多種框架結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震性能的研究

薛 源，張長浩，黃 拓

1.長安大學建筑工程學院，陜西西安 710061

2.長安大學理學院，陜西西安 710064

0 引言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是建筑工程中應(yīng)用最早的框架結(jié)構(gòu)，近年來隨著建筑工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)。鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中包括型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)和矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，人們將這兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于新型框架結(jié)構(gòu)當中。框架結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)移剛度比較差，屬于柔性結(jié)構(gòu)，在水平地震荷載作用下常常發(fā)生較大位移。一旦位移值超過結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的限值，即發(fā)生非結(jié)構(gòu)性破壞。但是柔性框架結(jié)構(gòu)在承受水平地震荷載過程中是個耗散能量的過程，本文通過對3種結(jié)構(gòu)的滯回曲線和包絡(luò)線進行分析比較，探討它們對耗散地震能量以及結(jié)構(gòu)延性性能的影響。

1 3種結(jié)構(gòu)的試驗研究

1.1 矩形鋼管混凝土框架節(jié)點的試驗研究

矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)采用鋼材為Q235B，采用四塊鋼板拼焊而成，混凝土強度等級采用C40。采用強度等級較高的混凝土是為了增強鋼管和混凝土之間的粘結(jié)，混凝土中加入適量的膨脹劑，以抵消混凝土收縮帶來的不利影響。本試驗采用的擬精力加載，試驗軸壓比設(shè)計為0.3，豎向荷載通過液壓千斤頂加載。試驗開始階段豎向荷載一次加載到預(yù)定位移值，然后水平方向施加周期性反復荷載，每一個周期內(nèi)施加荷載時，在屈服前采用荷載控制加載，屈服后采用屈服位移的倍數(shù)控制加載。在反復加載的過程中，框架節(jié)點附近梁端先受壓鼓曲，后受拉成平面。在最后一級荷載循環(huán)中，頂板和底板出現(xiàn)不可恢復的鼓曲變形，被拉開裂，裂縫向側(cè)板中心擴展。頂板，底板和側(cè)板之間的焊縫開裂，內(nèi)部混凝土被壓碎破壞。此時，水平荷載降低至極限荷載的33.3%～50%，試驗終止。

1.2 型鋼混凝土框架節(jié)點的試驗研究

本試驗采用裝配整體式型鋼混凝土框架節(jié)點，即在工廠預(yù)制型鋼混凝土梁和型鋼混凝土節(jié)點，然后在施工現(xiàn)場將節(jié)點和梁進行組裝，具有施工簡便、速度快的特點。同時為了避免梁端部的非線性變形擴散到框架節(jié)點核心區(qū)從而引起框架節(jié)點核心區(qū)的開裂，對于離梁端部一定距離處采取了翼緣狗骨式削弱，從而使塑性鉸現(xiàn)在狗骨式削弱部位出現(xiàn)。梁端型鋼腹板采用高強螺栓連接，鋼筋采用套管連接。試件型鋼翼緣到混凝土表面的距離是100mm，箍筋的混凝土保護層厚度是50mm。試驗裝置采用豎向液壓加載器和水平反力墻反力架裝置。豎向先給柱施加荷載到預(yù)定位移，然后豎向給梁端部附近施加周期性反復荷載。試件屈服之前采用

荷載控制加載，每一級荷載正反向各施加一次，試件屈服后采用屈服位移的倍數(shù)進行位移控制加載，每級荷載反復施加3次，循環(huán)到最大荷載為極限荷載的85%，即認為試件破壞，試驗終止。

2 3種結(jié)構(gòu)的滯回性能分析研究

在一個周期內(nèi)的一個方向的加載過程中，試件經(jīng)歷了線性，彈性階段，然后是屈服階段，接著是強化階段和破壞階段。在第一個循環(huán)的正向加載過程中，試件經(jīng)歷了線性階段和彈性階段之后，進入屈服階段，屈服后進入強化階段的中間過程時突然卸載，試件有一部分殘余變形，然后反向加載，試件同樣經(jīng)歷線性階段，彈性階段和屈服階段進入強化階段，未達極限荷載時再卸載，試件在原有殘余變形基礎(chǔ)上累加一部分殘余變形。然后再進行第二次循環(huán)加載，第三次循環(huán)加載知道試件發(fā)生破壞。由于第一次循環(huán)加載過程中試件已經(jīng)發(fā)生了一部分彈塑性變形，累積了一定量的彈塑性損傷，第二次加載過程中試件的剛度下降，強度下降。在荷載變形曲線上表示為第二次循環(huán)的拐點值（極限荷載值）比第一次循環(huán)降低，荷載變形曲線的斜率降低，則表明其剛度減小。每一次循環(huán)加載的正向加載卸載曲線或者反向加載卸載曲線和橫軸包圍成的閉合線稱為滯回曲線。鋼筋混凝土框架節(jié)點在反復荷載的作用下，強度剛度下降的少，而且每次加載過程中延性比較差，即屈服流幅的時間短，導致滯回曲線窄長不飽和，沒有形成紡錘形。型鋼混凝土框架節(jié)點和矩形鋼管混凝土框架節(jié)點在每一次加載過程中屈服流幅的時間比較長，滯回曲線比較飽和，其形狀接近紡錘形。在此引入粘性阻滯系數(shù)，延性粘滯阻尼系數(shù)為滯回曲線所包圍的面積和拐點同橫軸以及過拐點的在橫軸上的垂線組成的三角形的面積之比。滯回線越飽和，延性粘滯阻尼系數(shù)越大，構(gòu)件的延性越好。在試件的反復受循環(huán)加載過程中，試件的滯回曲線一次比一次更加飽和，三種框架節(jié)點都是在循環(huán)若干次后，加載至低于小于極限荷載的某一值時發(fā)生破壞。將每一次循環(huán)加載過程中的荷載值最大點連接起來構(gòu)成的曲線就是包絡(luò)線，通過包絡(luò)線可以看出試件強度和剛度退化的程度。鋼筋混凝土框架節(jié)點的強度和剛度退化程度比矩形鋼管混凝土框架節(jié)點的強度和剛度的退化程度要大，矩形鋼管混凝土框架節(jié)點的強度和剛度退化程度比預(yù)制裝配式型鋼混凝土框架節(jié)點的強度和剛度的退化程度要大。滯回曲線越飽和，則遭遇地震荷載的過程中耗散能量的能力最強。鋼筋混凝土框架節(jié)點的滯回曲線細長最不飽和，則鋼筋混凝土框架節(jié)點耗能能力最差，抗震性能最差。預(yù)制裝配式型鋼混凝土框架節(jié)點的滯回曲線最飽和，則預(yù)制裝配式型鋼混凝土框架節(jié)點的耗能能力最強，抗震性能最好。而矩形鋼管混凝土框架節(jié)點的耗能能力和抗震性能介于二者之間。地震荷載在水平荷載中起控制作用，在實際的工程中多層和底層建筑結(jié)構(gòu)宜采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu)，水平剛度大，在遭受地震荷載的過程中雖然發(fā)生了較大的變形，但是變形值一旦超過正常使用允許的限值，也將發(fā)生破壞。在高層結(jié)構(gòu)中應(yīng)該盡量采用耗散地震釋放的能量能力強的以及延性比較好的結(jié)構(gòu)，如型鋼混凝土框架和矩形鋼管混凝土框架，但是采用后兩種結(jié)構(gòu)的話，用鋼量大大增加，又提高了建筑結(jié)構(gòu)的造價，因此在實際工程中應(yīng)該綜合考慮，既要設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)以便能大量耗散掉地震釋放的能量而不破壞，還要盡量節(jié)約造價。

3 結(jié)論

1）框架節(jié)點在受循環(huán)荷載的過程中，隨循環(huán)次數(shù)的增加，滯回曲線越來越飽和，變形值越來越大。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，彈塑性累積損傷增加，強度和剛度退化；

2）滯回曲線越飽和則耗能能力越強，抗震性能越好。矩形鋼管混凝土框架節(jié)點的抗震性能強于鋼筋混凝土框架節(jié)點，預(yù)制裝配式型鋼混凝土框架節(jié)點的抗震性能又強于矩形鋼管混凝土框架節(jié)點；

3） 我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震應(yīng)該充分考慮框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的地震內(nèi)力大小以及內(nèi)力的傳遞方式，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，減輕地震災(zāi)害，對重要的建筑物的薄弱部位進行適當?shù)募庸獭?/p>

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