞位移與屈服位移取值方法如圖4所示。

3.2節(jié)點(diǎn)延性主要因素分析

1)軸壓比。試驗(yàn)軸壓比分為0.3和0.6兩種形式。試件TJ-1與TJ-2相比，延性系數(shù)隨著軸壓比增大由3.20降到2.81；試件LJ-1與LJ-2相比，延性系數(shù)隨著軸壓比增大由3.04降到2.77。試件延性隨著豎向壓力的增大而減小，這是由于在水平位移荷載施加中后段，水平位移較大，豎向力產(chǎn)生的二階效應(yīng)較明顯，已不可忽略此二階效應(yīng)對試件破壞的加速作用，軸壓比越大試件受影響程度越大，延性也稍差。

圖3　試件滯回曲線

圖4　屈服位移和破壞位移

2)配箍率。 試件配箍率采用2種形式，體積配箍率分別為0.825%和1.651%。在軸壓比和混凝土強(qiáng)度相同的情況下，比較試件TJ-1與TJ-3，延性系數(shù)隨著配箍率增大由3.20增大到3.39；比較試件LJ-1與LJ-3，延性系數(shù)隨著配箍率的增大由3.04增大到3.2。配箍率的提高有利于改善試件的延性，這主要是因?yàn)楣拷顚?jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土起到約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土的極限壓應(yīng)變，防止混凝土在高應(yīng)變下發(fā)生剝落和脆性破壞，從而提高了試件的延性性能。

圖5　T型試件與L型試件延性對比

3)混凝土強(qiáng)度。試件采用C30和C60混凝土澆筑。試件TJ-2與TJ-4比較，混凝土強(qiáng)度提高，延性系數(shù)由2.81降為2.74。試件延性隨著混凝土強(qiáng)度的提高而降低，這是由于在混凝土抗壓強(qiáng)度提高時，混凝土的脆性增強(qiáng)，極限壓應(yīng)變減小，延性隨之降低。

3.3T型試件與L型試件延性對比分析

TJ-1與LJ-1、TJ-2與LJ-2以及TJ-3與LJ-3這3組試件分別對應(yīng)的混凝土強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率、軸壓比均相同，在此相同條件下分別比較3組試件延性特點(diǎn)，比較結(jié)果如圖5所示。

由圖5對比分析結(jié)果可知，T型試件延性較L型試件延性好，在軸壓比、混凝土強(qiáng)度和配箍率等條件相同情況下延性系數(shù)平均要高4.33%，這是由于L型試件在加載時，加載作用點(diǎn)沒有通過試件截面彎曲中心，試件處于偏心受力狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)偏心受力剪應(yīng)力圖如圖6所示。由圖6可知，L型試件一側(cè)剪應(yīng)力明顯要大于T型試件相應(yīng)側(cè)剪應(yīng)力，此扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力加速了試件的破壞速度，使試件延性系數(shù)產(chǎn)生了一定的降低。

4結(jié)論

圖6　偏心受扭剪應(yīng)力

1)對于非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)，延性系數(shù)均在3.0左右，比鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)要好，抗震性能更出色。降低混凝土強(qiáng)度、提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的配箍率以及降低柱子軸壓比能夠改善節(jié)點(diǎn)的延性,提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

2)在試件軸壓比、混凝土強(qiáng)度及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率條件相同情況下，T型試件延性比L型試件延性要好，主要是由于L型試件處于偏心受扭狀態(tài)，由此產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力對試件延性產(chǎn)生了不利影響，使L型試件延性性能在形同條件下有所降低。

3)發(fā)生剪切破壞的節(jié)點(diǎn)試件，柱端產(chǎn)生塑性鉸，試件發(fā)生較大變形，其滯回曲線較飽滿，耗能能力較發(fā)生焊接撕裂破壞的試件更好。

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[編輯]計(jì)飛翔

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)01-039-05

[中圖分類號]TU398.9

[作者簡介]崔振坤(1988-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)方面的研究工作；通信作者：肖云峰， 279375457@qq.com。

[基金項(xiàng)目]國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ08B03)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108041)；湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(T201303)。

[收稿日期]2015-10-29

[引著格式]崔振坤，肖云峰，靳思騫，等.非對稱配鋼鋼骨混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)延性試驗(yàn)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(1)：39～43.