預制鋼骨混凝土柱—鋼梁組合節點試驗研究

吳成龍,王其輝,李紹輝,劉繼明

（青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033）

在建筑工業化的發展背景下，裝配式建筑已成為建筑工業化發展的一項重要舉措。裝配式建筑有利于改善中國當前傳統粗放型建造方式，加快新舊動能轉換，推動可持續發展戰略[1-3]。

裝配式框架結構是建筑工業化結構體系的一種，其關鍵部位是梁柱之間的連接構造，對結構體系的抗震性能具有重要影響[4-7]。許多學者對梁柱節點進行了不同連接構造的研究。如Huang 等[8]對新型預制梁柱節點的抗震性能進行了試驗和數值分析，研究了不同構造節點的破壞模式、力—位移關系和應變分布，結果表明，新型梁柱節點具有良好的滯回性能和耗能能力。Ghayeb 等[9]針對預制混凝土結構延性不足的問題，設計了2 個預制和2 個整體式混凝土邊節點，并進行了循環荷載試驗，研究表明，提出的新型節點表現出更好的抗震性能和更高的能量耗散能力。Eom 等[10]通過往復加載試驗，研究了梁端鋼筋連接構造對節點抗震性能的影響，結果表明，通過濕連接方式連接的梁柱節點與現澆節點的力學性能和抗震特性基本等效。Naik 等[11]在新型裝配式梁柱節點的連接位置設置了加肋角鋼和傳力螺栓桿，通過試驗研究了不同加肋角鋼對節點承載力、耗能及剛度等抗震性能指標的影響，結果表明，新型梁柱節點表現出良好的塑性變形性能和耗能特性。Quan 等[12]在循環荷載作用下對帶外隔板可更換梁柱節點的抗震性能進行了有限元分析，根據數值和試驗分析結果，提出了相應的新型節點設計建議。Nzabonimpa 等[13]基于非線性有限元分析，對預制混凝土框架新型梁柱節點的力學性能進行了試驗研究，揭示了新型節點的破壞模式，確定了全約束抗彎連接節點的結構性能。

綜上所述，現有裝配式混凝土框架節點基本能夠實現等同現澆，但在節點的轉動變形及耗能特性方面仍有待提高，且有些節點存在連接構造復雜、梁端塑性鉸不可控及需二次澆筑混凝土等問題，嚴重影響施工效率和結構安全性。為此，筆者設計了3 個不同梁端連接構造（栓焊混合連接、焊接連接、螺栓連接）的預制鋼骨混凝土柱—鋼梁組合節點試件（以下簡稱新型組合節點）。通過擬靜力試驗研究節點在低周往復荷載作用下的破壞模式、滯回性能、骨架曲線、延性耗能、剛度退化等抗震性能指標，以期為裝配式鋼—混組合結構體系關鍵技術研究提供參考。

1 節點構造

新型組合節點如圖1 所示。根據梁端連接構造的不同，新型組合節點分為栓焊混合節點（圖1（a））、焊接節點（圖1（b））、螺栓節點（圖1（c））。其中，栓焊混合節點的鋼梁翼緣采用焊接連接，腹板采用螺栓連接；焊接節點的鋼梁翼緣和腹板均為焊接連接；螺栓節點的鋼梁翼緣和腹板均為螺栓連接。預制節點模塊由節點蓋板、方鋼管、加勁板1 和加勁板2 焊接組成。預制SRC 柱與節點模塊連接的一端預埋高強螺栓，同時，內部縱向鋼筋預留長度為50 mm 并帶有刻絲的延伸段，便于與節點模塊中的節點蓋板連接固定，縱向鋼筋的另一端與柱端加載板采用塞焊連接進行固定。SRC 柱內的H 型鋼骨與柱端連接板和柱端加載板進行焊接，并與鋼筋籠共同組成鋼骨架。

圖1 梁柱連接構造示意圖Fig.1 Schematic diagram of construction of beamcolumn connection

此外，預制SRC 柱、節點模塊及鋼梁均在工廠預制，運輸至現場后僅需通過連接組件進行焊接或螺栓連接。因此，該新型節點具有連接構造簡單、施工效率高等優勢，可以實現裝配式梁柱節點的干式作業及外部荷載的有效傳遞。

2 試驗概況

2.1 試件設計

設計3 個縮尺比約為1：2 的預制鋼骨混凝土柱—鋼梁組合節點試件，分別為SJ-1、SJ-2、SJ-3，其主要參數如表1 所示，幾何尺寸如圖2 所示，SRC 柱截面尺寸為350 mm×350 mm，總長為1 840 mm。SRC柱內的鋼骨截面尺寸為150 mm×150 mm×7 mm×10 mm，縱向鋼筋為4C20，箍筋為A8@100。鋼梁截面尺寸為280 mm×150 mm×10 mm×10 mm，長度為1 100 mm。10.9S M20 和M24 摩擦型高強螺栓分別用于SRC 柱、節點模塊和鋼梁的連接，其力學性能參數均由供貨商提供。試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的混凝土強度等級均為C40，按照規范GB/T 50081—2019[14]測得混凝土抗壓強度均值為43.01 MPa，彈性模量為3.33×104MPa。根據規范GB/T 228.1—2010[15]，測得所用鋼材性能指標如表2 所示。鋼材彈性模量取2.06×105MPa。

表1 試件主要參數Table 1 Main parameters of test piece

表2 鋼材強度實測結果Table 2 Measured results of steel strength

圖2 SJ-1、SJ-2、SJ-3 幾何尺寸示意圖（單位：mm）Fig.2 Geometric dimension diagram of SJ-1,SJ-2 and SJ-3 (Unit: mm)

2.2 加載方案及測點布置

現場加載如圖3 所示。對SRC 柱兩端支座的連接方式進行簡化處理，柱兩端支座之間的距離為1 840 mm，梁端作動器中心加載點到SRC 柱面的距離為1 140 mm。試驗開始時，先利用100 t 油壓千斤頂對SRC 柱施加506 kN 荷載并保持恒定（試驗軸壓比為0.15），水平往復荷載由固定于鋼架上的50 t MTS 電液伺服作動器提供并自動采集梁端荷載和位移數據，采用力—位移混合控制的方法進行加載[16]（圖4）。試件屈服前，分5 級加載，每級循環1 次；試件屈服后，根據實時荷載—位移曲線確定屈服位移Δy，并按其整數倍Δy、2Δy、3Δy、4Δy……逐級加載，每級循環3 次。試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的位移計和應變片（花）布置如圖3、圖5 所示。

圖3 現場加載圖Fig.3 Field loading diagram

圖4 加載制度示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading system

圖5 測點布置（以試件SJ-2 為例）Fig.5 Arrangement of measuring points (take specimen SJ-2 as an example)

2.3 破壞準則

當試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 在接近破壞狀態時，出現一些表觀特征現象則認為試件發生破壞，主要包括：試件承載力下降為峰值荷載的85%；節點模塊核心區出現較大的剪切變形；翼緣連接板發生斷裂或較大變形；鋼梁發生嚴重變形或平面外失穩；SRC 柱混凝土大量剝落或者出現貫通裂縫等其他意外情況。

3 試驗現象

3.1 試件SJ-1

加載初始階段，試件SJ-1 基本處于彈性狀態，當梁端荷載加載到約120 kN 時，試件進入屈服狀態，此時梁端位移約為15 mm，之后進入位移控制加載階段。當加載至3Δy時，翼緣連接板出現塑性變形，SRC 柱混凝土面出現輕微裂縫。加載至4Δy的第1 次循環時，鋼梁上翼緣連接板塑性面積進一步擴大，且表面出現細小裂痕，在第2 次循環時進一步撕裂，長度達到10 mm 左右。加載至5Δy的第2 次循環時，SRC 柱表面開始出現裂縫，鋼梁下翼緣連接板邊緣發生撕裂，表面出現長度約20 mm的裂痕，上翼緣連接板撕裂長度達到75 mm，試件變形嚴重，試驗結束。SJ-1 的破壞形態如圖6所示。

3.2 試件SJ-2

試件SJ-2 的屈服荷載為150 kN，屈服位移約為15 mm。試件屈服后，加載至3Δy時，SRC 柱混凝土表面出現多處裂縫且分布較為均勻，上下柱端混凝土表面出現了局部壓酥。當加載至4Δy第3 次循環時，上下翼緣連接板出現明顯塑性變形，節點模塊附近的混凝土被進一步壓碎。當加載至5Δy時，上翼緣連接板邊緣處出現局部撕裂，長度可達20 mm，柱端混凝土發生脫落，柱端連接板與節點蓋板之間因屈曲變形而出現局部開合現象。當加載至6Δy第2 次循環時，上翼緣連接板撕裂加重導致接近斷裂，下翼緣連接板出現明顯的鼓曲變形，腹部連接板焊縫處出現局部斷裂，柱端連接板附近局部混凝土脫落嚴重。最終試件承載力出現明顯下降，鋼梁發生嚴重變形，試驗結束。試件SJ-2 的破壞形態如圖7 所示。

圖7 試件SJ-2 整體及局部破壞Fig.7 Overall and local failure of specimen SJ-2

3.3 試件SJ-3

試件SJ-3 的屈服荷載為80 kN，此時屈服位移約為10 mm。在位移控制加載到3Δy時，試件發出“吱吱”聲，這是高強螺栓與翼緣連接板之間發生相對滑移導致的。在4Δy～7Δy的加載過程中，連接翼緣和腹板的高強螺栓出現一定的滑動，且翼緣連接板存在一定塑性變形。加載至8Δy時，SRC 柱混凝土表面出現不同方向的裂縫。在11Δy加載時，翼緣連接板屈曲變形顯著。在12Δy加載時，翼緣連接板出現鼓曲變形和拉伸斷裂現象，試驗終止。試件SJ-3的破壞形態如圖8 所示。

圖8 試件SJ-3 整體及局部破壞Fig.8 Overall and local failure of specimen SJ-3

4 應變分析

4.1 鋼材應變分析

圖9（a）是SRC 柱的鋼骨翼緣應變—荷載曲線。在外部荷載作用下，節點區域附近柱端H 型鋼骨翼緣有相近的應變變化趨勢。各試件H 型鋼骨翼緣在試件屈服前均近似呈彈性狀態，試件屈服后翼緣應變穩步增大，加載過程中翼緣應變值主要在-500×10-6～1 100×10-6之間。表明H 型鋼骨受梁端連接方式的影響可忽略不計，原因是該新型節點試件主要為梁端受彎破壞，外部荷載主要集中在梁端，導致H 型鋼骨的應變變化較小。圖9（b）是鋼梁翼緣連接板應變—荷載曲線。加載初始階段，應變與荷載成正比；繼續加載時，翼緣連接板開始出現塑性變形，試件進入彈塑性階段，應變曲線斜率逐漸減小。隨著循環次數的增加，試件逐步達到最大承載力，翼緣連接板發生局部屈曲并形成塑性鉸，引起試件最終破壞。圖9(c)是鋼梁腹板應變與應變片到梁底距離的曲線。初始加載階段，鋼梁腹板應變與應變片到梁底的距離成正比；隨著截面高度的增大，鋼梁腹板應變顯著增加，但在鋼梁高度1/2位置處的應變值相對較小，且無塑性變形。表明鋼梁中性軸基本與腹板高度中心線重合，且受到梁端連接方式的影響較小。

圖9 鋼材應變曲線Fig.9 Strain curves of steel

4.2 鋼筋應變分析

圖10 為縱向鋼筋的應變—荷載曲線。加載初期，試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 中縱向鋼筋的應變基本處于彈性狀態。隨著荷載的增大，縱筋應變受梁端連接方式的影響較為明顯，其中試件SJ-1 和SJ-3 中縱筋的應變變化接近，其峰值應變值均未超過700×10-6，但試件SJ-2 的縱筋具有較大應變，最大應變約為試件SJ-1 和SJ-3 中縱筋應變的2 倍。

圖10 縱筋應變曲線Fig.10 Strain curves of longitudinal rebar

4.3 混凝土應變分析

圖11 為混凝土的應變—荷載曲線。在梁端荷載作用下，各試件混凝土的應變曲線具有相同的發展階段，且拉、壓應變具有較好的對稱性。不同的梁端連接方式會使混凝土應變產生一定差異，其中，試件SJ-1 與SJ-3 混凝土應變值相近，均低于焊接連接試件SJ-2。

圖11 混凝土應變曲線Fig.11 Strain curves of concrete

4.4 節點模塊應變分析

節點模塊核心區的應變情況根據式（1）、式（2）計算得到，主應變ε1,2定義為

主應變ε1,2與0°方向的夾角φ定義為

式中：ε0、ε45、ε90分別為應變花在0°、45°、90°方向的應變。

圖12 給出了節點模塊核心區在不同受力狀態下的應變分布。進入屈服階段時，各試件的節點模塊應變并不明顯，繼續加大荷載，節點模塊應變明顯增大，各試件達到極限狀態時，主應變仍未到達峰值，且主應變方向與水平線近似呈45°夾角，表明節點模塊的剪切變形具有近似于“斜壓桿”的受力機理。各試件的破壞形態以梁端破壞為主，節點模塊未表現出剪切變形，表明外部荷載的往復作用對SRC 柱及節點模塊影響不明顯。

圖12 節點模塊核心區域應變（單位：10-6）Fig.12 Strain of joint module core area (Unit: 10-6)

5 抗震性能分析

5.1 滯回性能

試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的彎矩—轉角滯回曲線如圖13 所示。由圖13 可以看出：

圖13 滯回曲線與骨架曲線Fig.13 Hysteretic curves and skeleton curves

1）加載初期，各試件均處于彈性狀態，滯回曲線呈線性變化且無明顯的殘余變形，滯回環的面積較小，能量耗散能力弱。

2）進入屈服階段后，試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的滯回曲線均較為飽滿，耗能特性得到充分發揮，但剛度出現退化且有明顯的殘余變形。

3）試件SJ-1 與SJ-2 的滯回曲線較為接近，但試件SJ-2 的滯回曲線略有捏縮現象，主要是因為試件SJ-2 的鋼梁翼緣及腹板均為焊接連接，梁端與節點模塊之間的連接剛度較大，荷載能夠有效傳遞至節點模塊，使得節點蓋板上、下位置處的SRC 柱混凝土出現局部壓碎。整個加載過程中，試件SJ-3 從屈服至破壞始終伴有螺栓滑移現象，且隨著荷載的增大，螺栓的滑移程度更加顯著，但試件SJ-3 的變形與耗能性能得到增強。

5.2 骨架曲線

試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的骨架曲線（圖13）中，主要性能點包括屈服點(θy，My)、峰值點(θmax，Mmax)和破壞點(θu，Mu)[17]。采用初始剛度法[18]確定屈服點，表3匯總了各試件特征點的計算結果。

表3 節點試件各階段特征值Table 3 Characteristic values of joint specimens at each stage

1）試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 均具有彈性、彈塑性和破壞3 個受力階段，且受力狀態穩定，骨架曲線呈“S”型。

2）將各試件彎矩—轉角骨架線正、負方向進行插值平均處理，根據規范EC3[19]將節點進行分類。由圖14 可知，試件SJ-2 屬于剛性、完全強度連接，試件SJ-1 和SJ-3 屬于半剛性、部分強度連接。此外，取試件發生破壞時的轉角作為極限轉角θu（圖14），試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的極限轉角值分別為0.05、0.08、0.10 rad，均超過0.04 rad，滿足美國標準FEMA-350[20]對節點延性設計的要求。

圖14 節點分類Fig.14 Joint classification

3）試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的轉角延性系數均值分別為4.03、5.61、11.84，表明該新型節點試件的塑性變形能力良好。其中，試件SJ-3 的轉角延性系數分別為SJ-1、SJ-2 的2.9、2.1 倍，主要原因是在試驗加載過程中試件SJ-3 一直伴有螺栓滑移，使節點試件的塑性變形性得到增強，而試件SJ-1 和SJ-2 因其翼緣連接板為焊接連接，在達到屈服后逐漸發生撕裂，塑性變形能力降低，從而降低了節點試件的延性性能。

5.3 耗能能力

等效黏滯阻尼系數he是評價結構或構件抗震耗能的重要性能指標，其定義為

式中：S(ABCD)和S(OBE+ODF)的定義如圖15（a）所示。

圖15 試件能量耗散Fig.15 Energy dissipation of specimens

根據式（3）計算得到的各試件he值匯總于表3。各試件he值在0.24～0.36 之間，平均值為0.31，表明采用不同梁端連接方式的試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 均有較強的耗能能力[21]。圖15（a）是he與循環次數之間的關系曲線。在達到屈服后試件SJ-3 最早進入耗能狀態，螺栓與連接板之間的滑移使得試件SJ-3的能量耗散性能較試件SJ-1 和SJ-2 低，但其延性變形性能得到改善。在彈性階段和彈塑性階段，試件SJ-1 和SJ-2 曲線比較接近，但因腹板連接方式的不同，導致在破壞階段兩者he變化曲線存在一定差異。

圖15（b）為Etotal—循環次數關系曲線。3 個節點試件的Etotal曲線具有相近的變化趨勢，近似呈指數型增長，其中，在加載初始階段，各試件的Etotal曲線增長緩慢，能量耗散能力較低。當節點試件進入屈服階段后，在相同循環次數下，試件SJ-1 快速進入高耗能狀態，其Etotal值增幅最大，而試件SJ-3 因存在螺栓滑移導致其Etotal曲線增長較緩。但兩個節點試件SJ-1 和SJ-2 的翼緣連接板為焊接連接，在加載后期，由于翼緣連接板的屈曲變形和撕裂，加快了試件承載力和剛度的退化，故最終破壞時試件SJ-1 和SJ-2 的Etotal值均比SJ-3 低。

5.4 剛度退化

試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的剛度退化采用環線剛度Kj進行表示，定義為

圖16 為Kj-θ關系曲線。當轉角小于±0.03 rad時，由于翼緣連接板的屈曲變形，試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的環線剛度隨著外部荷載的增大以較快速率下降；當轉角在±0.03～±0.04 rad 時，試件SJ-1 和SJ-2 的Kj-θ曲線較為接近，而試件SJ-3 的Kj-θ曲線下降段斜率逐漸降低，反映出翼緣連接板連接方式的差異對試件整體剛度和變形影響較大。

圖16 剛度退化曲線Fig.16 Stiffness degradation curves

5.5 承載力退化

試件SJ-1、SJ-2、SJ-3 的承載力退化采用承載力降低系數λi表示，其定義為

式中：為在位移級別j時第1 次循環的峰值荷載；為在相同位移級別j時的第i=1，2，3 次的峰值荷載。

圖17 為λi-θ關系曲線。分析可知，承載力退化曲線具有較好的對稱性且退化性能穩定。其中，第3 次循環時的λi值略低于第2 次循環，表明在相同加載位移級別時，隨著循環次數的增加，試件承載能力有所降低。承載力隨著轉角的增大整體處于平穩降低趨勢，加載后期的承載力降低系數發生突然下降，這是由于試件翼緣連接板斷裂，試件達到破壞，各試件的λi值基本在0.9 左右。通過對比可知，試件SJ-1 和SJ-2 的承載力退化曲線變化相近，當轉角超過±0.05 rad 后，λi快速衰減，直至試驗終止。試件SJ-3 受力情況特殊，其承載力退化曲線呈水平的“S”狀，即轉角為±0.01～±0.02 rad 時，相比試件SJ-1 和SJ-2，試件SJ-3 的承載力退化幅度明顯較大，之后承載能力逐漸增大并趨于穩定；接近破壞時，試件SJ-3 承載力出現明顯退化，主要原因是SJ-3 的梁端連接方式為螺栓連接，在加載作用下，試件螺栓連接處出現滑移現象，并且伴隨翼緣連接板的屈曲變形，導致試件承載力在加載初期就發生明顯退化，之后隨著梁端荷載的持續增大，螺栓滑移達到一定程度后得到抑制，試件承載力明顯提高。

圖17 承載力退化曲線Fig.17 Bearing capacity degradation curve

6 結論

提出一種新型預制鋼骨混凝土柱—鋼梁組合節點，分別對梁端為栓焊混合連接、焊接連接及螺栓連接的3 個節點試件進行了低周往復荷載試驗，主要結論如下：

1）在低周往復荷載作用下，新型節點試件均表現為梁端受彎破壞，實現了塑性鉸遠離節點核心區的目的。

2）梁端連接構造對新型節點試件翼緣連接板和混凝土應變的影響較鋼梁腹板、H 型鋼骨和縱向鋼筋更加顯著。

3）新型節點試件的承載力較高，塑性變形和能量耗散能力強，具有良好的力學性能和抗震性能。

4）試件SJ-1 和SJ-3 屬于半剛性、部分強度連接，試件SJ-2 屬于半剛性、完全強度連接。