鋼-混凝土組合梁鋼框架節點抗震性能試驗

王 力，閆世杰，鄭 圓，張成龍

（1.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，300142天津）

鋼-混凝土組合梁鋼框架節點抗震性能試驗

王 力1，閆世杰2，鄭 圓1，張成龍1

（1.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090哈爾濱；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，300142天津）

為了研究鋼-混凝土組合梁鋼框架節點的抗震性能，本文進行了3個1／2縮尺的鋼-混凝土組合梁鋼框架節點的擬靜力試驗，主要研究了節點類型（2個中柱節點、1個邊柱節點）、混凝土板寬度等對組合節點抗震性能的影響，對節點的破壞模式、滯回曲線、耗能能力、延性、強度和剛度退化等性能進行了研究，并利用有限元軟件ABAQUS對組合節點在單調荷載作用下彈塑性性能進行分析，對比可知理論分析與試驗結果吻合較好.研究表明：組合節點的變形能力以及耗能能力較強，強度與剛度退化不明顯，節點位置和混凝土板有效寬度對節點抗震性能影響較大.

鋼-混凝土組合梁鋼框架節點；擬靜力試驗；抗震性能

在1994年美國洛杉磯北嶺地震和1995年日本阪神地震的破壞中，大部分鋼框架梁柱連接節點都發生了意想不到的脆性破壞［1］，因此為了提高節點的延性以及抗震性能，人們將目光投向了組合結構，而鋼-混凝土組合梁鋼框架結構作為組合結構的一種典型代表，是目前組合結構研究的趨勢.該梁柱組合節點主要由鋼框架梁柱連接節點以及覆蓋在其上面的鋼筋混凝土板通過鋼梁與混凝土板之間的抗剪連接件組成.

文獻［2-5］對組合節點進行了單向荷載試驗研究；文獻［6-7］分別對組合節點進行了循環荷載試驗，研究組合節點的抗震性能；文獻［8-9］分別利用ANSYS和ABAQUS軟件，數值模擬研究了組合節點和框架在靜力荷載以及往復荷載作用下的力學性能.

鑒于目前國內外對鋼-混凝土組合梁鋼框架節點的研究主要在靜力研究上，本文進行了3個鋼-混凝土組合梁鋼框架節點的抗震性能試驗研究，主要研究節點類型、混凝土板有效寬度對節點抗震性能的影響.分析了節點的破壞模式、影響因素，得到了加載點豎向荷載與豎向位移的滯回曲線和骨架曲線，對節點的耗能能力、延性、強度退化和剛度退化進行了研究.

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗共制作了3個節點試件，編號分別為HCJ-1～HCJ-3.試件尺寸為1／2縮尺.鋼梁截面規格為H200×100×5.5×8，鋼柱截面規格為H200×200×8×12；鋼梁長度為1 350 mm，鋼柱長度為1 900 mm；混凝土板厚度為80 mm，縱向鋼筋配為8B12，橫向分布筋配為A 8＠100，試件幾何尺寸及構造詳圖見圖1.

節點連接形式均采用我國JGJ 99—98《高層建筑鋼結構技術規程》中規定的栓焊連接.螺栓選用10.9級M16高強螺栓，現場用扭力扳手根據所需的扭力進行安裝，使螺栓達到規定的預拉力值.

圖1 試件幾何尺寸及構造詳圖（mm）

試件HCJ-1為組合邊節點，試件HCJ-2和HCJ-3為組合中節點，3個試件的鋼框架尺寸完全一致，試件HCJ-2和HCJ-3的區別在于混凝土板寬度不同，HCJ-2混凝土板寬為800 mm，HCJ-3混凝土板寬為1 000 mm.試件所用鋼材均為Q235B，混凝土板強度等級為C30，試件設計參數見表1.

表1 試件設計參數

混凝土板中縱筋在與鋼柱相交范圍內截斷，與鋼柱翼緣外側焊接，內側鋼筋截斷未連接，在梁兩端加載裝置對應位置均設置加勁肋.

根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》中關于抗剪連接件的構造規定，栓釘長度不應小于其桿徑的4倍，帶頭栓釘直徑d一般為13～25 mm，長度h一般為65～100 mm.采用φ13×65的抗剪栓釘，為了保證縱向受拉鋼筋有較大的計算長度，節點在負彎矩作用下具有較大的轉動能力，第一個栓釘與鋼柱翼緣的距離不得小于100 mm.

1.2 材性試驗

本試驗的鋼柱與鋼梁均采用標準規格的H型鋼，柱加勁肋為Q235B的16 mm鋼板.試驗前分別對梁翼緣（BF）、梁腹板（BW）、柱翼緣（CF）、柱腹板（CW）、柱加勁肋（CL）5個位置的鋼材取樣進行材性試驗，測試結果見表2.

表2 材料性能試驗結果

1.3 加載裝置及加載制度

1.3.1 試驗加載裝置

試驗在哈爾濱工業大學結構與抗震實驗中心進行，加載裝置見圖2、3.柱上、下兩端為固定鉸接，分別用剛性連接件與反力架固定.加載方式為在試件梁端用拉壓力千斤頂施加豎向低周往復荷載.為便于描述，規定千斤頂出缸為負、回缸為正.

圖2 試驗裝置示意（mm）

圖3 試驗加載裝置

1.3.2 試驗加載制度

采用荷載與位移混合控制的加載方法.試件屈服前，采用荷載控制加載方法；出現塑性屈服后，為了研究節點的強度退化和剛度退化，采用位移增量控制加載方法.屈服前的加載歷程按照有限元計算的屈服荷載Py分為四級，±0.25Py、±0.5Py、±0.75Py、±Py，每級荷載循環一次；屈服之后記載歷程為±Δy、±1.5Δy、±2Δy…，每級荷載循環兩次，直至試件承載能力下降為最大承載能力的85%．

1.4 測點布置及測量內容

在鋼梁下翼緣、腹板、上翼緣處布置單向應變片，在鋼節點核心域內布置三向應變花，測量并監測鋼節點的應力狀態的發展過程.在混凝土板上表面布置平行于板寬方向的應變片，測量混凝土板的應力狀態.

在混凝土板中沿著縱向鋼筋布置應變片，測量縱向受力鋼筋沿板寬方向的應力變化情況.在梁兩端加載位置布置2個量程為±150 mm的位移計，以測量與監測梁加載端位移.應變數據使用DH3816應變采集箱采集，荷載和位移值使用北京波譜儀采集.

2 試驗現象與破壞過程

在加載初期，滯回曲線基本呈線性，試件處于彈性階段.隨著荷載的增大，受拉一側混凝土開始出現裂縫，隨著荷載的進一步增大，滯回曲線出現拐點，試件開始屈服.進入塑性階段后，當位移加載到32 mm時，試件HCJ-1裂縫數量急劇增加，裂縫寬度進一步擴展，混凝土核心區有壓潰現象.當位移加載達到68 mm時，試件HCJ-3左側鋼梁下翼緣出現明顯屈曲，左側加載端混凝土板與鋼柱翼緣交界處被完全拉開，鋼梁節點核心區域出現明顯的剪切變形.最終混凝土板面裂縫為貫通裂縫，沿著板寬方向平行發展.3個節點試件鋼梁下翼緣塑性區均從焊接孔末端開始發展，這使得塑性區域距離柱翼緣較遠，能夠有效地削弱應力集中的程度，使得應力分布在鋼梁下翼緣在一定范圍內趨于均勻，這樣能夠有效地將塑性發展區從柱表面移到鋼梁上，減輕了對鋼梁連接處焊縫的作用，有效地提高了節點防止脆斷的能力，最后的破壞形式體現為鋼梁的屈曲變形過大并且還伴隨著節點核心域的剪切變形過大、節點域混凝土壓潰、混凝土板與柱翼緣處出現較寬裂縫等.試件各破壞形態見圖4.

3 試驗結果與分析

3.1 滯回曲線

3個試件的P-Δ滯回曲線見圖5，可看出:

1）試件在開裂之前，滯回曲線基本上呈直線，卸載后殘余變形很小，滯回環包圍的面積很小.當試件開裂后，滯回曲線出現彎曲，滯回環的面積開始增大，整體表現為飽滿的梭形，并未發生明顯的捏縮現象，說明組合節點試件都具有較好的耗能能力.

2）試件HCJ-1與HCJ-2的滯回曲線比較表明，邊節點與中節點相比同樣具有很好的滯回性能，在地震荷載作用下同樣能夠具有很好的耗能能力，在實際工程中要合理考慮邊節點的承載能力.

3）試件HCJ-3滯回環最為飽滿，耗能能力最強.說明:在混凝土板有效寬度范圍內，增加板的寬度，可以有效提高節點的抗震能力.因此，在設計中，應合理的選擇混凝土板的有效寬度.

4）達到峰值承載能力之后，由于鋼梁下翼緣屈曲變形過大，使試件的承載能力逐漸下降，強度逐漸退化，但試件剛度退化不明顯.因此，在實際工程中，應加強中節點鋼梁下翼緣的防屈曲設置.

圖4 試件的破壞形態

圖5 各試件的P-Δ滯回曲線

3.2 骨架曲線

由各試件的滯回曲線可以得出試件的骨架曲線見圖6，各階段的荷載和位移值（均取為正值）見表3，利用“能量法”確定試件的屈服荷載Py與屈服位移Δy．極限狀態為試驗中峰值荷載Pu所對應的狀態，極限位移為試件破壞時所對應的位移Δu．

對比3個試件骨架曲線可以得出:

1）3個試件的骨架曲線均呈現斜S形，說明試件在循環荷載作用下經歷了彈性、塑性與極限破壞3個階段.

2）邊節點HCJ-1較中節點HCJ-2初始剛度要高，承載力也有所提高.HCJ-2試件在達到峰值承載力之后，具有較好的延性.

圖6 試件P-Δ骨架曲線

3）對比HCJ-2與HCJ-3的骨架曲線，在有效寬度范圍內，節點混凝土板寬度的增加對峰值承載力、初始剛度以及延性均有較明顯提升.

4）試件在正彎矩作用下的初始線剛度要略高于負彎矩作用下的初始線剛度.

表3 各階段荷載及位移

3.3 延性及耗能能力

結構的延性用位移延性系數μ來表示，耗能能力通過等效粘滯阻尼系數he（取最后一個滯回環計算）和功比指數Iw來表示．各試件的位移延性系數和耗能指標見表4，可看出:

1）對于HCJ-1與HCJ-3試件，正、負彎矩作用下的位移延性系數均集中在3～5，而HCJ-2在加載過程中由于鋼梁底部出現滑移并未使得最終加載的荷載值下降到最大承載力的85%，導致所測得的正、負彎矩作用下的位移延性系數偏小，若不出現鋼梁的滑移，節點在正、負彎矩作用下應具有更大的位移延性系數.因此，鋼-混凝土組合梁鋼框架節點具有良好的延性.

2）試驗所測得3個試件的等效粘滯阻尼系數集中在0.27～0.36，而純鋼框架節點的等效粘滯阻尼系數在0.2左右，因此本試驗的組合節點的耗能能力為純鋼框架節點的1.5倍左右.

3）從功比指數上可以看出邊節點HCJ-1要明顯優于中節點HCJ-2（大致提高了43.8%），中節點的耗能能力要優于組合邊節點的耗能能力.然而混凝土板寬度的增加對于功比指數的影響不大.

表4 各試件延性系數及耗能指標

3.4 強度退化與剛度退化

結構性能的退化包括強度退化與剛度退化．強度退化λij和剛度退化Kj的計算公式分別為:采用歸一化環線剛度Kj來對比3個試件的剛度退化，kj=Kj／Kmax．各試件的強度退化見圖7，剛度退化見圖8．

圖7 各試件強度退化

圖8 各試件歸一化線剛度退化曲線

從圖7、8可得出:

1）3個試件的強度退化均不明顯，一般均集中在0.85～1.0，這主要是因為在組合節點中，混凝土板所占的成分不大，導致混凝土開裂之后承載力的下降有限.

2）在負彎矩區試件HCJ-2的剛度退化程度要高于試件HCJ-3，在正彎矩區初始時候環線剛度HCJ-3略低，在進入塑性階段之后與試件HCJ-2有重合的趨勢.

4 有限元分析

4.1 有限元模型

針對試驗中的3個試件，采用ABAQUS 6.8.1進行有限元模擬分析［10］.混凝土板采用實體單元C3D8來模擬，鋼梁與鋼柱采用殼單元S4R模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2來模擬.圖9為試件HCJ-2的有限元模型.

混凝土材料采用損傷塑性本構模型，在混凝土中定義Rebar和使用Embedded element（嵌入單元）來模擬鋼筋和混凝土之間的相互作用，混凝土板與鋼柱之間的相互摩擦通過建立“硬”接觸，采用罰摩擦公式來模擬.

采用ABAQUS中的混凝土損傷模型［11］，通過引入損傷因子的概念來描述混凝土開裂之后剛度退化及強度退化的現象，有限元模擬與試驗所得的荷載-位移曲線吻合較好.圖10為HCJ-3有限元分析與試驗骨架曲線對比.

圖10 HCJ-3有限元分析與試驗骨架曲線對比

4.2 循環加載彈塑性分析

在單向加載的基礎上，施加與試驗相同的循環荷載，研究鋼-混凝土組合梁鋼框架節點的抗震性能.圖11為有限元模擬HCJ-3中純鋼框架節點、鋼-混凝土組合梁鋼框架節點與HCJ-3節點試驗所得荷載-位移滯回曲線對比圖.

圖11 HCJ-3滯回曲線對比圖

從圖11可得出:

1）鋼-混凝土組合梁鋼框架節點在循環荷載作用下有限元結果與試驗值吻合很好，能較好模擬鋼-混凝土組合梁鋼框架節點的抗震性能，可以作為試驗數據的補充.

2）將純鋼框架節點與組合節點的滯回曲線進行對比，得出考慮混凝土板組合作用的鋼-混凝土組合梁鋼框架節點與純鋼框架節點相比，承載力有很大程度提高.

5 結 論

1）栓焊連接的鋼-混凝土組合梁鋼框架節點抗震性能比純鋼框架節點抗震性能有很大程度提高.并且，在混凝土板有效寬度范圍內，增加板的寬度，可以有效提高節點的抗震性能.因此，在設計中，應合理選擇混凝土板的有效寬度.

2）在實際工程設計中，應加強鋼-混凝土組合梁鋼框架中節點鋼梁下翼緣的防屈曲設置，加強邊節點框架柱翼緣板位置縱向鋼筋的錨固.

3）栓焊連接鋼-混凝土組合梁鋼框架節點并沒有明顯的強度退化與剛度退化現象，歸一化剛度主要集中在0.85～1.0；鋼-混凝土組合梁鋼框架節點具有良好延性，為純鋼框架節點的2～3.5倍，具有良好抗震耗能能力.

［1］徐培福，傅學怡，王翠坤.復雜高層建筑結構設計［M］.北京:工業建筑出版社，2005.

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［5］WANG J Y.Nonlinear behavior of semi-rigid composite joints under lateral loading-experiment and theoretical study.Dissertation of Doctoral thesis［D］.Hong Kong: The Hong Kong Polytechnic University，1999.

［6］鄭德勝.平齊式端板連接組合節點抗震性能的試驗研究［D］.南京:南京工業大學，2005.

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［11］張勁，王慶揚，胡守營.ABAQUS混凝土損傷塑性模型參數驗證［J］.建筑結構，2008，38（8）:127-130.

（編輯 趙麗瑩）

Tests on seismic behavior of joints in steel frame with steel-concrete composite beams

WANG Li1，YAN Shijie2，ZHENG Yuan1，ZHANG Chenglong1

（1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.Third Survey and Design Group of the Ministry of Railways，300142 Tianjin，China）

To study the seismic behavior of joints in steel frame with steel-concrete composite beams，3 quasistatic tests of 1／2 reduced scale joints in steel frame with steel-concrete composite beams were carried out，which mainly focused on the influence of joint location（two middle column joints，a side column joint）and effective width of concrete slab on seismic performance of the composite joints.The failure mode of the joint，the hysteresis curve，energy dissipation capacity，ductility，strength degradation and stiffness degradation properties have also been studied.ABAQUS software has been used to analyze the elastic-plastic performance of the joints under monotonic loading.The finite element analysis results are in good agreement with the experimental results.It is shown that deformation capacity and energy dissipation ability of joints are high；strength degradation and stiffness degradation are not obvious；joints location and the effective width of concrete slab have much influence on the seismic performance of the joints.

joints in steel frame with steel-concrete composite beams；quasi-static test；seismic behavior

TU318

A

0367-6234（2014）04-0001-06

2013-01-15.

國家自然科學基金資助項目（50978074）；黑龍江省自然科學基金資助項目（E200925）.

王 力（1964—），女，博士，教授.

王 力，wanglihit＠sina.com.