矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通節點抗震性能試驗研究

何樂平，凌宵，胡啟軍，蔡其杰，孟慶成

(1.西南石油大學 土木工程與建筑學院，成都 610500；2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，成都 610031)

由鋼管混凝土(CFST)柱和型鋼混凝土(SRC)梁組成的框架結構形式是鋼管混凝土結構體系中較優的組合形式。在該結構體系中，柱梁節點一般采用工廠預制、現場裝配的施工方式，以確保施工快速進行。作為CFST柱-SRC梁體系設計中最重要的因素之一,節點的抗震性能和施工工藝一直是相關學者關注的熱點話題[1-4]。

近年來，結構工程領域不斷涌現出新的節點形式，并分別針對其構造特征、傳力性能、破壞形態及抗震性能等進行了許多探索。已有的CFST柱梁節點類型有貫通節點[5-7]、螺栓節點[8-10]、加強環節點[11-12]、鋼牛腿節點[13-14]等。其中貫通節點由于具有機械化加工、節省空間、施工安裝方便等優優點，得到了越來越廣泛的應用，常見的有隔板貫通節點[15-17]和鋼筋貫通節點[18-19]等。文獻[16,20-21]提出了幾種新型隔板貫通節點，并對其進行抗震性能試驗。文獻[22]提出了CFST柱-RC梁之間新型對射連接，鋼接頭中斷，縱向鋼筋穿過核心區。Li等[23]對連續翼緣和垂直錨固這兩種嵌入單元連接進行試驗研究，連續翼緣連接有效的將鋼梁的內力傳遞到節點板區，垂直錨固連接具有更好的剛度。MZHDI等[24]提出直肋加勁鋼梁彎矩連接，型鋼直接貫通鋼管柱，節點具有更好的剛度和延性。上述文獻著重對節點抗震性能的研究，忽略了節點復雜程度或核心混凝土澆筑難易的問題，無法兼顧性能良好和施工便捷的綜合考量。

針對上述節點存在的問題，作者提出一種適用于快速施工的矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節點形式。設計4個新型節點試件，對其快速施工工藝進行闡述，開展擬靜力荷載試驗，研究新型節點的破壞形態及抗震性能，以期豐富鋼管混凝土柱-型鋼混凝土梁框架結構節點類型。

1 試驗概況

1.1 試件設計及基本參數

為研究新型矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節點的破壞形態和抗震性能，參照規范選擇兩類原型建筑尺寸,設計加工了4個新型節點試件，并對其進行低周反復荷載試驗。試驗在室內反力架上進行，限制了構件大小，采用縮尺模型，縮尺比例λ取為1∶3。4個試件對應兩種建筑結構，編號J1～J4，J1、J2為第一類尺寸，對應商業、辦公建筑, 以J1為例，如圖1所示，工字鋼穿插方式見圖2；J3、J4為第二類尺寸，對應民用建筑。試件參數如表1所示。

圖1 試件主要尺寸Fig.1 Main dimensions of test

圖2 工字鋼穿插示意圖Fig.2 Schematic diagram of I-beam

試件加工過程中，在工廠預制鋼管和型鋼后，需回爐去應力。將預制件運至現場，現場拼接及配筋。拼接過程中，斷開梁端型鋼腹板嵌入貫通型鋼的上下翼緣之間，并且與貫通梁腹板垂直貼合，在配置縱筋時，在符合規范的情況下，適當調整縱筋和箍筋的位置，以保證縱筋的順利焊接。在現場澆筑過程中，鋼管混凝土柱管內管外需同時振搗，以保證管內混凝土填充密實。

表1 試件變化參數Table 1 test piece change parameters

1.2 試驗裝置及加載制度

圖3 試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test

表2 試件加載位置Table 2 Test piece loading position

2 試驗結果及分析

2.1 節點破壞形態分析

圖4 破壞現象

J2構件右梁栓焊混合連接率先破壞，具體原因為焊縫質量偏差，焊縫橫向位置有寬0.5 mm，長為4 mm的空隙，加載過程中此處先行破壞。裂縫撕裂后，由螺栓和型鋼腹板承受全部剪力，最終型鋼腹板先被剪斷，如圖5所示。

圖5 栓焊連接破壞

相比于型鋼混凝土梁的破壞程度，節點核心區變形很小，型鋼貫通連接對節點區剛度和抗剪性能提升很大。

圖6 試件破壞形態

2.2 試件P-Δ曲線

為方便觀察節點破壞過程，試件在破壞時就停止加載，故最后一級荷載未形成滯回環。圖7顯示4個試件梁端荷載位移曲線。

試件J1在梁端位移達到20 mm時，檢測到梁端荷載增長緩慢，此時判斷其即將達到極限承載力，梁端位移達到30 mm時，荷載不再增加，判斷其破壞，不進行下一級加載，故沒有完整的滯回環。達到40 mm位移時，試件荷載下降到峰值荷載的80%，停止加載，試驗結束。

圖7 試件曲線Fig.7 P-Δ hysteresis curves of the tested

2.3 延性、剛度、耗能能力

圖8 節點骨架曲線Fig.8 P-Δ hysteresis curves of the tested

2.3.2 剛度退化 試件的剛度可用割線剛度kj來表示，割線剛度應按式(1)來計算[29]。

(1)

式中：Fj為第j次峰點荷載值；Xj為第j次峰點位移值。由于混凝土開裂等因素的影響，試件剛度kj隨著位移級別的增大而減小，這與節點屈服后型鋼彈塑性性質及累計損傷有關。

圖9 試件剛度退化曲線Fig.9 Stiffness degradation of the tested

(2)

ξ

(3)

圖10 曲線滯回環Fig.10 Load versus displacement hysteresis

前文所述節點在最后一級荷載中沒有進行完整的循環，所得出的能量耗散系數E是根據破壞前一級循環產生的滯回環得出，計算結果偏小，計算結果列于表4。試件J2為貫通梁加載，其耗能指標偏小，原因是加載過程中梁栓焊混合連接發生破壞。觀察表4中試件J3、J4的等效黏滯阻尼系數可知，在保證栓焊連接質量時，貫通梁ξ明顯大于斷開梁，作為次受力梁的等效黏滯阻尼系數ξ在0.3左右。

表4 節點耗能指標Table 4 Energy dissipation coefficients of the tested specimens

2.4 結果分析

通過對4個試件進行低周反復荷載試驗，分析其破壞形態及抗震性能，可以得出以下結論：

2)貫通梁(J2、J3)充分發揮了工字鋼的延性、剛度及耗能能力，斷開梁(J1、J4)也擁有良好的抗震性能，滿足抗震需求。

3)在相同的軸壓力作用下，尺寸較大的試件J1比尺寸較小的試件J4擁有更好的延性和耗能能力。

3 典型節點對比分析

節點類型與矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節點作對比分析，結果見表5。表中各試件均能達到抗震要求，因各試件尺寸和試驗軸壓比不同，節點延性無法比較。

表5 典型節點對比Table 5 Typical node comparison

4 結論

設計了一種新型矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節點，并結合節點的低周反復荷載試驗，分析了試件破壞形態及抗震性能，與已有節點形式對比，得出以下結論：

3)通過與外環板、內隔板、隔板貫通式、鋼牛腿等節點類型對比，矩管混凝土柱-SRC梁型鋼貫通式節點具有構造簡單，施工方便，外觀美觀，節約材料等優點，同時節點核心區斷開梁削翼緣處理后相較于兩型鋼直接穿插類型的節點，其核心混凝土更易澆筑，綜合性能表現優異。