不同構造對裝配式鋼管再生混凝土框架節點抗震性能的影響研究*

邊瑾靚，曹萬林，張宗敏，葉濤萍,3

(1 北京工業大學城市建設學部, 北京 100124； 2 天津城建大學天津市土木建筑結構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

鋼框架結構自重輕，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構，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：內隔板節點、外隔板節點、隔板貫通節點、直板連接型節點、頂底角鋼節點、貫穿螺栓節點和盲孔螺栓節點等。節點構造以及抗震性能對于結構安全性尤為重要。

國內外學者對方鋼管柱節點進行了大量的研究。周天華等[3]對方鋼管混凝土柱-工字形梁節點破壞特征以及抗震性能進行了研究，并給出了設計建議。張愛林等[4]提出了裝配式方鋼管柱-桁架梁節點，對該節點進行單調加載試驗，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點進行了試驗研究，建立了非線性有限元模型，對節點彎矩-轉角關系以及破壞特征進行了驗證。Cao S等[6]提出了一種新的節點構造形式，這種節點采用上環板、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-復合墻結構，并對該結構體系進行了抗震性能試驗研究。以往方鋼管混凝土梁柱節點多針對于高層結構，而高層鋼管混凝土梁柱節點構造較為復雜，對于構件尺寸較小的輕鋼結構，過于復雜的節點增加了施工的難度[10]，過強的節點設置不利于住宅經濟性要求，造成資源的浪費。為豐富低層輕鋼框架結構的節點形式，探究薄壁方鋼管再生混凝土梁柱節點的抗震性能，基于以往高層結構梁柱節點研究，提出了8種不同構造的裝配式鋼管再生混凝土框架節點。對8個試件進行低周反復荷載試驗，研究不同構造對裝配式鋼管再生混凝土框架節點抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

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

焊接型節點：梁直接通過焊接方式與柱進行連接，如圖1(a)所示。雙直板連接型節點：柱節點區左、右兩側焊接直板連接板，梁與連接板通過螺栓進行裝配連接，如圖1(b)所示。三直板連接型節點：柱節點區上、下、右三側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。

試件主要設計參數 表1

雙L形節點：參考鋼管混凝土頂底角鋼節點，設計了L形連接板并與柱節點區上下側進行焊接，L形連接板與梁通過螺栓進行裝配連接。為增強節點轉動剛度以及承載能力，基于雙L形節點，通過焊接不同尺寸、數量的三角加勁肋，提出了不同的雙L形帶加勁肋節點構造形式，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

節點試件梁柱內填再生混凝土，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

設計了一種用于研究輕鋼框架梁柱節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，并對加載點進行調整。通過萬能力學試驗機加載梁的上、下往復運動，實現對裝配式框架梁柱節點的抗震性能研究。

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。應變片主要在節點域受力最大處布置，以焊接型節點為例，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，節點區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，出現頸縮現象。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試件破壞特征為節點域上、下連接板與柱焊縫受力破壞，側面連接板無明顯破壞現象，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受壓屈曲現象，如圖5(h)所示。

2.2 抗震性能

通過公式(1)，(2)對試驗數據進行處理：

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為試件轉角；Δ為加載點豎向位移。

試件彎矩(M)-轉角(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形連接節點以及不同構造雙L形帶加勁肋節點。SL-0試件承載力較低，當雙L形連接節點附加三角加勁肋后，顯著提高了節點的承載力及耗能能力。不同構造裝配式節點中， 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

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可以發現：

(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于其他三種節點構造形式。

節點試件試驗特征值 表5

(2)SL-0試件雖然延性系數較高，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節點的1.51倍，1.91倍和1.97倍，但延性系數較SL-0試件與SL-1試件有所下降。SL-4試件延性系數大于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形強化加勁肋節點的承載力和延性。

2.3 剛度退化

采用歸一化割線剛度-轉角關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-為每級循環正、負向最大峰值荷載；Δi+和Δi-為每級循環正、負向最大峰值位移。

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

除焊接型節點外，其他7種不同構造節點試件剛度退化速率呈現出差異性，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中，第一循環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種不同構造節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于其他構造類型試件，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試件小轉角出現破壞，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

對節點試件應力狀態進行分析，各節點試件裝配處應變-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 節點域應變值

由圖12可以發現，對于HJJ試件，由于焊縫較早進入了損傷階段，焊縫開裂后，梁構件受力減小，裝配處頂面與側面應力水平較低。LBJ試件梁通過螺栓與側面連接板連接，側面連接板為主要受力構件并受力達到屈服應變。SBJ試件加載前期，上下連接板與側面連接板協同工作，應變發展趨勢接近。由于上下連接板焊縫較早出現損傷，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試件受力狀態相近，試件加載前期，三角加勁肋為主要受力構件，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受力破壞時，節點域應力重分布，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。SL-3試件與SL-4試件提高了節點域高度，柱局部應力集中現象得到改善，整體受力過程與SL-1試件和SL-2試件相近。

試件節點分類 表6

3 節點分類

歐洲規范EN 1993-1-8中根據剛度將節點分為剛性、半剛性、鉸三類。從強度角度將節點分為全強度、部分強度、鉸三類。

(1)剛度分類

通過對節點初始轉動剛度Sj,ini與kbEIb/Lb的比較對節點進行剛度分類，對于無側移框架，kb=8；對于有側移框架，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，節點為剛性節點，當Sj,ini<0.5EIb/Lb時，節點為鉸節點，半剛性節點值介于剛性節點與鉸節點之間。

(2)強度分類

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

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，γm=1.04+0.48×ln(ξ+0.1)；ξ為約束效應系數；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種節點均屬于半剛性節點。根據強度分類規則，雙L形強化加勁肋節點(SL-3，SL-4試件)達到了全強度節點，其他6種節點均屬于部分強度節點。

4 結論

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

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

(2)雙L形無加勁肋節點承載力低，較早便出現焊縫損傷。提出的雙L形帶加勁肋節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點的抗震性能，改善了節點區域柱的應力集中現象。雙L形強化加勁肋節點構造簡單，抗震性能好。通過在三角加勁肋旁附加鋼筋的形式，可以提高節點延性以及抗震耗能能力。

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