預制裝配式混合框架結構節(jié)點抗震性能研究

杜長虹 魏國強

摘 要：本文通過對預制裝配式混合框架結構混凝土柱-鋼梁節(jié)點的擬靜力試驗研究，得出此類型節(jié)點具有較好的抗震性能。梁端荷載-位移滯回曲線較飽滿，能夠耗散地震能量，并且延性系數(shù)大于2，滿足相關規(guī)范抗震要求。

關鍵詞：裝配式;混合框架結構;節(jié)點;抗震性能

中圖分類號：TU398.2;TU352.11文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0089-03

Abstract： Through the pseudo-static test research on the concrete column-steel beam joint of the prefabricated hybrid frame structure， this paper concluded that this type of joint had good seismic performance. The load-displacement hysteresis curve at the beam end is full and can dissipate seismic energy， and the ductility coefficient is greater than 2， which meets the seismic requirements of relevant codes.

Keywords： prefabricated;hybrid frame structure;joint;seismic performance

近幾十年來，世界經濟發(fā)展迅速，帶來的負面影響是環(huán)境污染變得嚴重。世界各國越來越重視環(huán)境保護，我國同樣把環(huán)境保護作為重要的一環(huán)。國家頒布了許多利于保護環(huán)境的政策，提倡綠色建筑就是其中之一。預制裝配式混合結構因其優(yōu)點可以稱得上是綠色建筑。優(yōu)點是構件在工廠預制，減少施工過程中物料損耗，減少施工現(xiàn)場建筑垃圾，減少施工現(xiàn)場噪聲;選用材料為混凝土和鋼材，鋼材可以重復利用，不適用黏土磚，保護環(huán)境。預制裝配式混合框架結構可以廣泛使用在高層建筑中。西北地區(qū)地處地震帶，建筑抗震是重點研究內容?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》（GB 50011—2010）[1]中，設計原則之一是強節(jié)點、弱構件，所以預制裝配式混合框架結構節(jié)點抗震性能研究具有重要意義。

20世紀，北美洲的裝配式建筑主要用于低層抗震設防地區(qū)。由于加利福尼亞州的地震影響，近年來，美國非常重視中高層預制結構抗震，出版了《預制混凝土結構抗震設計》一書，從理論和實踐角度系統(tǒng)地分析了預制建筑的抗震設計問題，總結了許多預制混凝土結構抗震設計的最新科研成果。歐洲形成了各種專用預制建筑體系和標準化的通用預制產品系列，并編制了一系列預制混凝土工程標準和應用手冊。亞洲地區(qū)，日本在裝配式建筑領域處于領先地位，日本學習歐美的成功經驗，在探索裝配式建筑的標準化設計施工基礎上結合自身要求，在預制結構體系整體性抗震方面取得了突破性進展。

我國裝配式建筑抗震性能研究主要是裝配式建筑節(jié)點抗震性能研究和整體抗震性能研究。有研究通過試驗分析了鋼結構裝配式建筑節(jié)點抗震性能、混凝土裝配式建筑節(jié)點及連接部位抗震性能，結果發(fā)現(xiàn)，常見的鋼結構裝配式建筑節(jié)點型式均能滿足抗震要求，混凝土裝配式建筑節(jié)點和連接部位也能滿足抗震要求[2-3]。但是，我國對裝配式混合框架結構抗震性能的研究較少，適于西北高烈度區(qū)的裝配式混合框架結構抗震性能研究也較少。所以，本文對預制裝配式混合框架結構節(jié)點的抗震性能進行試驗研究。

1 預制裝配式混合框架結構節(jié)點試件設計

為了使試驗結果具有代表性，本試驗選取預制裝配式混合框架結構中常用的節(jié)點形式混凝土柱-鋼梁混合框架結構節(jié)點。根據(jù)框架結構的受力特點，選取框架邊節(jié)點從梁和柱反彎點處斷開，受力如圖1所示?？紤]《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）、《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2017）[4]、《建筑抗震試驗規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）[5]的要求和實驗室設備能力，確定試件尺寸與原構件尺寸比為1∶4。試件采用等強度設計方法設計。節(jié)點核心區(qū)構造做法如下：鋼梁貫通節(jié)點，節(jié)點兩側設置加勁肋，混凝土柱中設置工字型鋼柱并焊接在鋼梁翼緣上，節(jié)點箍筋穿過鋼梁腹板。這樣可以提高鋼梁與混凝土柱組合節(jié)點的抗震能力，防止組合節(jié)點過早出現(xiàn)柱端混凝土的局部受壓破壞和鋼梁的局部屈曲變形。節(jié)點尺寸如圖2所示。

2 節(jié)點加載與測量方案

2.1 擬靜力試驗裝置

本試驗裝置為空間受力組合試驗裝置，通過結構框架提供豎向、水平加載結構反力，外側框架豎向承載力為300 kN，水平承載力為200 kN，立柱之間局部承載力為1 000 kN，內側框架豎向承載力為100 kN。如圖3所示，結構形式為七立柱門式框架自反力結構，上下橫梁采用箱形鋼梁制作，一側上下橫梁通過4根H型鋼立柱連接，另一側上下橫梁通過3根H型鋼立柱連接，上橫梁高度按模數(shù)可調。上下橫梁均安裝平行直線導軌，導軌上安裝可移動的小車，小車上可安裝支座、加載油缸等，可同時實現(xiàn)多點、多方向拉壓力加載、加載點的數(shù)量及方向不限。

加載裝置為液壓加載類型，以油缸為主，通過后法蘭盤與梁、柱連接。拉壓雙作用油缸，活塞桿中空加工有內螺紋，并安裝有螺桿，用以調整油缸的運動范圍，可與拉壓力傳感器相連。雙作用油缸，有手動行程調節(jié)功能，油管采用快速接頭的連接方式。

本試驗加載時，梁-柱節(jié)點的邊界條件是柱端為鉸接，約束豎向位移和水平位移，梁端為滑動鉸接，約束水平位移，在梁端加載水平荷載。加載示意圖如圖4所示。

2.2 加載方法

本試驗選用擬靜力加載試驗，加載方法采用荷載-位移雙控制。首先，根據(jù)等強度原則，計算梁柱節(jié)點的屈服荷載和破壞荷載。在試件節(jié)點核心區(qū)屈服前，根據(jù)屈服荷載控制并逐級加載，接近屈服荷載時減少加載級差，在試件屈服前每級荷載反復一次加載。在試件節(jié)點核心區(qū)屈服后采用變形控制，變形值取節(jié)點核心區(qū)鋼筋屈服時試件的最大位移值，然后以該位移值的倍數(shù)為級差進行控制加載，每級加載反復三次。

2.3 測量方案

本試驗應用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)DH3816，用于試驗過程中位移和靜態(tài)應變的測量。系統(tǒng)電源箱、采集箱采用分體式，便于操作，測儀器有快速接線插座，可擴展至4 096個通道，方便與計算機進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲、轉換功能。系統(tǒng)對應變片和位移計的數(shù)據(jù)進行采集。位移計的放置位置如圖4所示，應變片放置位置如圖5所示。

3 試驗現(xiàn)象及性能分析

3.1 試驗現(xiàn)象

在20 kN荷載反復一次作用下，正方向最大位移為3.67 mm，卸載后沒有殘余變形，鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大壓應變?yōu)?68 με，最大拉應變?yōu)?08 με。

在30 kN荷載反復一次作用下，正方向最大位移為5.98 mm，卸載后殘余變形小，反方向最大位移為10.16 mm，卸載后殘余變形為5.22 mm，這時鋼梁底部有位移0.9 mm。鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大壓應變?yōu)?30 με，最大拉應變?yōu)?05 με。

節(jié)點混凝土沒有裂縫。

在50 kN荷載反復一次作用下，正方向最大位移為17.23 mm，殘余變形為10.55 mm。在反方向荷載作用下，最大位移為39.89 mm，殘余變形為34.89 mm，鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大壓應變?yōu)?53 με，最大拉應變?yōu)?79 με。此時，鋼梁底部位移為7.5 mm。當荷載反方向42 kN作用時，節(jié)點混凝土出現(xiàn)裂縫，向鋼梁根部延伸。節(jié)點核心區(qū)縱筋最大應變?yōu)?05 με。

轉換成位移控制，位移控制在25 mm下，正方向荷載加到95 kN，能聽到啪啪的響聲，位移控制到37 mm，加載到116.3 kN，鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大應變?yōu)? 552 με，說明此處開始屈服，進入塑性階段，隨著荷載越來越大，螺栓也產生響聲，開始滑移。

位移控制為103 mm時，正方向力達到182 kN，反方向力達158 kN，鋼梁受力最大處出現(xiàn)屈曲，且不能恢復，構件破壞，試驗結束?；炷凉?jié)點核心區(qū)沒有斜裂縫，有發(fā)展的垂直裂縫。

3.2 節(jié)點試件抗震性能分析

3.2.1 滯回性能。通過對節(jié)點擬靜力加載，得到試件梁端荷載-位移滯回曲線，如圖6所示。

當施加荷載較小時，混合結構節(jié)點試件基本處于彈性階段，卸載后基本沒有殘余變形。當荷載加到50 kN時，鋼梁蓋板連接處出現(xiàn)滑移，卸載后不能恢復到原來位置，試件進入塑性階段，隨著荷載的增加，卸載后殘余變形越來越大。試件最后是梁端處先破壞。從圖6可以看出，滯回曲線整體呈弓字形，此節(jié)點形式抗震性能較好。

3.2.2 試件的延性。延性是衡量結構抗震能力的一個重要指標，延性越大，構件變能力越強，抗震性能越好。延性通常用延性系數(shù)來表示，延性系數(shù)包括曲率延性系數(shù)、位移延性系數(shù)、轉角延性系數(shù)，其中位移延性系數(shù)=試件屈服荷載所對應的位移除以試件極限荷載承載力下降到85%對應的位移。試件的位移延性系數(shù)=破壞位移/屈服位移=103 mm/37 mm=2.78。

混凝土結構一般要求延性系數(shù)大于2，本次試驗試件位移延性系數(shù)2.78大于2，構件延性滿足抗震要求。

4 結論

本次節(jié)點試驗結果表明，本試件混凝土柱-鋼梁混合框架結構節(jié)點抗震性能良好。試件荷載-位移滯回曲線整體呈弓字形，此類型節(jié)點破壞前能夠耗散一定的地震作用能量，此節(jié)點具有一定的抗震能力。由試驗得出，試件位移延性系數(shù)為2.78，大于2，滿足混凝土結構構件延性抗震要求。試驗結束時，鋼梁梁端屈曲破壞，此時節(jié)點核心區(qū)并沒有產生斜裂縫破壞，此類型節(jié)點梁先破壞，滿足墻柱弱梁抗震要求;試驗結束時，節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)垂直裂縫，并且縱筋已經屈服，沒有斜裂縫，這說明節(jié)點已經受彎屈服，沒有受剪破壞，此類型節(jié)點滿足強剪弱彎抗震要求。

參考文獻：

[1]住房和城鄉(xiāng)建設部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規(guī)范：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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[3]胡大柱，李國強，孫飛飛，等.半剛性連接組合框架地震反應分析[J].工程抗震與加固改造，2007（1）：19-25.

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[5]住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑抗震試驗規(guī)程：JGJ/T 101—2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.