鋼管再生混凝土柱鋼梁框架邊節(jié)點恢復力模型研究

唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)

張陽陽 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)

朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

唐榕 (合肥市市政工程管理處，安徽 合肥 230022)

張陽陽 (中建四局第六建筑工程有限公司，安徽 合肥 230012)

朱凱 (中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

通過對2個矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點在低周反復荷載下進行的擬靜力試驗，分析了不同再生骨料取代率對節(jié)點抗震性能的影響，建立了該種類型節(jié)點的恢復力模型。研究結果表明，該類型節(jié)點滯回曲線飽滿，擁有較好的抗震性能；不同再生骨料取代率對試件特征點的荷載影響不大，說明再生骨料取代率對節(jié)點抗震性能影響較小；建立的恢復力模型骨架曲線和滯回曲線與試驗實測的具有較高的吻合度，可供矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架結構的彈塑性地震反應分析參考；矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點具有良好的抗震性能，可以在高烈度抗震設防區(qū)域中的高層建筑中推廣使用。

矩形鋼管再生混凝土；再生骨料取代率；框架節(jié)點；恢復力模型；擬靜力試驗

鋼管混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點的結構形式已成為鋼管混凝土框架結構中的一種重要結構形式，該類結構不僅具有承載力高、變形能力好等優(yōu)點，且可以在施工過程中節(jié)約資金，加快施工進度，已成為逐步受到住戶青睞的一種結構形式。再生混凝土指的是，將廢棄混凝土經過破碎、分級，制作成再生骨料，再將再生骨料制備成混凝土。再生混凝土技術的運用可以使廢棄混凝土變廢為寶，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

將再生混凝土填入鋼管中，可形成鋼管再生混凝土。目前，眾多國內外學者[1～5]對鋼管再生混凝土柱、鋼管再生混凝土節(jié)點、鋼管再生混凝土框架進行了抗震性能試驗研究，而關于鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點的抗震性能研究則較少?；謴土δＰ褪沁M行非線性地震反應的基礎，只有合理確定恢復力模型才能正確進行結構分析。研究鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點恢復力模型可以深入了解低周反復荷載下節(jié)點內力的彈塑性變形能力、承載力和剛度退化等規(guī)律。白國良[6]研究了再生混凝土梁柱節(jié)點恢復力模型，張向岡[7]陸續(xù)對圓形鋼管再生混凝土柱和鋼管再生混凝土框架進行了恢復力模型研究。除此之外，關于鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點恢復力模型的研究尚未檢索到相關文獻。因此，通過2根矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架節(jié)點的擬靜力試驗[8]，筆者分析了不同再生骨料取代率對節(jié)點抗震性能的影響，得到了骨架曲線，再依據骨架曲線及滯回規(guī)則，建立起矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架節(jié)點的恢復力模型。

1 試驗概況

1.1 試件設計

依據《建筑抗震試驗方法規(guī)程》，節(jié)點試件按實際尺寸選取1/2縮尺模型，采用外加強環(huán)構造形式，柱截面尺寸為150mm×150mm，鋼管的厚度為3.5mm，采用方形空心鋼管。整個柱高1682mm，梁長度1365mm，工字形鋼梁采用3塊鋼板全融透焊接，焊縫質量要求與鋼材等強。柱底部和工字形鋼梁設置部分加勁肋以保證整個試件的穩(wěn)定性，試件幾何構造尺寸見圖1。鋼管內填充C40等級混凝土，同批次澆筑成型。共有2根試件，編號分別為試件JD-1、JD-2，其再生骨料取代率分別為50%、100%。

圖1 試件幾何構造尺寸(單位：mm)

圖2 加載示意圖

1.2 加載裝置及加載設置

采用作動器提供低周反復荷載，千斤頂提供豎直軸力。加載示意圖見圖2，將試件柱底部固定在可以轉動的鉸支座上，鉸支座下部又可以和剛性地面固定，梁端用鏈桿和鉸支座相連。千斤頂和反力梁中間放置滑車，以保證加載過程中試件可以平行移動。加載方式采用位移加載，試件屈服前循環(huán)1次，屈服后循環(huán)3次。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞過程

試件在加載過程中，首先在梁端出現(xiàn)塑性鉸，隨著加載的進行，塑性鉸不斷形成，最后塑性鉸產生較大殘余變形使得梁端出現(xiàn)斷裂。觀察柱端和節(jié)點核心區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象。觀察實測應變值可知，梁端應變在加載過程中早已超過屈服應變，有些應變值甚至溢出，而節(jié)點核心區(qū)和柱段的應變值均未超過屈服應變，說明設計的節(jié)點滿足“強柱弱梁、強節(jié)點弱構件”的抗震設防目標。

2.2 滯回曲線

2個試件的滯回曲線見圖3。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，2個試件滯回曲線相差較小，大致形狀相同。試件JD-1的滯回曲線略大于試件JD-2，說明再生骨料取代率為50%的試件抗震性能略好于取代率為100%的試件，但總體上看，二者相差不大，說明再生骨料取代率對該類型節(jié)點的抗震性能影響較小。另外，2個滯回曲線對稱較好，且滯回環(huán)呈現(xiàn)出梭形，曲線飽滿，表明該類型節(jié)點具有較好的耗能性能。

圖3 滯回曲線

2.3 骨架曲線

圖4 骨架曲線

2個試件的骨架曲線見圖4。從圖4可知，2根試件在達到極限荷載前，其骨架曲線基本呈現(xiàn)出直線的變化，無明顯可見的屈服點。試件JD-1的極限承載力要高于試件JD-2，且極限荷載過后，在下降段時2根試件的骨架曲線有分離，表明試件出現(xiàn)了強度和剛度退化現(xiàn)象?？傮w看來，2個骨架曲線大體接近，說明再生骨料取代率對其影響較小。

2.4 荷載特征值及延性

在工程結構抗震中，一般會選取位移延性系數(shù)來評價和衡量構件的延性性能。其計算方法為，在構件保持基本承載力的前提下，選取破壞位移與屈服位移的比值來表示試件的位移延性系數(shù)μ。選用“幾何作圖法”計算出各試件的屈服位移Δy，而破壞位移Δu即為破壞荷載Pu對應的位移，破壞荷載Pu取極限荷載Pmax下降15%時對應的荷載。2根試件在不同階段下的特征荷載、對應的位移值及位移延性系數(shù)μ見表1；不同再生骨料取代率下各極值荷載值及對應的位移值如圖5、圖6所示；不同再生骨料取代率對延性性能的影響見圖7。

從表1、圖4及圖5可知，2根試件JD-1、JD-2的位移延性系數(shù)分別為3.27和3.22，十分接近，說明不同再生骨料取代率對試件的延性影響極小。不同工作階段下2根試件的屈服荷載、極限荷載和破壞荷載也極為接近，且屈服、極限、破壞荷載所對應的屈服位移、極限位移及破壞位移也較為接近，差別極小，這說明不同再生骨料取代率對各工作階段的極限荷載值及位移值影響也較小?？傮w來說，不同再生骨料取代率對試件的荷載值和延性性能不產生明顯的影響。

圖5 特征點荷載值 圖6 特征點位移值

試件編號屈服階段Py/kNΔy/mm極限階段Pmax/kNΔmax/mm破壞階段Pu/kNΔu/mm位移延性系數(shù)μJD-143.5217.0492.8541.5278.9355.753.27JD-241.8516.5486.5742.1573.5853.293.22

圖7 不同再生骨料取代率的影響 圖8 等效黏滯阻尼系數(shù)

2.5 耗能性能

等效黏滯阻尼系數(shù)he常被用來描述結構在地震下的耗能能力，其值越大，表明耗能能力越好[9～11]。除彈性階段外，將不同位移下對應的he的繪制于同一圖中，不同位移下的等效黏滯阻尼系數(shù)見圖8。

從圖8可知，隨著加載位移的不斷加大，等效黏滯阻尼系數(shù)也不斷增大，說明試件越到加載后期耗能能力越好。再生骨料取代率為50%試件JD-1的等效黏滯阻尼系數(shù)在不同加載階段均略大于取代率為100%的試件JD-2，但其趨勢均大體一致，較為接近，說明不同再生骨料取代率對該類型節(jié)點的耗能能力也無顯著的影響。

3 建議的節(jié)點恢復力模型

為了在抗震設防區(qū)推廣矩形鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節(jié)點的運用，并對組合結構進行彈塑性地震反應分析，十分有必要建立起該種類型節(jié)點的恢復力模型，而恢復力模型主要包含骨架曲線和滯回規(guī)則。

3.1 骨架曲線

依據2根節(jié)點試件的骨架曲線，建議選取三線型的恢復力模型，如圖9所示。

圖9 三線型恢復力模型

1)彈性工作段。從試驗實測數(shù)據點可知，骨架曲線未出現(xiàn)明顯的屈服點，這主要是因為矩形鋼管選用的是薄壁冷彎鋼管。為簡化計算，可以把節(jié)點屈服之前的骨架曲線予以簡化，簡化成為原點與屈服點的連線，見圖9中OD、OC段,該階段的剛度為K1=Py/Δy。

2)強化工作段。加載過程中，試件在屈服后會出現(xiàn)比較明顯的強化工作階段。強化段可以簡化成將屈服點D和極限荷載點E的直線DE。該階段的剛度K3=(Pmax-Py)/(Δmax-Δy)。

3)強度退化工作段。加載超過極限荷載點后，試件會進入強度退化段。該階段的剛度退化率為：αJD-1=0.428，αJD-2=0.415。

3.2 卸載剛度

1)正向卸載剛度。將點1和點2中所有點進行擬合線性回歸分析，可得到1、2點的直線斜率K2。正向卸載剛度回歸方程可表示為：

(1)

式中，Δ為卸載點位移；Δu為破壞點位移。

(2)

3.3 恢復力模型

將試驗測得的滯回曲線及骨架曲線模型進行組合，可建立起適用于所研究的矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點的恢復力模型，對該恢復力模型進行如下說明：

1)D、C點分別為正向、負向屈服點，E、B點分別為正向、負向極值點，F(xiàn)、A點分別為正向、負向破壞點。對應的，OD、OC段分別為正向、負向彈性段，DE、CB段分別為正向、負向屈服段，EF、BA段分別為正向、負向破壞段。

3.4 恢復力模型與試驗結果的對比

將得到的恢復力模型用以計算所研究的框架節(jié)點，獲得了計算滯回曲線，并與試驗所得結果進行對比，如圖10所示。

從圖10可知，計算得到的滯回曲線與實際測得的滯回曲線有一定的吻合度，尤其是計算得到曲線的骨架曲線和實測骨架曲線吻合較好，表明研究建立起的恢復力模型可很好反應出矩形鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架邊節(jié)點在低周反復荷載下的荷載和位移的關系，建立的恢復力模型可用于該類型節(jié)點的彈塑性地震反應分析。

圖10 節(jié)點恢復力模型計算曲線與實測曲線對比

4 結論

通過對2根再生骨料取代率分別為50%、100%的矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架邊節(jié)點的擬靜力試驗研究，對比分析了2根試件的抗震性能，并建立起了適合該類型節(jié)點的恢復力模型，可以得到以下結論：

1)矩形鋼管再生混凝土柱-工字型鋼梁框架節(jié)點在加載過程中，梁端形成塑性鉸，滿足“強柱弱梁、強節(jié)點、弱桿件”的延性抗震設防目標，且該類型節(jié)點具有較好的抗震性能，可在抗震設防區(qū)用于工程實踐。

2)不同再生骨料取代率對試件的特征位移、特征荷載、延性性能及耗能能力影響均很小，說明再生骨料取代率對該類型節(jié)點的抗震性能不產生明顯影響。

3)通過對節(jié)點試件滯回特性的分析，建立起了適合該類型節(jié)點的恢復力模型，建立的恢復力模型計算出的滯回曲線與實測滯回曲線具有較好的吻合度，可用于該類型組合節(jié)點的彈塑性地震反應分析。

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[編輯] 計飛翔

2016-07-10

住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目(2014-K2-021)。

唐榕(1992-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事結構工程抗震方面的研究工作；通信作者：朱凱，1879025407@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)31-0067-06

[引著格式]唐榕，張陽陽，朱凱.鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架邊節(jié)點恢復力模型研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(31)：67～72.