不同構(gòu)造對裝配式鋼管再生混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響研究*

邊瑾靚，曹萬林，張宗敏，葉濤萍,3

(1 北京工業(yè)大學城市建設(shè)學部, 北京 100124； 2 天津城建大學天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護與加固重點實驗室， 天津 300384； 3 中建二局第一建筑工程有限公司， 北京 100176)

0 引言

鋼框架結(jié)構(gòu)自重輕，抗震性能好，裝配化程度高，廣泛應用于裝配式建筑中[1]。方鋼管柱截面相較于H型鋼柱，各向幾何尺寸相同，抗彎承載力在各方向能力相同。相較于圓鋼管柱，方鋼管柱與墻板連接更為簡便，因此對于裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，方鋼管柱是較好的選擇。方鋼管中灌入混凝土后形成的鋼管混凝土柱具有承載能力高、塑性好等優(yōu)點而得到了廣泛應用[2]。方鋼管混凝土柱與鋼梁存在多種的連接方式：內(nèi)隔板節(jié)點、外隔板節(jié)點、隔板貫通節(jié)點、直板連接型節(jié)點、頂?shù)捉卿摴?jié)點、貫穿螺栓節(jié)點和盲孔螺栓節(jié)點等。節(jié)點構(gòu)造以及抗震性能對于結(jié)構(gòu)安全性尤為重要。

國內(nèi)外學者對方鋼管柱節(jié)點進行了大量的研究。周天華等[3]對方鋼管混凝土柱-工字形梁節(jié)點破壞特征以及抗震性能進行了研究，并給出了設(shè)計建議。張愛林等[4]提出了裝配式方鋼管柱-桁架梁節(jié)點，對該節(jié)點進行單調(diào)加載試驗，研究其破壞模式和受力性能。Jiang J M等[5]對鋼管混凝土雙直板連接型節(jié)點進行了試驗研究，建立了非線性有限元模型，對節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系以及破壞特征進行了驗證。Cao S等[6]提出了一種新的節(jié)點構(gòu)造形式，這種節(jié)點采用上環(huán)板、下橫隔板的形式與梁的上下翼緣進行連接，并進行了低周反復荷載試驗。研究表明新型節(jié)點滯回曲線飽滿，延性和耗能能力較好。

筆者課題組[7-9]將再生混凝土內(nèi)填于薄壁方鋼管梁柱中，提出了裝配式輕型鋼管再生混凝土框架-復合墻結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)體系進行了抗震性能試驗研究。以往方鋼管混凝土梁柱節(jié)點多針對于高層結(jié)構(gòu)，而高層鋼管混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)造較為復雜，對于構(gòu)件尺寸較小的輕鋼結(jié)構(gòu)，過于復雜的節(jié)點增加了施工的難度[10]，過強的節(jié)點設(shè)置不利于住宅經(jīng)濟性要求，造成資源的浪費。為豐富低層輕鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點形式，探究薄壁方鋼管再生混凝土梁柱節(jié)點的抗震性能，基于以往高層結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點研究，提出了8種不同構(gòu)造的裝配式鋼管再生混凝土框架節(jié)點。對8個試件進行低周反復荷載試驗，研究不同構(gòu)造對裝配式鋼管再生混凝土框架節(jié)點抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計制作了8個裝配式方鋼管再生混凝土梁柱節(jié)點試件，梁、柱截面均選用100mm×100mm×4mm方鋼管，并內(nèi)填再生混凝土。不同節(jié)點構(gòu)造以及詳細尺寸見圖1，主要設(shè)計參數(shù)見表1。

焊接型節(jié)點：梁直接通過焊接方式與柱進行連接，如圖1(a)所示。雙直板連接型節(jié)點：柱節(jié)點區(qū)左、右兩側(cè)焊接直板連接板，梁與連接板通過螺栓進行裝配連接，如圖1(b)所示。三直板連接型節(jié)點：柱節(jié)點區(qū)上、下、右三側(cè)焊接三個直板連接板，梁與連接板通過螺栓進行裝配連接，如圖1(c)所示。

試件主要設(shè)計參數(shù) 表1

雙L形節(jié)點：參考鋼管混凝土頂?shù)捉卿摴?jié)點，設(shè)計了L形連接板并與柱節(jié)點區(qū)上下側(cè)進行焊接，L形連接板與梁通過螺栓進行裝配連接。為增強節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度以及承載能力，基于雙L形節(jié)點，通過焊接不同尺寸、數(shù)量的三角加勁肋，提出了不同的雙L形帶加勁肋節(jié)點構(gòu)造形式，如圖1(e)～(h)所示。SL-1試件和SL-2試件三角加勁肋高度為70mm，SL-1試件為單三角加勁肋，SL-2試件為雙三角加勁肋。SL-3試件和SL-4試件三角加勁肋高度為150 mm，SL-4試件是在SL-3試件基礎(chǔ)上附加了一根直徑為16 mm的鋼筋，如圖1(h)所示。試件所用連接板及三角加勁肋厚度均為6 mm。

圖1 試件尺寸

節(jié)點試件梁柱內(nèi)填再生混凝土，粗骨料取代率為100%，實測混凝土抗壓強度為43.4 MPa，彈性模量為3.02×104MPa，再生混凝土配合比如表2所示。再生粗骨料粒徑為5～10mm，含水率為3.92%，再生粗骨料物理性能如表3所示。梁柱以及連接板鋼材力學性能指標如表4所示。

再生混凝土配合比/(kg·m-3) 表2

再生粗骨料物理性能 表3

實測鋼材的力學性能 表4

1.2 試驗裝置及加載制度

設(shè)計了一種用于研究輕鋼框架梁柱節(jié)點受力性能的試驗裝置，見圖2。通過柱端卡槽、蓋板以及螺栓對柱端進行約束。長孔螺栓槽用于將試驗裝置固定在萬能力學試驗機上，并對加載點進行調(diào)整。通過萬能力學試驗機加載梁的上、下往復運動，實現(xiàn)對裝配式框架梁柱節(jié)點的抗震性能研究。

圖2 試驗裝置

采用荷載-位移加載制度，如圖3所示。試件加載屈服前，采用荷載控制并分級加載，每級荷載往復加載兩次。試件屈服后采用位移控制，位移值取試件屈服最大位移值，并以該位移值的倍數(shù)為級差進行控制加載。當試件承載力下降為峰值荷載的85%時，終止加載，對應的荷載作為破壞荷載。

圖3 加載制度

1.3 測點布置

試件加載點以及位移計布置如圖4(a)所示。加載點距離柱表面L=523 mm，共布置了7個位移傳感器，編號D1～D7，用于記錄梁和柱的位移變化。應變片主要在節(jié)點域受力最大處布置，以焊接型節(jié)點為例，應變片布置如圖4(b)所示，應變片編號為1～14。

圖4 位移計和應變片布置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞特征

HJJ試件破壞特征為梁柱連接處焊縫受力破壞，破壞時無明顯征兆，如圖5(a)所示。LBJ試件受力后，節(jié)點區(qū)域梁與連接板相對變形較大。連接板螺栓孔處鋼材受拉屈服，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。當荷載到達承載力峰值時，螺栓孔上方鋼板被拉斷，承載力下降，如圖5(b)所示。SBJ試件破壞特征為節(jié)點域上、下連接板與柱焊縫受力破壞，側(cè)面連接板無明顯破壞現(xiàn)象，如圖5(c)所示。

圖5 破壞特征

SL-0試件破壞特征為L形連接板與柱焊縫受力破壞，焊縫隨后開裂延伸，如圖5(d)所示。SL-1和SL-2試件破壞特征均為L形連接板與柱焊縫受力破壞，三角加勁肋與L形連接板焊縫撕裂，如圖5(e)，(f)所示。SL-3試件破壞特征為L形連接板轉(zhuǎn)角處受拉斷裂，三角加勁肋將L形連接板拉斷，三角加勁肋受壓屈曲，如圖5(g)所示。SL-4試件破壞特征為L形連接板與柱焊縫受力破壞，三角加勁肋將L形連接板拉斷。由于附加了鋼筋，三角加勁肋并未出現(xiàn)受壓屈曲現(xiàn)象，如圖5(h)所示。

2.2 抗震性能

通過公式(1)，(2)對試驗數(shù)據(jù)進行處理：

M=F×L

(1)

θ=Δ/L

(2)

式中：M為彎矩；F為豎向荷載；L為加載點到柱表面距離；θ為試件轉(zhuǎn)角；Δ為加載點豎向位移。

試件彎矩(M)-轉(zhuǎn)角(θ)滯回曲線，如圖6所示。從圖6(a)可以看出HJJ試件承載力較低，滯回曲線不飽滿。梁柱焊縫撕裂后，試件承載力迅速下降，延性較差。圖6(b)，(c)為兩種不同的直板連接型梁柱節(jié)點，LBJ試件峰值荷載與SBJ試件相近，但LBJ滯回曲線飽滿，抗震耗能能力較強。

圖6(d)～(h)為雙L形連接節(jié)點以及不同構(gòu)造雙L形帶加勁肋節(jié)點。SL-0試件承載力較低，當雙L形連接節(jié)點附加三角加勁肋后，顯著提高了節(jié)點的承載力及耗能能力。不同構(gòu)造裝配式節(jié)點中， SL-3試件承載能力較高，滯回曲線飽滿，當附加上鋼筋后(SL-4)，其延性得到了較大的改善。

圖6 試件彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線

μ=θ0.85m/θy

(3)

圖7 骨架曲線

圖8 名義屈服位移計算示意

圖9 試件延性系數(shù)

通過式(3)對試件變形能力進行分析，如圖9所示。分析表5、圖7和圖9可以發(fā)現(xiàn)：

(1)HJJ，LBJ，SBJ試件和SL-1試件承載能力接近，但延性差異性較大。SL-1試件承載力和延性均優(yōu)于其他三種節(jié)點構(gòu)造形式。

節(jié)點試件試驗特征值 表5

(2)SL-0試件雖然延性系數(shù)較高，約為HJJ試件的2.89倍，但承載能力較低，約為HJJ試件的0.64倍。

(3)SL-2，SL-3試件和SL-4試件承載力較高，分別是HJJ節(jié)點的1.51倍，1.91倍和1.97倍，但延性系數(shù)較SL-0試件與SL-1試件有所下降。SL-4試件延性系數(shù)大于SL-3試件，焊接鋼筋提高了三角加勁肋抗屈曲能力，提高了雙L形強化加勁肋節(jié)點的承載力和延性。

2.3 剛度退化

采用歸一化割線剛度-轉(zhuǎn)角關(guān)系對試件剛度退化進行分析，見圖10。圖中K0為試件初始剛度。Ki為不同轉(zhuǎn)角對應的平均割線剛度，計算公式為：

圖10 剛度退化曲線

(4)

式中：fi+和fi-為每級循環(huán)正、負向最大峰值荷載；Δi+和Δi-為每級循環(huán)正、負向最大峰值位移。

裝配式鋼管再生混凝土梁柱節(jié)點剛度退化主要經(jīng)歷兩個階段：1)剛度快速下降階段；2)剛度慢速下降階段。加載初期構(gòu)件受力并逐步出現(xiàn)受力損傷，試件剛度快速下降。當梁、柱以及連接板屈服耗能穩(wěn)定時，剛度下降速率降低，進入慢速下降階段。焊接型節(jié)點由于延性較差，試件經(jīng)歷剛度快速下降階段后，便破壞退出工作。

除焊接型節(jié)點外，其他7種不同構(gòu)造節(jié)點試件剛度退化速率呈現(xiàn)出差異性，承載力較低的SL-0試件與SBJ試件，由于焊縫在加載過程中較快進入了損傷階段，較其他類型節(jié)點剛度退化快。LBJ，SL-1，SL-2三個試件的剛度退化相近，剛度退化速率較SL-0試件與SBJ試件減緩。SL-3試件與SL-4試件增加了三角加勁肋高度，提高了節(jié)點域抗彎性能，減緩了剛度退化過程。

2.4 耗能能力

對試件每級加載循環(huán)中，第一循環(huán)滯回曲線所圍面積進行累積疊加，計算試件累計耗能值Ep。各試件Ep-θ曲線如圖11(a)所示。

圖11 試件累計耗能對比

HJJ試件延性較差，較早出現(xiàn)破壞并退出工作，累計耗能較低。當θ<2.5%時，其他7種不同構(gòu)造節(jié)點試件耗能能力差異性并不顯著。隨著試件損傷的累積，SBJ試件和SL-0試件耗能能力逐步減弱，耗能能力較低。SL-3試件與SL-4試件耗能能力顯著優(yōu)于其他構(gòu)造類型試件，由于SL-4試件附加的鋼筋增加了三角加勁肋的抗屈曲能力，試件延性提高，耗能能力較好。將θ=4.5%與θ=6.5%時試件累計耗能進行對比，如圖11(b)所示。由于HJJ試件小轉(zhuǎn)角出現(xiàn)破壞，圖11(b)不包含HJJ試件。LBJ，SL-3和SL-4試件在加載前期和加載后期，都表現(xiàn)出較好的耗能能力。SL-3試件與SL-4試件前期耗能能力相近，由于附加了鋼筋，SL-4試件節(jié)點域損傷得到改善，提高了加載后期試件的耗能能力。

2.5 應變分析

對節(jié)點試件應力狀態(tài)進行分析，各節(jié)點試件裝配處應變-加載歷程曲線如圖12所示，圖中實線為梁柱裝配處側(cè)面應變曲線(ε1)，虛線為梁柱裝配處頂面應變曲線(ε2)，點線為鋼材屈服應變(εy)。

圖12 節(jié)點域應變值

由圖12可以發(fā)現(xiàn)，對于HJJ試件，由于焊縫較早進入了損傷階段，焊縫開裂后，梁構(gòu)件受力減小，裝配處頂面與側(cè)面應力水平較低。LBJ試件梁通過螺栓與側(cè)面連接板連接，側(cè)面連接板為主要受力構(gòu)件并受力達到屈服應變。SBJ試件加載前期，上下連接板與側(cè)面連接板協(xié)同工作，應變發(fā)展趨勢接近。由于上下連接板焊縫較早出現(xiàn)損傷，試件破壞退出工作，應力水平較低。

SL-0試件焊縫較早出現(xiàn)了損傷，局部受力減弱，梁與柱應力水平較低。SL-1試件和SL-2試件受力狀態(tài)相近，試件加載前期，三角加勁肋為主要受力構(gòu)件，接近峰值荷載時，柱應力水平較高。當三角加勁肋與連接板出現(xiàn)受力破壞時，節(jié)點域應力重分布，柱應力水平降低，L形連接板頂面應力水平提高，達到屈服狀態(tài)。SL-3試件與SL-4試件提高了節(jié)點域高度，柱局部應力集中現(xiàn)象得到改善，整體受力過程與SL-1試件和SL-2試件相近。

試件節(jié)點分類 表6

3 節(jié)點分類

歐洲規(guī)范EN 1993-1-8中根據(jù)剛度將節(jié)點分為剛性、半剛性、鉸三類。從強度角度將節(jié)點分為全強度、部分強度、鉸三類。

(1)剛度分類

通過對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度Sj,ini與kbEIb/Lb的比較對節(jié)點進行剛度分類，對于無側(cè)移框架，kb=8；對于有側(cè)移框架，kb=25。EIb為梁的抗彎剛度，Lb為梁的長度，kb為梁Ib/Lb的均值。當Sj,ini>kbEIb/Lb時，節(jié)點為剛性節(jié)點，當Sj,ini<0.5EIb/Lb時，節(jié)點為鉸節(jié)點，半剛性節(jié)點值介于剛性節(jié)點與鉸節(jié)點之間。

(2)強度分類

通過對節(jié)點極限彎矩Mu與梁塑性彎矩Mbp的比較對節(jié)點進行強度分類。當Mu>Mbp時，節(jié)點為全強度節(jié)點；當Mu<0.25Mbp時，節(jié)點為鉸節(jié)點；部分強度節(jié)點值介于全強度節(jié)點與鉸節(jié)點之間。

對于鋼管混凝土梁的最大塑性彎矩Mbp以及抗彎剛度EIb，參考相關(guān)公式進行計算[11]，具體公式為：

Mbp=γmWscmfscy

(5)

式中：γm為抗彎承載力計算系數(shù)，γm=1.04+0.48×ln(ξ+0.1)；ξ為約束效應系數(shù)；Wscm為截面抗彎模量；fscy為鋼管混凝土軸心受壓時的強度指標，fscy=(1.18+0.85ξ)fck；fck為混凝土軸心抗壓強度標準值。

EIb=EsIs+0.6EcIc

(6)

式中：Es為鋼材彈性模量；Is為鋼管截面慣性矩；Ec為混凝土彈性模量；Ic為核心混凝土截面慣性矩。

將各試件初始轉(zhuǎn)動剛度、梁剛度以及梁塑性彎矩等值匯總于表6。從表6可以看出，試驗中8種節(jié)點均屬于半剛性節(jié)點。根據(jù)強度分類規(guī)則，雙L形強化加勁肋節(jié)點(SL-3，SL-4試件)達到了全強度節(jié)點，其他6種節(jié)點均屬于部分強度節(jié)點。

4 結(jié)論

本文通過對8個不同構(gòu)造節(jié)點試件進行低周反復荷載試驗，研究了不同構(gòu)造對裝配式鋼管再生混凝土梁柱節(jié)點抗震性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)不同節(jié)點構(gòu)造形式對裝配式鋼管再生混凝土梁柱節(jié)點抗震性能影響較大。焊接型節(jié)點承載力、延性以及耗能能力較低。直板連接型節(jié)點與焊接型節(jié)點承載力相近，但直板連接型節(jié)點延性以及耗能能力優(yōu)于焊接型節(jié)點。直板連接型節(jié)點中，雙直板連接型節(jié)點抗震性能優(yōu)于三直板連接型節(jié)點，節(jié)點構(gòu)造也較為簡單，便于裝配安裝。

(2)雙L形無加勁肋節(jié)點承載力低，較早便出現(xiàn)焊縫損傷。提出的雙L形帶加勁肋節(jié)點抗震性能得到了顯著提高。SL-2，SL-3試件和SL-4試件的承載力分別是焊接型節(jié)點的1.51倍，1.91倍和1.97倍，三角加勁肋高度的增加提高了節(jié)點的抗震性能，改善了節(jié)點區(qū)域柱的應力集中現(xiàn)象。雙L形強化加勁肋節(jié)點構(gòu)造簡單，抗震性能好。通過在三角加勁肋旁附加鋼筋的形式，可以提高節(jié)點延性以及抗震耗能能力。

(3)參考歐洲規(guī)范對試驗節(jié)點進行分類。雙L形強化加勁肋節(jié)點(SL-3，SL-4試件)為半剛性全強度節(jié)點，其他6種不同構(gòu)造的裝配式鋼管再生混凝土節(jié)點均屬于半剛性部分強度節(jié)點。