矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通節(jié)點抗震性能試驗研究

何樂平 凌宵 胡啟軍 蔡其杰 孟慶成

摘要：提出一種適用于快速施工的新型矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通節(jié)點形式。參考實際兩種建筑規(guī)格，設計4個節(jié)點試件，基于擬靜力荷載試驗，探討節(jié)點試件抗震性能，分析各試件的破壞現(xiàn)象、滯回性能、剛度、延性及耗能能力等抗震性能。結(jié)果表明：節(jié)點的破壞形態(tài)為梁端混凝土壓壞，型鋼翼緣屈曲，形成塑性鉸;試件的滯回曲線相對飽滿，剛度退化明顯，延性系數(shù)在2.33～3.8之間，等效黏滯阻尼系數(shù)在0.283～0.4之間。與已有節(jié)點對比，新型節(jié)點剛度大，同時避免了核心混凝土澆筑困難的問題。

關鍵詞：型鋼混凝土梁;節(jié)點;破壞形態(tài);抗震性能;剛度

中圖分類號：TU398 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2019）06-0118-09

由鋼管混凝土（CFST）柱和型鋼混凝土（SRC）梁組成的框架結(jié)構(gòu)形式是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系中較優(yōu)的組合形式。在該結(jié)構(gòu)體系中，柱梁節(jié)點一般采用工廠預制、現(xiàn)場裝配的施工方式，以確保施工快速進行。作為CFST柱-SRC梁體系設計中最重要的因素之一，節(jié)點的抗震性能和施工工藝一直是相關學者關注的熱點話題。

近年來，結(jié)構(gòu)工程領域不斷涌現(xiàn)出新的節(jié)點形式，并分別針對其構(gòu)造特征、傳力性能、破壞形態(tài)及抗震性能等進行了許多探索。已有的CFST柱梁節(jié)點類型有貫通節(jié)點、螺栓節(jié)點、加強環(huán)節(jié)點、鋼牛腿節(jié)點等。其中貫通節(jié)點由于具有機械化加工、節(jié)省空間、施工安裝方便等優(yōu)優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應用，常見的有隔板貫通節(jié)點和鋼筋貫通節(jié)點等。文獻[16，20-21]提出了幾種新型隔板貫通節(jié)點，并對其進行抗震性能試驗。文獻[22]提出了CFST柱-RC梁之間新型對射連接，鋼接頭中斷，縱向鋼筋穿過核心區(qū)。Li等對連續(xù)翼緣和垂直錨固這兩種嵌入單元連接進行試驗研究，連續(xù)翼緣連接有效的將鋼梁的內(nèi)力傳遞到節(jié)點板區(qū)，垂直錨固連接具有更好的剛度。MZHDI等提出直肋加勁鋼梁彎矩連接，型鋼直接貫通鋼管柱，節(jié)點具有更好的剛度和延性。上述文獻著重對節(jié)點抗震性能的研究，忽略了節(jié)點復雜程度或核心混凝土澆筑難易的問題，無法兼顧性能良好和施工便捷的綜合考量。

針對上述節(jié)點存在的問題，作者提出一種適用于快速施工的矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節(jié)點形式。設計4個新型節(jié)點試件，對其快速施工工藝進行闡述，開展擬靜力荷載試驗，研究新型節(jié)點的破壞形態(tài)及抗震性能，以期豐富鋼管混凝土柱一型鋼混凝土梁框架結(jié)構(gòu)節(jié)點類型。

1試驗概況

1.1試件設計及基本參數(shù)

為研究新型矩管混凝土柱一SRC梁型鋼貫通式節(jié)點的破壞形態(tài)和抗震性能，參照規(guī)范選擇兩類原型建筑尺寸，設計加工了4個新型節(jié)點試件，并對其進行低周反復荷載試驗。試驗在室內(nèi)反力架上進行，限制了構(gòu)件大小，采用縮尺模型，縮尺比例λ取為1：3。4個試件對應兩種建筑結(jié)構(gòu)，編號J1～J4，J1、J2為第一類尺寸，對應商業(yè)、辦公建筑，以J1為例，如圖1所示，工字鋼穿插方式見圖2;J3、J4為第二類尺寸，對應民用建筑。試件參數(shù)如表1所示。

試件加工過程中，在工廠預制鋼管和型鋼后，需回爐去應力。將預制件運至現(xiàn)場，現(xiàn)場拼接及配筋。拼接過程中，斷開梁端型鋼腹板嵌入貫通型鋼的上下翼緣之間，并且與貫通梁腹板垂直貼合，在配置縱筋時，在符合規(guī)范的情況下，適當調(diào)整縱筋和箍筋的位置，以保證縱筋的順利焊接。在現(xiàn)場澆筑過程中，鋼管混凝土柱管內(nèi)管外需同時振搗，以保證管內(nèi)混凝土填充密實。

1.2試驗裝置及加載制度

試驗所需的儀器有反力架、60t液壓千斤頂、50t作動器、數(shù)據(jù)測量設備等，如圖3所示。試驗采用擬靜力加載，梁加載端荷載一位移由液壓伺服擬靜力試驗系統(tǒng)自動記錄。柱頂通過液壓千斤頂施加豎向荷載，由于加載條件限制，在整個試驗過程中施加軸壓力500kN，并保持恒定，作為上部樓層的反作用力。計算所得軸壓比為J1、J2：0.25;J3、J4：0.31，滿足《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)范》（GB 50936-2014）對矩形鋼管混凝土柱軸壓比不宜大于0.8的要求。試驗開始時，將軸壓力施加到預定值，柱底和柱頂均設置鋼帽，均勻分配軸向荷載的同時，限制矩管混凝土柱水平位移及偏轉(zhuǎn)。試件加載位置如表2所示。試驗重點觀測內(nèi)容：1）觀測節(jié)點核心區(qū)破壞方式，測定位移、內(nèi)力，分析其薄弱位置;2）確定節(jié)點的屈服承載力和極限承載力;3）繪制節(jié)點滯回曲線及骨架曲線，探討其剛度、延性及耗能能力。

試驗開始由作動器向梁端施加低周往復荷載，采用荷載一位移加載制度。在加載初期采用荷載控制，每級荷載增量±20kN，每級循環(huán)1次，加載速率0.5kN/s，直至構(gòu)件屈服，試驗過程中觀察液壓伺服擬靜力試驗系統(tǒng)界面荷載一位移的變化來判斷試件屈服，屈服后采用位移加載。以屈服位移為第1級荷載，加載級別為屈服位移倍數(shù)，加載速率1mm/s，每級循環(huán)兩次，直至構(gòu)件破壞。

2試驗結(jié)果及分析

2.1節(jié)點破壞形態(tài)分析

試件破壞形態(tài)如圖4所示。左側(cè)在梁端荷載為60kN時，梁上部距節(jié)點220mm處產(chǎn)生第1條裂縫，隨著荷載增加，裂縫向斜向擴展，新增裂縫快速發(fā)展并貫通截面。荷載為100kN時，梁端位移明顯增大，試件達到屈服荷載，此時梁端位移為15mm。改為位移控制，加載至梁端位移為20mm處時，鋼管柱壁鼓起，梁端傾角增大。達到40mm級位移時，試件荷載下降到峰值荷載的80%，試驗結(jié)束。考慮到裂縫僅僅在梁中部發(fā)展，節(jié)點核心區(qū)梁柱未出現(xiàn)明顯破壞，試件J1的破壞模式可歸結(jié)為梁一鉸破壞。

J2構(gòu)件右梁栓焊混合連接率先破壞，具體原因為焊縫質(zhì)量偏差，焊縫橫向位置有寬0.5mm，長為4mm的空隙，加載過程中此處先行破壞。裂縫撕裂后，由螺栓和型鋼腹板承受全部剪力，最終型鋼腹板先被剪斷，如圖5所示。

試件J3、J4在加載初期的現(xiàn)象與J1基本相同，梁中混凝土大面積破碎脫落，梁中型鋼翼緣屈服，節(jié)點核心區(qū)未見明顯破壞，見圖6，試件J3、J4也可歸為梁一鉸破壞。