部分包裹混凝土组合柱 (partially encased concrete composite column, 简称PEC柱) 是在H型钢柱两翼缘之间焊接横向系杆并浇筑混凝土而成的组合柱^[1]。PEC柱中的型钢可充当填充混凝土中的受力纵筋, 焊接在两翼缘间的横向系杆起到箍筋作用, 两种材料结合, 既克服了混凝土结构抗拉强度低的弱点, 又弥补了钢结构稳定性差的缺陷, 柱的整体刚度、承载力显著提高。这种构件具有承载力高, 抗震性能好、经济性突出等优点, 不仅可以用于建筑物加固改造, 还可用于新建建筑物多高层结构和装配式建筑。早期, 马重辛^[2]对型钢填充混凝土的受力性能进行了理论研究, 研究结果表明:型钢和混凝土有一定的变形协调能力, 而且柱翼缘间混凝土可增大结构刚度和稳定性;横向系杆可加强对混凝土的约束作用, 减小柱翼缘的屈曲程度, 有效地增强结构的抗震性能。目前国内外对这种组合结构都有所研究。Tremblay等^[3]对6根PEC短柱以柱翼缘宽厚比、试件的整体尺寸及横向系杆间距为设计变量进行PEC组合柱的力学性能试验研究, 研究表明:达到极限荷载后, 横向系杆间距较大试件的强度退化程度大于间距较小试件, 同时小间距的试件体现更好的延性性能, 翼缘宽厚比大的试件强度小于宽厚比小的试件。赵根田等^[4,5]对PEC柱进行系统试验研究, 试验表明轴压比、偏心距、翼缘宽厚比、箍筋配筋率是影响该类型柱承载力的主要影响因素。方友珍等^[6]对T形节点连接框架做了低周反复的试验研究, 研究了T形节点框架的滞回特性、承载力、抗侧刚度退化、耗能能力和破坏模式等, 并强调强节点弱构件的理念。虽然部分研究者对PEC柱的力学性能做了相关研究, 但是对于梁柱连接组合节点抗震方面涉及不多。梁柱节点作为钢结构框架体系的重要部位, 节点的性能直接影响结构的承载力、刚度和稳定性^[7], 因而本文试验探究顶底角钢和端板连接下PEC柱-钢梁节点的承载力、滞回性能、延性等抗震性能指标, 为以后的科研实践提供理论依据。

　　 将角钢厚度、端板厚度和柱翼缘厚度作为试验参数, 设计制作6组连接节点试件, 其中3组PEC柱-钢梁顶底角钢连接节点试件 (JG-1, JG-2, JG-3) , 3组端板连接节点试件 (DB-1, DB-2, DB-3) 。试件所用钢材均采用Q235B;钢梁采用窄翼缘热轧H型钢, 截面均为HN200×100×5.5×8, 长度为1 200mm;PEC柱采用焊接H型钢, 截面为H200×200×8×12和H200×200×8×6, 柱高为1 800mm, 柱两翼缘之间焊接ϕ8@200钢筋并浇筑C40混凝土。试件主要参数见表1, 试件节点详细尺寸见图1, 2。

　　 试验采用荷载-位移混合控制加载方式, 加载装置如图3所示。在试件屈服前用荷载控制, 每级荷载增量为2kN;屈服后改用位移控制, 每级以屈服位移Δ_y的0.25倍为增量控制, 每级位移增量往复加载3次, 直到试件破坏, 或构件出现较大变形停止加载。

　　 顶底角钢及端板两种PEC柱梁连接节点形式下6组试件的试验现象大体相似, 故分别以试件JG-2和试件DB-1为例说明。试件JG-2在加载初期由荷载控制, 当梁端水平反复荷载达到10kN时, 加载侧梁翼缘对应的混凝土开始出现裂缝, 随着荷载的增大, 非加载侧梁翼缘对应的混凝土也出现裂缝, 如图4 (a) 所示。试件JG-2在荷载达到28.8kN时梁翼缘出现屈服改由位移控制, 随循环次数增加, 角钢和PEC柱接触面之间的滑移增大, 在角钢靠近圆角处出现裂纹, 梁与柱翼缘连接处变形增大, 见图4 (b) , (c) 。在加载至2.0Δ_y推力第三次循环时, 远离加载侧的角钢裂缝深度加深, 并沿角钢宽度方向贯通, 最后角钢断裂, 试验结束, 见图4 (d) 。试件DB-1在荷载控制初期处于弹性阶段, 当水平反复荷载达到27kN时, 柱两侧梁翼缘对应的混凝土出现竖向裂缝, 随着荷载的增大, 裂缝逐渐发展至整个柱宽。当水平荷载增加至51kN时, 钢梁开始屈服。随后改由位移控制, 在加载至1.5Δ_y推力时节点域混凝土裂缝增多且不断发展。随着位移的增加, 加载侧梁翼缘翘曲, 端板第一排螺栓对应的混凝土表面有脱落现象。当加载至0.75Δ_y推力时, 节点域柱翼缘与混凝土之间出现间隙, 距离柱翼缘10㎝处钢梁翼缘开始屈曲。当加载至2.25Δ_y推力时, 梁翼缘屈曲呈S状, 梁腹板鼓曲明显, 见图4 (e) 。梁端出现明显的塑性铰, 端板上出现非常明显的裂缝, 见图4 (f) , 试验停止。

　　 角钢节点的破坏形态为角钢断裂, 端板节点的破坏形态为梁翼缘和腹板屈曲, 形成塑性铰。角钢的厚度要大于梁柱翼缘厚度, 但从试验结果来看角钢都是先于梁翼缘破坏。端板厚度大于梁翼缘厚度, 端板厚度降低有可能出现端板位置处焊缝断裂, 端板厚度适当增大则最后的破坏为梁翼缘出现塑性铰。

　　 PEC柱-钢梁顶底角钢连接节点的滞回曲线的图像呈弓形伴有“捏缩”现象, 说明滑移对滞回曲线产生了影响。以柱翼缘厚度为变量的两个试件 (试件JG-1, JG-3) 的滞回曲线都比较饱满, 最大加载荷载几乎一致, 说明试件JG-1和试件JG-3的抗震性能基本一致。

　　 图5为PEC柱-钢梁端板连接节点的滞回曲线。由图可知, 滞回曲线呈梭形, 形状非常饱满, 可知整个结构或构件的塑性变形能力很强。试件DB-3的滞回曲线捏缩现象严重 (图5 (c) ) , 因为在反向加载时, 受拉区柱翼缘与混凝土之间的缝隙未闭合, 混凝土包裹的螺母有轻微松动, 使初期刚度下降。

　　 通过比较顶底角钢 (试件JG-1, JG-2) 和端板 (试件DB-1, DB-2) 两种连接方式可知, 端板连接的滞回曲线要比角钢连接的滞回曲线更加饱满, 且对称性更好, 说明在低周反复荷载作用下, 端板连接的变形能力要比角钢连接的好。从结构构造来说, 端板上有8个螺栓且端板和钢梁经焊接成为一个整体, 而角钢连接PEC柱一侧只有4个螺栓, 所以端板的初始刚度要大于角钢连接的初始刚度。从试验角度来看, 端板与梁连接的最后结果大部分是梁端形成塑性铰, 从传力机制来分析, 端板将力传到钢梁上, 梁翼缘和腹板受到推拉作用最终形成塑性铰。在低周反复荷载作用下, 角钢连接最终破坏模式都是直角处受到推拉荷载造成的角钢断裂, 很容易疲劳破坏, 故角钢更适用于弯矩作用较小的节点。因此端板节点的抗震性能要优于角钢节点的抗震性能。

　　 图6为6组试件的骨架曲线, 受力过程分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。承载力达到极限荷载后, 随着位移的增大, 骨架曲线都有明显的下降段, 6组试件的平均极限位移均接近或大于50mm。试件JG-1, JG-2, JG-3中, 以角钢厚度为变量的试件JG-1, JG-2的平均最大荷载分别为29.8, 35.7kN, 试件JG-2的最大荷载比试件JG-1增加19.8%, 说明增大角钢厚度可以显著提高节点的极限承载力。以柱翼缘厚度为变量的试件JG1, JG3的极限承载力几乎一致, 这说明柱翼缘厚度对角钢节点的影响不大, 可以适当减少柱翼缘厚度来节约成本。试件DB-1, DB-2, DB-3中, 以端板厚度为变量的试件DB-1, DB-2的平均极限承载力为61.9, 63.8kN, 表明增大端板厚度可以提高节点的承载力, 但提高幅度很小。以柱翼缘厚度为变量的试件DB-3的极限承载力平均为52.3kN, 极限承载力低于试件DB-1, DB-2, 极限位移也偏小, 主要因为试件DB-3柱翼缘宽厚比超过了规范限值, 在节点核心区没有相应的构造措施, 柱翼缘屈服较早。

　　 图6 节点骨架曲线

　　 对比顶底角钢和端板两种连接节点的骨架曲线, 试件JG-1, DB-1的极限承载力分别为29.8, 61.9kN, 试件DB-1的极限承载力比试件JG-1的增加了108%。试件JG-2, DB-2的极限承载力为35.7, 63.8kN, 试件DB-2的极限承载力比试件JG-2的增加了78.7%。说明端板的极限承载力要优于角钢连接。

　　 本文采用割线刚度法研究试件的刚度退化。图7 (a) 为PEC柱-钢梁顶底角钢连接节点3组试件的刚度退化曲线, 可以看出在加载初期, 刚度退化严重, 到后期斜率趋向平缓。对比试件JG-2, JG-3的刚度退化曲线可知, 角钢厚度的增加可显著提高角钢连接节点的刚度;对比试件JG-1和JG-3的刚度退化曲线可知, 虽两试件的柱翼缘厚度不同, 但是两者的初始刚度一样, 在加载过程中刚度退化曲线基本重合, 两者退化趋势一致。图7 (b) 表明了PEC柱-钢梁端板连接节点割线刚度退化都比较大, 试件屈服后比试件屈服前刚度退化的速率大。比较试件DB-1, DB-2可知, 随端板厚度增加, 试件割线刚度有少量增加;比较试件DB-2, DB-3的刚度退化曲线可知, 两组试件的初始刚度有很大差异, 柱翼缘越薄, 其初始刚度越小, 割线刚度越小。

　　 对比图7 (a) , (b) 的刚度退化规律, 端板连接节点的刚度退化曲线比顶底角钢连接节点的刚度退化曲线更平缓均匀。角钢厚度由12mm (试件JG-1) 增大到18mm (试件JG-2) 时, 节点初始刚度由1.40kN/mm增大到2.49kN/mm, 提高了78%;端板厚度由12mm (试件DB-1) 增大到18mm (试件DB-2) 时, 节点初始刚度由2.02kN/mm增大到2.16kN/mm, 提高了6.9%, 表明增大角钢厚度能显著提高角钢连接节点的初始刚度, 而增加端板厚度对端板连接节点的初始刚度不明显。

　　 根据《建筑抗震试验方法规程》 (JGJ 101—96) , 本文采用位移延性系数μ来评估各试件的延性。 表2, 3为顶底角钢及端板连接节点试件的位移延性系数。由表2, 3可知6组试件延性系数均大于3.0, 说明结构具有很好的延性, 能够满足抗震设计要求。同种节点形式下:比较试件JG-1, JG-2可知, 增大角钢厚度可以提高结构的延性, 而试件DB-1, DB-2的平均延性系数分别为5.95, 6.05, 说明端板厚度的增加对结构的延性影响不大。试件JG-3的平均延性系数为4.75, 是试件JG-1平均延性系数的1.32倍;试件DB-3的平均延性系数为6.15, 与试件DB-1相比, 平均延性系数提高了3.4%, 不难看出两种节点形式下, 柱翼缘薄的构件的延性比柱翼缘厚的构件的延性好;不同节点形式下, 当角钢厚度和端板厚度为同一值 (分别为12, 18mm) 时, 端板连接节点平均位移延性系数比顶底角钢的大65.3%, 30.1%, 当柱翼缘厚度为6mm时, 两种连接形式的平均位移延性系数分别为4.75, 6.15, 端板连接节点平均位移延性系数比顶底角钢的大29.5%。

　　 在抗震设计中, 利用等效黏滞阻尼系数h_e来判断结构的耗能能力。等效黏滞阻尼系数h_e和能量耗散系数E公式见式 (1) , (2) , 式中S为包络线面积, 计算示意见图8, 结果见表4。

　　 $\begin{array}{l}h{}_{\text{e}}=\frac{1}{2\text{π}}\times \frac{S{}_{(\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{B}\text{F}\end{array}+\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{D}\text{F}\end{array})}}{S{}_{(\text{Δ}\text{A}\text{B}\text{Ο}+\text{Δ}\text{C}\text{D}\text{Ο})}}(1)\\ E=\frac{S{}_{(\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{B}\text{F}\end{array}+\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{D}\text{F}\end{array})}}{S{}_{(\text{Δ}\text{A}\text{B}\text{Ο}+\text{Δ}\text{C}\text{D}\text{Ο})}}(2)\end{array}$

　　 式中:$S{}_{(\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{B}\text{F}\end{array}+\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{D}\text{F}\end{array})}$为$\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{B}\text{F}\end{array}$与$\begin{array}{l}⌒\\ \text{E}\text{D}\text{F}\end{array}$围成的面积;S _{(ΔABO+ΔCDO)} 为ΔABO和ΔCDO围成的面积。

　　 由表4可以看出, 试件JG-1, JG-2的角钢的厚度对结构的耗能有着明显的影响, 试件JG-2比试件JG-1耗能增加13%。试件JG-1, JG-3均没有明显的耗能增加, 表明柱翼缘厚度对节点的耗能影响较小。对比试件DB-1, DB-2可知, 端板厚度对节点的耗能影响较大, 试件DB-2比试件DB-1耗能增加39.2%。对比试件DB-2, DB-3可知, 虽然端板厚度增加, 但试件DB-3的耗能要小于试件DB-2, 可以说明端板连接柱翼缘厚度对节点耗能有很大影响, 耗能降幅34.6%。

　　 通过对比试件JG-1, JG-2和试件DB-1, DB-2可知, 端板连接节点试件的耗能能力要远大于顶底角钢连接节点试件, 平均增幅约22%。钢筋混凝土等效黏滞系数为0.1, 能量耗散系数为0.63, 型钢混凝土等效黏滞系数为0.3, 能量耗散系数为1.88, 角钢节点试件等效黏滞系数为0.21～0.25, 能量耗散系数为1.35～1.57, 端板连接节点试件等效黏滞系数为0.24～0.37, 能量耗散系数为1.68～2.34, 都表现出了良好的耗能能力。

　　 (1) PEC柱-钢梁顶底角钢连接和端板连接两种节点形式下试件破坏模式相似。柱混凝土出现裂缝、梁翼缘局部屈曲、柱翼缘与混凝土之间出现缝隙、端板或角钢断裂。

　　 (2) PEC柱-钢梁端板连接节点试件的滞回曲线比顶底角钢连接节点试件的滞回曲线更饱满, 在角钢厚度和端板厚度均为12mm时, 端板节点试件与角钢节点试件相比极限荷载提高了108%, 平均位移延性系数提高了65.3%, 说明端板连接节点的承载力和延性要明显高于顶底角钢连接节点的, 端板连接节点的抗震性能优于顶底角钢连接节点的。

　　 (3) 角钢厚度和端板厚度的加大都会在一定程度上提高节点的承载力, 随着角钢厚度的增加, 节点的承载力也随之增加, 最大增幅为19.8%;随着端板厚度增加, 节点承载力的提高幅度不大。

　　 (4) 对顶底角钢连接节点来说, 减小柱翼缘厚度对节点承载力和刚度退化几乎没有影响, 但位移延性系数提高了30.1%;而柱翼缘厚度的减小却使得端板连接节点的承载力显著降低, 节点初始刚度减小。

　　 (5) 顶底角钢连接中, 柱翼缘厚度对节点耗能影响不大, 角钢的厚度对节点耗能影响显著。端板连接中端板的厚度和柱翼缘厚度对节点耗能影响较大。

　　 (6) 在抗震设计要求中, 先是钢梁产生塑性铰, 然后PEC柱, 最后才是节点, 也就是“强节点弱构件”。端板连接中, 适当的端板厚度下试验结果都是梁端出现塑性铰。而顶底角钢连接中, 适当的角钢厚度下试验结果大部分都是角钢断裂破坏, 不符合“强节点弱构件”的设计原则。为了使角钢连接满足抗震设计要求, 可以在梁腹板位置添加腹板角钢, 在顶底角钢上添加加劲肋, 增强角钢节点刚度。通过对比顶底角钢连接和端板连接, 在情况允许下更推荐使用端板连接。