方鋼管再生混凝土柱-鋼梁節點的抗震性能試驗與影響因素分析

朱凱

(中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

張震

(安徽省外經建設集團有限公司，安徽 合肥 230051)

陳凱祥

(安徽建筑大學土木學院，安徽 合肥 230022)

方鋼管再生混凝土柱-鋼梁節點的抗震性能試驗與影響因素分析

朱凱

(中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)

張震

(安徽省外經建設集團有限公司，安徽 合肥 230051)

陳凱祥

(安徽建筑大學土木學院，安徽 合肥 230022)

為了研究方鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點在不同影響因素下的抗震性能，基于現行設計規范，以再生骨料取代率、粘結滑移、混凝土等級為設計變化參數，設計并制作了4根節點模型并進行了擬靜力試驗。詳細觀察了破壞過程，得到了實測滯回曲線?；谠囼灁祿?，詳細分析了各設計變化參數對節點承載力、剛度、位移延性系數及耗能能力的影響程度。研究結果表明，各變化參數下的節點模型在破壞形態上都表現一致，均表現出鋼梁翼緣的斷裂破壞；不同再生骨料取代率對節點抗震性能影響不大；粘結滑移有否對節點抗震性能影響極??；混凝土等級越高，節點承載能力隨之變大，但變形能力變差。研究成果可為方鋼管再生混凝土柱-鋼梁結構的推廣和應用提供理論參考。

方鋼管再生混凝土；框架節點；再生骨料取代率；粘結滑移；擬靜力試驗

再生混凝土技術的出現和運用無疑為解決廢棄混凝土提供了一條新的想法和路徑，如何在結構層次大規模應用再生混凝土已成為科研工作者研究的重點和難點[1～3]。鋼管再生混凝土結構是將鋼管內原先填充的普通混凝土置換成再生混凝土[4]。研究鋼管再生混凝土結構的抗震性能以推動該類型結構的發展，對于解決大量廢棄混凝土無疑具有十分重要的現實意義。

現階段，大量學者研究的重點主要集中于方形、圓形、異形鋼管混凝土結構以及方形、圓形鋼管再生混凝土柱。李威[5]、周天華[6]、陳志華[7]、莊鵬[8]、許成祥[9，10]對常規截面(如圓形、方形)、異形截面(如T形、十字形)柱-鋼梁框架節點的力學性能做了試驗研究。張向岡[11，12]、張震[3]對圓形、方形鋼管再生混凝土柱抗震性能進行了研究?，F有的研究成果極少涉及到方鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點的抗震性能研究，尤其是不同設計參數對該類型節點抗震性能指標的影響程度更是無從知曉。

為此，筆者擬設計4根節點模型，選取再生骨料取代率、粘結滑移、混凝土等級為設計參數，考察這3種參數對節點的承載力、剛度、位移延性系數及耗能能力的影響。探究方鋼管再生混凝土柱-鋼梁節點在低周反復荷載下的抗震性能，評價該類型節點形式是否能在實際工程中推廣使用[13]。

1 試驗概況

1.1 設計概況

依據相關設計規范，按照“強節點弱桿件、強柱弱梁”的抗震設防要求設計制作了4根方鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架節點模型，試件編號分別為JD-1、JD-2、JD-3、JD-4。節點模型詳圖見圖1，采用外加強環構造形式，加強環厚度為6mm。除試件JD-4鋼管內填充C50再生混凝土外，其余各試件均填充C40再生混凝土。其中，試件JD-3在澆筑混凝土前，先用鋼絲刷將鋼管內壁打磨干凈，并涂刷一層環氧樹脂，以達到鋼管和混凝土之間不存在粘結滑移的目的。各試件的設計參數見表1。

圖1 節點模型詳圖(單位；mm)

試件編號再生骨料取代率/%混凝土等級粘結滑移JD?150C40有JD?2100C40有JD?3100C40無JD?4100C50有

1.2 再生混凝土

所用的再生粗骨料均來自某拆除建筑，該建筑物建于上世紀80年代，因城市規劃需要現已經被征收拆遷，該類型的再生粗骨料具有較好的代表意義。再生骨料取代率有50%、100%兩類，其中取代率50%的混凝土質量配合比為465∶158∶538∶576∶576，取代率100%的混凝土質量配合比為465∶158∶538∶0∶1152。再生混凝土等級有C40、C50兩類， C40、C50等級混凝土的立方體抗壓強度分別為39.5、48.2N/mm2。

圖2 加載示意圖

1.3 加載系統

該試驗采用擬靜力加載系統。整個節點模型在高度為10m的L形反力墻-地面上完成，試驗過程通過電腦微機控制，試驗過程中可通過電腦控制暫停加載系統，以方便觀察加載過程。節點模型加載方式采取柱頂端加載，作動器施加水平位移，作用于柱頂端。軸力通過千斤頂施加，滑車位于反力梁和千斤頂之間，可保證千斤頂隨著作動器施加的位移而左右移動的同時其軸力保持恒定不變，加載示意圖如圖2所示。

圖3 破壞形態圖

1.4 破壞形態

各變化參數下的所有的節點在破壞形態上都表現一致，均表現出鋼梁翼緣的斷裂破壞，破壞形態圖如圖3所示。

2 滯回曲線

試驗測得的滯回曲線如圖4所示，橫、縱坐標分別表示柱頂的水平荷載P及水平位移Δ。

圖4 滯回曲線

由圖4可知，所有試件的滯回曲線均較為飽滿，其加載形成的滯回環從梭形逐步發展為弓形，形狀大致接近，捏縮現象并未出現，滯回性能較為穩定，無異常。除試件JD-4以外，其余試件在達到極限荷載后，荷載緩慢下降，下降階段比較平緩，而試件JD-4荷載下降幅度超過其極限荷載的15%，試件宣告破壞。這應該與試件再生混凝土等級較高有關，再生混凝土等級越高，試件達到的極限荷載越大，但混凝土變形能力變差，造成其整體模型荷載下降急速。

3 變化參數影響分析

定量分析再生骨料取代率、粘結滑移、混凝土等級這3個參數對節點抗震性能指標(如位移延性系數、特征點承載力、剛度及耗能能力)的影響，因定義當節點極限荷載下降幅度為15%時為試件的破壞荷載，破壞荷載對應的即為破壞位移，故對破壞點時的承載力及位移不予分析，只分析其余階段特征點時的承載力及位移的變化情況。

3.1 再生骨料取代率對位移延性系數影響分析

不同再生骨料取代率下的位移延性系數變化規律如圖5所示。由圖5可知，再生骨料取代率50%、100%對應的為試件JD-1、JD-2，其位移延性系數分別為3.27、3.22。隨著取代率從50%增大到100%，試件的位移延性系數下降了1.53%，下降幅度極小，可忽略不計。可見，試件的位移延性系數隨再生骨料取代率變化極小，可大致認為再生骨料取代率對位移延性系數無影響。節點的位移延性系數均超過了3.0，滿足結構對延性的要求。基于實際工程對位移延性系數的需求，再生骨料取代率為50%、100%的再生混凝土可用于方鋼管再生混凝土柱-鋼梁結構的框架中。

3.2 再生骨料取代率對特征點承載力及位移影響分析

不同再生骨料取代率下的特征點承載力變化規律如圖6所示，不同再生骨料取代率下的特征點位移變化規律如圖7所示。

由圖6可知，隨著再生骨料取代率從50%增加到100%，其屈服點、極限點的荷載分別降低了3.84%、6.76%。從總體上看來，不同階段的承載力變化幅度在5%左右，變化幅度不大，即取代率為50%、100%時對試件特征點承載力影響很小。這應該是因為再生骨料取代率為50%、100%時，其混凝土等級都為C40，再生骨料制作過程中的損傷很小，對混凝土性能影響較小。

由圖7可知，隨著再生骨料取代率從50%增加到100%，其屈服點、極限點、破壞點的位移分別降低了2.93%、1.52%、4.41%。說明隨著再生骨料取代率的增大，試件在不同特征點階段的位移均有所降低，但都在5%以內，表明100%取代率下試件的變形能力較50%取代率試件有所降低，但仍較為接近。

圖5 位移延性系數隨取代率的變化規律 圖6 特征點承載力隨取代率的變化規律

3.3 再生骨料取代率對剛度影響分析

特征階段剛度隨取代率的變化規律如圖8所示。

圖7 特征點位移隨取代率的變化規律 圖8 特征階段剛度隨取代率的變化規律

由圖8可知，隨著再生骨料取代率從50%增加到100%，試件在彈性階段、屈服點、極限點、破壞點的剛度分別降低了3.29%、0.93%、8.16%、2.47%。其中，在極限點處剛度變化情況最大，達到了8.16%，其余階段剛度變化情況均較小，尤其是達到破壞點時，剛度變化幅度在2.47%，小于5.0%。說明試件在不同階段的剛度變化不大?；趯嶋H工程對節點剛度的需求，再生骨料取代率為50%、100%的可用于實際鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架結構中。

3.4 再生骨料取代率對耗能能力影響分析

當評價結構耗能能力時，等效黏滯阻尼系數與總耗能經常被選取用來評價分析。等效黏滯阻尼系數用的是試件破壞前一個滯回環相關數據計算得出，總耗能指的是所有滯回環總面積之和。因加載歷程都不一樣，故選取這2個指標予以分析。特征階段等效黏滯阻尼系數和總耗能隨取代率的變化規律如圖9、圖10所示。

圖9 特征階段等效黏滯阻尼系數隨取代率的變化規律 圖10 特征階段總耗能隨取代率的變化規律

由圖9、圖10可知，隨著再生骨料取代率的增大，試件在屈服點、極限點以及破壞點時等效黏滯阻尼系數分別下降了5.09%、5.64%、2.78%，總耗能分別下降了14.77%、6.20%、6.04%。可見，越到加載后期，試件的耗能能力下降幅度越小，說明越到加載后期，其耗能能力越接近，表明所選的不同再生骨料取代率對耗能能力影響較小?；趯嶋H結構工程對耗能能力的要求，再生骨料取代率為50%、100%可用于方鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架中。

3.5 粘結滑移對位移延性系數影響分析

位移延性系數隨粘結滑移的變化規律如圖11所示。從圖11可知，沒有粘結滑移的試件JD-3的位移延性系數為3.15，較試件JD-2下降了2.17%，下降幅度極小，可忽略不計。說明有無粘結滑移對試件的位移延性系數影響極小。

3.6 粘結滑移對特征點承載力及位移影響分析

特征點承載力、位移隨粘結滑移的變化情況如圖12、圖13所示。

圖11 位移延性系數隨粘結滑移的變化規律 圖12 特征點承載力隨粘結滑移的變化規律

由圖12、圖13可見，無粘結滑移的試件JD-3較有粘結滑移的試件JD-2在屈服點、極限點的承載力分別下降了10.87%、7.82%，在屈服點、極限點、破壞點的位移分別下降了6.71%、0.66%、5.74%，表明粘結滑移對試件的承載力有一定程度影響，尤其是對屈服階段時承載力影響較大。其次，粘結滑移對特征點位移影響不大，尤其對極值點時的極限位移影響更小，表明是否有粘結滑移不影響試件的抗倒塌能力。總體上，粘結滑移與否對試件在特征點階段承載力及位移影響較小。

3.7 粘結滑移對剛度影響分析

圖14為特征階段剛度隨粘結滑移的變化規律。由圖14可知，無粘結滑移試件JD-3在不同階段時的剛度均小于有粘結滑移試件JD-2，且剛度隨著不同階段的增加而逐漸降低，無明顯突變異常現象。試件JD-3較試件JD-2在彈性階段、屈服點、極值點、破壞點的剛度分別降低了5.90%、4.46%、7.20%、2.24%?？梢姡辰Y滑移對試件不同階段的剛度影響并未出現明顯統一的規律，且下降幅度均較小，尤其是到破壞點時，下降幅度僅2.24%，表明粘結滑移對試件剛度的影響也較小。

圖13 特征點位移隨粘結滑移的變化規律 圖14 特征點剛度隨粘結滑移的變化規律

3.8 粘結滑移對耗能能力影響分析

特征階段等效黏滯阻尼系數及總耗能隨粘結滑移的變化規律如圖15、圖16所示。

由圖15、圖16可見，隨著特征階段不斷延續，試件的等效黏滯阻尼系數及總耗能均不斷增長，表明隨著加載的持續，越到加載后期耗能能力越好。有無粘結滑移其耗能能力還有些許差別，但差別極小。無粘結滑移試件JD-3較有粘結滑移試件JD-2在屈服點、極限點以及破壞點時等效黏滯阻尼系數分別下降了8.47%、7.06%、2.29%，總耗能分別下降了9.99%、4.36%、2.19%。越到加載后期，下降幅度越小，耗能能力越接近。總體上看來，有無粘結滑移對試件的耗能能力影響甚微。

圖15 特征階段等效黏滯阻尼系數隨粘結滑移的變化規律 圖16 特征階段總耗能隨粘結滑移的變化規律

3.9 混凝土等級對位移延性系數影響分析

位移延性系數隨混凝土等級的變化規律如圖17所示。由圖17可知，試件JD-2、JD-4的位移延性系數分別為3.22、2.85。隨著混凝土等級的提高，試件JD-4的位移延性系數反而下降了11.49%。這是因為混凝土等級高的試件歷經的損傷更大，從極限荷載到破壞荷載過程中經歷的變形減小，導致延性性能出現了降低。

3.10 混凝土等級對特征點承載力、位移影響分析

特征點承載力、位移隨混凝土等級的變化情況如圖18、圖19所示。由圖18、圖19可知，隨著混凝土等級的提高，試件在屈服點、極限點、破壞點的承載力也隨之增大，但在特征點位移方面沒有表現出明顯的變化規律。即試件JD-4較試件JD-2在屈服點、極限點的承載力分別提高了10.73%、12.40%，但在屈服點、極限點、破壞點的位移分別提高了8.71%、7.35%、-0.04%。換言之，混凝土等級的提高有利于提高節點的抗倒塌能力，但對試件的延性性能不利，降低了試件的延性。

圖17 位移延性系數隨混凝土等級的變化規律 圖18 特征點承載力隨混凝土等級的變化規律

3.11 混凝土等級對剛度影響分析

特征點剛度隨混凝土等級的變化規律如圖20所示。由圖20可知，試件JD-4在不同階段時的剛度均大于試件JD-2，且剛度到加載后期逐漸降低，無異常突變情況。試件JD-4較試件JD-2在彈性階段、屈服點、極值點、破壞點的剛度分別提高了3.68%、1.86%、4.69%、16.91%。可見，剛度對于混凝土等級的變化變現較為敏感。尤其是在破壞點時剛度提高程度竟達到了16.91%，這是由于混凝土等級的增大提高了試件的水平承載力，但峰值荷載過后，試件損傷加劇、破壞突然、破壞位移均較小所導致。

圖19 特征點位移隨混凝土等級的變化規律 圖20 特征點剛度隨混凝土等級的變化規律

3.12 混凝土等級對耗能能力影響分析

特征階段等效黏滯阻尼系數及總耗能隨混凝土等級的變化規律如圖21、圖22所示。由圖21、圖22可知，隨著加載的不斷延續，試件JD-2的等效黏滯阻尼系數及總耗能不斷提升?；炷恋燃壍牟煌瑢υ嚰哪苣芰Φ挠绊戄^大，混凝土等級為C50試件JD-4較等級為C40試件JD-2在屈服點、極值點以及破壞點時等效黏滯阻尼系數分別下降了6.34%、4.89%、4.57%，下降幅度基本在5%左右，下降幅度較小。因試件JD-2與試件JD-4加載路徑不一致，若單純從等效黏滯阻尼系數來評價混凝土等級的影響，則顯得不是很全面，還應從總耗能的角度來予以評價。試件JD-4較試件JD-2在屈服點、極值點以及破壞點時總耗能分別下降了22.41%、17.86%、12.89%，可見，混凝土等級的提高降低了試件的耗能能力。

圖21 特征階段等效黏滯阻尼系數隨粘結滑移的變化規律 圖22 特征階段總耗能隨粘結滑移的變化規律

4 結論

選擇再生骨料取代率、粘結滑移、混凝土等級為設計變化參數，通過對4根方鋼再生混凝土柱-鋼梁框架節點的擬靜力試驗，定量分析了設計變化參數對抗震性能指標的影響變化規律，主要得到了以下結論：

1)各變化參數下的節點模型在破壞形態上都表現一致，均表現出鋼梁翼緣的斷裂破壞。

2)試件的滯回曲線豐滿，表現穩定，加載過程中逐步從弓形發展到梭形，說明該類型節點具有良好的抗震性能。

3)選取的50%、100%的再生骨料取代率對節點的抗震性能指標影響程度較小，基于實際工程對延性、承載力、剛度及耗能能力的要求，再生骨料取代率50%、100%的混凝土均可用于方鋼管再生混凝土柱-鋼梁框架結構中。

4)粘結滑移對節點各項抗震性能指標影響程度也很小，即粘結滑移對節點抗震性能不產生明顯影響。

5)混凝土等級的增大，有利于節點達到更大的承載力，但對節點的延性不利，使得節點的后期變形能力降低。

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[編輯] 計飛翔

2016-11-16

住房和城鄉建設部科技計劃項目(2014-K2-021)。

朱凱(1990-)，男，碩士，現主要從事結構工程抗震方面的研究工作，1879025407qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2017)01-0059-08

[引著格式]朱凱,張震,陳凱祥.方鋼管再生混凝土柱-鋼梁節點的抗震性能試驗與影響因素分析[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(1)：59～66.