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

(1.西南石油大學 土木工程與建筑學院，成都 610500；2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，成都 610031)

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(guān)學者關(guān)注的熱點話題[1-4]。

近年來，結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)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[5-7]、螺栓節(jié)點[8-10]、加強環(huán)節(jié)點[11-12]、鋼牛腿節(jié)點[13-14]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[15-17]和鋼筋貫通節(jié)點[18-19]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[23]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[24]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-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-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。

圖1 試件主要尺寸Fig.1 Main dimensions of test

圖2 工字鋼穿插示意圖Fig.2 Schematic diagram of I-beam

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。

表1 試件變化參數(shù)Table 1 test piece change parameters

1.2 試驗裝置及加載制度

圖3 試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test

表2 試件加載位置Table 2 Test piece loading position

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 節(jié)點破壞形態(tài)分析

圖4 破壞現(xiàn)象

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0.5 mm，長為4 mm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。

圖5 栓焊連接破壞

相比于型鋼混凝土梁的破壞程度，節(jié)點核心區(qū)變形很小，型鋼貫通連接對節(jié)點區(qū)剛度和抗剪性能提升很大。

圖6 試件破壞形態(tài)

2.2 試件P-Δ曲線

為方便觀察節(jié)點破壞過程，試件在破壞時就停止加載，故最后一級荷載未形成滯回環(huán)。圖7顯示4個試件梁端荷載位移曲線。

試件J1在梁端位移達到20 mm時，檢測到梁端荷載增長緩慢，此時判斷其即將達到極限承載力，梁端位移達到30 mm時，荷載不再增加，判斷其破壞，不進行下一級加載，故沒有完整的滯回環(huán)。達到40 mm位移時，試件荷載下降到峰值荷載的80%，停止加載，試驗結(jié)束。

圖7 試件曲線Fig.7 P-Δ hysteresis curves of the tested

2.3 延性、剛度、耗能能力

圖8 節(jié)點骨架曲線Fig.8 P-Δ hysteresis curves of the tested

2.3.2 剛度退化 試件的剛度可用割線剛度kj來表示，割線剛度應按式(1)來計算[29]。

(1)

式中：Fj為第j次峰點荷載值；Xj為第j次峰點位移值。由于混凝土開裂等因素的影響，試件剛度kj隨著位移級別的增大而減小，這與節(jié)點屈服后型鋼彈塑性性質(zhì)及累計損傷有關(guān)。

圖9 試件剛度退化曲線Fig.9 Stiffness degradation of the tested

(2)

ξ

(3)

圖10 曲線滯回環(huán)Fig.10 Load versus displacement hysteresis

前文所述節(jié)點在最后一級荷載中沒有進行完整的循環(huán)，所得出的能量耗散系數(shù)E是根據(jù)破壞前一級循環(huán)產(chǎn)生的滯回環(huán)得出，計算結(jié)果偏小，計算結(jié)果列于表4。試件J2為貫通梁加載，其耗能指標偏小，原因是加載過程中梁栓焊混合連接發(fā)生破壞。觀察表4中試件J3、J4的等效黏滯阻尼系數(shù)可知，在保證栓焊連接質(zhì)量時，貫通梁ξ明顯大于斷開梁，作為次受力梁的等效黏滯阻尼系數(shù)ξ在0.3左右。

表4 節(jié)點耗能指標Table 4 Energy dissipation coefficients of the tested specimens

2.4 結(jié)果分析

通過對4個試件進行低周反復荷載試驗，分析其破壞形態(tài)及抗震性能，可以得出以下結(jié)論：

2)貫通梁(J2、J3)充分發(fā)揮了工字鋼的延性、剛度及耗能能力，斷開梁(J1、J4)也擁有良好的抗震性能，滿足抗震需求。

3)在相同的軸壓力作用下，尺寸較大的試件J1比尺寸較小的試件J4擁有更好的延性和耗能能力。

3 典型節(jié)點對比分析

節(jié)點類型與矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節(jié)點作對比分析，結(jié)果見表5。表中各試件均能達到抗震要求，因各試件尺寸和試驗軸壓比不同，節(jié)點延性無法比較。

表5 典型節(jié)點對比Table 5 Typical node comparison

4 結(jié)論

設計了一種新型矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節(jié)點，并結(jié)合節(jié)點的低周反復荷載試驗，分析了試件破壞形態(tài)及抗震性能，與已有節(jié)點形式對比，得出以下結(jié)論：

3)通過與外環(huán)板、內(nèi)隔板、隔板貫通式、鋼牛腿等節(jié)點類型對比，矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節(jié)點具有構(gòu)造簡單，施工方便，外觀美觀，節(jié)約材料等優(yōu)點，同時節(jié)點核心區(qū)斷開梁削翼緣處理后相較于兩型鋼直接穿插類型的節(jié)點，其核心混凝土更易澆筑，綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異。