基于有效耗能的鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力評估

常智慧，閆長旺，賈金青，包聯(lián)進，王存貴，劉 波

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 a.土木工程學院； b.礦業(yè)學院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.大連理工大學 土木工程學院, 遼寧 大連 116024； 3.華東建筑設(shè)計研究總院, 上海 200002；4.中國建筑第六工程局有限公司, 天津 300400；5.中國建筑第三工程局第二建設(shè)工程有限責任公司, 湖北 武漢 430074)

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基于有效耗能的鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力評估

常智慧1a，閆長旺1，賈金青2，包聯(lián)進3，王存貴4，劉 波5

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 a.土木工程學院； b.礦業(yè)學院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.大連理工大學 土木工程學院, 遼寧 大連 116024； 3.華東建筑設(shè)計研究總院, 上海 200002；4.中國建筑第六工程局有限公司, 天津 300400；5.中國建筑第三工程局第二建設(shè)工程有限責任公司, 湖北 武漢 430074)

為了確定地震作用下鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點的剩余承載力，通過12個節(jié)點試件的低周反復荷載試驗，在分析地震損傷模型的基礎(chǔ)上，建立了剩余承載力計算表達式，并討論了試驗參數(shù)對剩余承載力的影響。結(jié)果表明：計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，試驗參數(shù)對承載力的下降速率影響不大，剩余承載力隨軸壓比的增大而增大，配箍率大的試件剩余承載力較高，十字型鋼骨試件的剩余承載力大于工字型鋼骨試件；所提出的計算公式能較好反映節(jié)點的受力機理，可為該類節(jié)點的抗震設(shè)計和地震后的加固提供理論依據(jù)。

鋼骨超高強混凝土； 框架節(jié)點； 位移幅值； 剩余承載力

鋼骨超高強混凝土框架結(jié)構(gòu)以其優(yōu)越的受力性能、抗震性能和耐久性能在高層、超高層建筑中得到了廣泛的應用。梁柱節(jié)點作為重要的傳力樞紐，在地震作用下承受較大的剪力，是框架結(jié)構(gòu)中容易發(fā)生破壞的部位，框架節(jié)點的安全可靠是建筑物正常工作的前提。迄今為止，國內(nèi)外學者對梁柱節(jié)點的研究多集中于普通鋼筋混凝土梁柱節(jié)點抗震性能方面，對其受力機理及承載力計算方法的研究相對較少，尤其對于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。因此，建立適用于評價鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點震后剩余承載力模型，對于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、震害評估及結(jié)構(gòu)加固具有重要意義。

鋼骨超高強混凝土框架結(jié)構(gòu)利用鋼骨的延性來改善超高強混凝土在結(jié)構(gòu)中所表現(xiàn)的脆性，而且能使超高強混凝土的抗壓性能得到充分發(fā)揮，而地震作用下其受力機理較為復雜。邢國華等[1]進行了鋼筋混凝土框架異性節(jié)點的試驗研究，得出了異性節(jié)點的破壞機理。Chou等[2]建立了低周反復荷載作用下鋼骨混凝土柱-鋼梁節(jié)點剪切受力模型，并對該類節(jié)點設(shè)計時各參數(shù)提出了取值建議。郭進等[3]建立了鋼筋混凝土構(gòu)件強度退化的函數(shù)表達式，提出了基于累積損傷的彎矩-曲率強度退化滯回模型。曲哲等[4]研究表明構(gòu)件的承載力退化與加載路徑有關(guān)，并提出基于有效滯回耗能的構(gòu)件承載力退化模型。以上提出的模型雖然對一些試驗進行了驗證，但大多數(shù)研究結(jié)果主要針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而對于鋼骨超高強混凝土框架結(jié)構(gòu)的適應性仍需進行進一步研究。

因此，本文以鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點為研究對象，通過低周反復荷載模擬地震作用對框架節(jié)點受力機理的影響，提出地震作用后鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力計算方法，并分析試驗參數(shù)的影響，以期為鋼骨超高強混凝土結(jié)構(gòu)的工程抗震設(shè)計與震后加固提供參考依據(jù)。

1 鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力試驗

1.1 試驗概況

針對鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點在低周反復荷載下的剩余承載力，在文獻[5]中作者通過試驗，對配有鋼骨的超高強混凝土框架梁柱構(gòu)件進行了研究，試件構(gòu)造與尺寸如圖1所示，其中各試件梁的配鋼形式相同，分別考慮了鋼骨形式、配箍率、柱軸壓比三方面影響因素，試驗參數(shù)對比如表1所示(表中Δy為屈服位移)。采用低周反復加載方式模擬地震作用，試件屈服前采用荷載控制，待試件屈服后改用位移控制，每級控制位移幅值下反復三次；當梁端荷載下降至最大荷載的85%時，停止加載。

圖1 節(jié)點試件構(gòu)造與尺寸/mm

表1 節(jié)點試件研究參數(shù)匯總

1.2 試驗結(jié)果

低周反復荷載作用下，試件均發(fā)生了節(jié)點核心區(qū)剪切破壞、梁端出現(xiàn)彎曲裂縫的破壞模式。在加載過程中，節(jié)點核心區(qū)混凝土出現(xiàn)交叉式裂縫，且裂縫逐漸向柱端延伸，個別試件受損比較嚴重，核心區(qū)有小塊混凝土出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；試件梁端受損程度較輕，主要表現(xiàn)為梁上、下部出現(xiàn)多條連通式彎曲裂縫，但裂縫寬度較小。

2 基于有效耗能的剩余承載力計算

低周反復荷載作用下，節(jié)點試件的剩余承載力主要體現(xiàn)在節(jié)點核心區(qū)剩余抗剪承載力以及梁端剩余承載力。內(nèi)置型鋼有效改善了超高強混凝土在結(jié)構(gòu)中所表現(xiàn)的脆性，使超高強混凝土的抗壓性能得到充分發(fā)揮，直到發(fā)生破壞，構(gòu)件仍具有一定的承載力，完整性較好，鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點表現(xiàn)出有較好的抗震延性。

構(gòu)件承載力與其強度有著密切關(guān)系，鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點受力機理較為復雜，劉伯權(quán)等[6]通過等位移幅值加載的低周疲勞試驗，研究了位移幅值與鋼筋混凝土試件低周疲勞壽命之間的關(guān)系。圖2所示為不同位移幅值對試件剩余承載力的影響曲線，由圖可知，試件承載力隨著位移幅值的增加呈現(xiàn)出先增大后減小趨勢，當加載位移為3Δy時，承載力達到最大，繼續(xù)增大控制位移，承載力逐漸降低，因此，位移幅值對試件的剩余承載力影響顯著。

圖2 位移幅值對剩余承載力影響的關(guān)系曲線

低周疲勞試驗結(jié)果表明，隨著加載位移的逐級增大，構(gòu)件的疲勞壽命迅速下降，發(fā)生破壞時的累積滯回耗能隨著位移幅值的增大而降低。付國等[7]通過分析結(jié)構(gòu)的損傷提出了有效耗能，定義引起結(jié)構(gòu)破壞的非彈性階段耗能為結(jié)構(gòu)破壞的有效耗能，有效耗能應包括混凝土表層剝離、核心區(qū)開裂以及鋼筋變形消耗的能量，考慮有效耗能的損傷簡化計算模型為：

(1)

式中：em為第m個循環(huán)下對應的有效耗能因子；δm為構(gòu)件循環(huán)加載下的位移幅值；δust為構(gòu)件單調(diào)加載下的極限位移。

(2)

式中：D為損傷指數(shù)；Ei為第i個加載循環(huán)下的滯回耗能；δu為構(gòu)件單調(diào)荷載作用下的極限位移；Qu為構(gòu)件的屈服強度；ei為有效耗能因子。

對于內(nèi)置型鋼的混凝土結(jié)構(gòu)還應考慮型鋼變形所消耗的能量，當所積累能量達到一定程度時結(jié)構(gòu)的承載力最大，繼續(xù)增加控制位移使得能量繼續(xù)累加，構(gòu)件承載能力開始退化直至發(fā)生破壞?；诖耍疚脑诳紤]承載力退化的基礎(chǔ)上提出有效耗能的剩余承載力計算公式如下：

(3)

式中：FQi退化后的剩余承載力；Fu為試件在低周反復荷載下的最大承載力；公式的第二項表示承載力下降的量，β為組合參數(shù)，β一般在0～0.85之間變化，均值在0.10～0.15左右[8]，計算時β取0.1；有效耗能因子ei考慮了引起結(jié)構(gòu)破壞滯回耗能中的有效耗能部分，定義了不同幅值作用下滯回耗能對結(jié)構(gòu)破壞的影響，文獻[9]表明，隨著位移幅值的增大，ei計算值趨近于1，大位移幅值加載下有效耗能占總滯回耗能的比例增加，輸入能量對結(jié)構(gòu)破壞的貢獻更大，結(jié)構(gòu)破壞程度加劇。由以上計算可得到每級加載位移后試件的梁端剩余承載力如表2所示，計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近。

表2 剩余承載力計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

(續(xù)表2)

型鋼規(guī)程[10]指出，型鋼混凝土柱與型鋼混凝土梁連接的梁柱節(jié)點作用剪力Vj計算公式可由公式(4)計算得出。

(4)

式中：Mb1，Mb2為節(jié)點左右兩側(cè)型鋼混凝土梁的梁端彎矩值；H為節(jié)點上柱和下柱反彎點之間的距離；hb為梁截面高度；hw為鋼骨腹板高度。將各控制位移下計算出的梁端剩余承載力代入上式，得出每級控制位移下節(jié)點剩余抗剪承載力如表1所示。

3 鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力分析

從總體上看鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點具有較大的承載力，每級控制位移下節(jié)點的剩余抗剪承載力比較高，說明構(gòu)件的抗震延性較好。節(jié)點的剩余承載力反映了其強度退化規(guī)律，節(jié)點強度退化是指在控制位移幅值不變作低周反復加載時，每施加一循環(huán)荷載后強度降低的速率，反映了節(jié)點在一定變形條件下，強度隨反復荷載循環(huán)次數(shù)增加而降低的特性。由于隨著加載位移和循環(huán)次數(shù)的增加，節(jié)點區(qū)混凝土不斷退出工作，導致試件有效受力面積逐漸減小，承載能力下降。

3.1 配箍率對剩余承載力的影響

對于不同配箍率的節(jié)點試件，由圖3可以看出，當軸壓比與鋼骨形式相同時，節(jié)點核心區(qū)箍筋體積配箍率大的試件具有較高的承載力，而對于配箍率較小試件(J-I-2)，雖然最大承載力較高，由于試件柱內(nèi)置工字型鋼骨，且核心區(qū)配箍率低，致使節(jié)點核心區(qū)混凝土約束能力較低，加載到4Δy時，試件已經(jīng)發(fā)生破壞。隨著控制位移的增加，承載力下降速率基本一致，這是由于鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點具有的強度較高，承載力退化速率保持平行。

圖3 配箍率對試件剩余承載力影響關(guān)系曲線

3.2 軸壓比對剩余承載力的影響

圖4所示為節(jié)點試件剩余抗剪承載力隨加載位移的變化情況。可以看出，對于配箍率和鋼骨形式相同的試件，隨著軸壓比的增大，節(jié)點的剩余抗剪承載力也隨之增大，從曲線上看軸壓比對節(jié)點承載力的退化速率影響不大。

3.3 鋼骨形式對剩余承載力的影響

從圖5鋼骨形式對試件的剩余承載力影響關(guān)系曲線可以看出，鋼骨形式是影響節(jié)點抗剪承載力的重要因素，內(nèi)置十字型鋼骨的試件每級加載后的承載力明顯大于工字型試件，說明十字型鋼骨增強了節(jié)點區(qū)超高強混凝土的約束，提高了節(jié)點承載能力，對于承載力下降速率，鋼骨形式影響較小。

圖5 鋼骨形式對試件剩余承載力影響關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文在分析已有地震損傷模型的基礎(chǔ)上，建立了鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力計算方法，較好地反映了鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點的承載力退化規(guī)律，研究主要成果如下：

(1)在試驗的基礎(chǔ)上建立了反映鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力的計算表達式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

(2)討論了試驗參數(shù)對鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點剩余承載力的影響，在其他條件相同的情況下，節(jié)點試件剩余承載力隨軸壓比的增大而增大；配箍率越大試件的剩余承載力越大；內(nèi)置十字型鋼骨的節(jié)點試件承載力較內(nèi)置工字型鋼骨的節(jié)點試件大，試件參數(shù)對承載力下降速率影響并不明顯。

(3)鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點構(gòu)件具有較高的承載力，試件破壞后仍具有一定的剩余承載力；控制位移為3Δy時達到最大承載力，所建立計算表達式能較好的反映低周反復荷載下鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點的受力機理。

[1] 邢國華. 鋼筋混凝土框架變梁異型節(jié)點破壞機理及設(shè)計方法研究[D]. 西安: 長安大學, 2010.

[2] Chou C C, Uang C M. Cyclic performance of a type of steel beam to steel-encased reinforced concrete column moment connection[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2002, 58: 637-663.

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[4] 曲 哲, 葉列平. 基于有效累積滯回耗能的鋼筋混凝土構(gòu)件承載力退化模型[J]. 工程力學, 2011, 28(6): 45-51.

[5] 閆長旺. 鋼骨超高強混凝土框架節(jié)點抗震性能研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2009.

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[10]JGJ 138-2001, 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

基金項目： 2014年江蘇省科技廳前瞻性聯(lián)合研究(BY2014005-11)

Calculation and Evaluation of Steel Reinforced High Strength Concrete Frame Node Residual Bearing Capacity After Seismic Action

CHANGZhi-hui1a,YANChang-wang1,JIAJin-qing2,BAOLian-jin3,WANGCun-gui4,LIUBo5

(1.a.School of Civil Engineering; b.School of Mining and Technology, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China； 2.School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 3.East China Architectural Design & Research Institute, Shanghai 200002, China；4.China Construction Sixth Engineering Division Co LTD, Tianjing 300400, China； 5. The Second Construction Co LTD of China Construction Third Engineering Bureau, Wuhan 430074, China)

In order to determine the residual bearing capacity of steel reinforced super high strength concrete frame joints after earthquake, this paper established the calculation formula of the residual bearing capacity on the basis of analyzing the seismic damage model by low cycle repeated load test of 12 joint test specimens and discussing the influence of test parameters on the residual bearing capacity. Results show that the calculated results are close to the experimental results. The test parameters have little effect on the decline rate of the load bearing capacity，moreover，the residual bearing capacity increases with the increase of axial compression ratio; specimens with high hoop ratio have higher residual bearing capacity; cross type steel bearing capacity is greater than the remaining test specimens of H-shaped steel; The proposed calculation formula can better reflect the force mechanism of the node, and it can provide theoretical basis for the seismic design and the post earthquake reinforcement of this kind of joints.

steel reinforced ultra high-strength concrete; frame joint; displacement amplitude; residual strength degradation

2016-03-09

2016-05-27

常智慧(1991-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，研究方向為混凝土耐久性研究(Email：czh20141100@126.com)

閆長旺(1978-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，教授，研究方向為結(jié)構(gòu)抗震與耐久性研究(Email：ycw20031013@126.com)

國家自然科學基金 (51168034；51178078)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學校青年科技英才支持計劃(NJYT-14-B08)

TU398+.2

A

2095-0985(2016)05-0049-05