0 引言

　　 如今,我国的城镇化建设进一步推进,建筑技术不断发展,出现了许多新型结构 ^[1]。钢骨混凝土结构由于其承载力高、延性及抗震性能好而受到工程界的关注并得到了广泛的应用,在此基础之上以钢桁架作为受力骨架,外包混凝土构成的结构称作桁架式钢骨混凝土结构,这是一种新型结构,具有较大的强度及刚度 ^[2],在工程中实腹式结构常见的有“I”、“H”、“十”型等。学者研究表明 ^[3,4],相比钢结构 ^[5],外部包裹混凝土能够提高构件的整体刚度,防止钢构件发生局部屈服,同时钢结构的扭转屈曲性能也得到了相当程度的改善,充分发挥了钢材的强度,外包混凝土使结构的耐火性及耐久性得到了提升并且节约了钢材。

　　 Iizuka ^[6]通过对钢筋混凝土柱-钢梁组合节点抗震性能的研究发现,节点的抗震性能会由于柱在节点区贯通而更为良好,同时还通过推导得到了节点抗剪承载力公式。Kitano等 ^[7]通过低周往复试验研究了缩尺的SRC(钢骨混凝土)柱梁中柱节点,得到了针对SRC节点承载力改进的计算公式,并得出SRC节点的抗剪承载力受偏心因素影响较小的结论。Sheikh等 ^[8,9]设计出一种由U形梁与预制柱构成节点的新型框架梁柱节点,并且通过试验表明节点核心区发生了比较严重的钢筋滑移,引起较快的刚度及耗能能力的降低。柳炳康等 ^[10]通过低周往复试验研究了两榀预压装配式预应力混凝土框架,结果表明梁柱节点具有较强的变形恢复能力和良好的耗能能力,并且梁端截面转动能力良好。陈勇等 ^[11]通过试验研究了SRC梁柱节点在低周反复荷载作用下的基本性能、节点的承载力、破坏形态、耗能以及较大轴压力对试件性能的影响等,提出了节点的抗剪承载力以及节点的抗裂计算公式。

　　 本文对桁架式钢骨混凝土梁柱节点的抗震性能进行研究,研究成果补充完善有关的设计理论,为桁架式钢骨混凝土梁整体性的合理评估提供帮助,以期为工程设计人员提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试件材料力学性能

　　 预留5个150×150×150混凝土立方体试块,试件与试块均采用C40商品细石混凝土浇筑,并且在相同的适宜条件下养护超过28d,对其进行力学性能测试,结果如表1所示。

　　 预留每种型号的钢材各3根作为样品,按照相关规范测试钢材的材料力学性能,结果如表2所示。

　　 混凝土力学性能 表1

编号	f′cu/MPa	f—´cu/MPaf—´cu/ΜΡa	f′c/MPa	E/MPa
H1	45.2	45.3	34.4	3.25×104
H2	45.9			3.25×104
H3	43.3			3.25×104
H4	46.2			3.25×104
H5	45.7			3.25×104

 

　　 注:f′cu,f—´cuf′cu,f—´cu分别为混凝土立方体抗压强度实测值及平均值; f′_c为由f′_cu换算的轴心抗压强度;E为混凝土弹性模量。

　　  

　　 钢材力学性能 表2

钢材型号	σs/MPa	σb/MPa	Es/MPa
L70×8	336.2	656.2	2.0×105
L50×6	307.4	598.5	2.0×105
L30×4	298.3	476.3	2.0×105
L25×3	277.6	432.5	2.0×105
8mm厚钢板	278.6	405.3	2.0×105
ϕs15.2	—	1 897.5	2.0×105

 

　　 注:σ_s为钢材屈服强度;σ_b为钢材极限强度;E_s为钢材弹性模量。

　　  

1.2 试件设计

　　 将框架中节点作为研究对象,设计了6个节点试件,分别编号GJ-1～GJ-6,除试件GJ-1外,各试件节点核心区均设置交叉斜腹杆,改变试件GJ-2,GJ-3,GJ-4的轴压比,分别为0.13,0.19,0.23,试件GJ-5,GJ-6中设置15.2mm钢绞线(表3),其中试件GJ-5轴压比为0.13,试件GJ-6轴压比为0.19。各试件的角钢骨架采用Q235钢,节点核心区采用贯穿式穿筋,将整个的梁钢骨从柱钢骨中穿过,梁弦杆、柱弦杆分别采用L50×6角钢和L70×8角钢,节点板为8mm厚钢板,采用L30×4角钢作为斜腹杆、竖腹杆。节点梁的长度为3 250mm,柱的高度为1 900mm,节点以上柱高度为900mm,节点以下柱的高度为700mm,试件保护层厚度为25mm。GJ-1～GJ-4节点如图1所示,GJ-5,GJ-6节点如图2所示,梁柱钢桁架如图3所示。

　　 图1 GJ-1～GJ-4节点示意图   

　　  

　　 对于试件GJ-5、试件GJ-6,预埋直径为40 mm的波纹管于梁上部,同时预留2个灌浆孔于梁的上端,试件养护28d之后使用后张法张拉预应力筋,将20mm厚的钢板预先放置于梁两端,放置弹簧于钢板后,防止产生过大的局部压力损坏试件。同时将40t压力传感器布置在梁的锚固端,用以测试钢绞线的应力变化情况。

　　 图2 GJ-5,GJ-6节点示意图   

　　  

　　 图3 梁柱桁架示意图  

　　  

　　 各试件有效预应力及预应力度 表3

试件编号	σpe/(N/mm2)	λ
GJ-5	1 356	0.32
GJ-6	1 369	0.28

 

　　 注:σ_pe为有效预应力;λ为预应力度。

　　  

1.3 试验装置与加载方案

　　 试验的加载方式为柱端循环往复加载,将100t液压千斤顶放置于柱顶,将铰支座设置于千斤顶上端,再在铰支座之上放置滑车,反力钢梁作为提供试验所需反力的装置,用地锚固定反力架下端从而形成固定支座,预先制作钢套,将柱放置其中,以铰支的方式将钢套与地梁连接起来,分别限制梁两端y方向与z方向的位移,加载示意图如图4所示。梁端连接件中心线至柱表面的距离为1 370mm,水平千斤顶中心线至梁顶面的距离为875mm,柱底铰中心线至梁顶面的距离为1 130mm,水平位移由加载系统采集拟合。

　　 采用低周往复荷载,预先在柱顶放置液压千斤顶,用压力传感器测定所加荷载的大小,在柱顶加载恒定大小的荷载,伺服加载系统一端固定于柱的上端,为防止误差过大,确保其初始力为0,然后对柱头循环加载。此外通过将铰支座设置于传感器上方来达到实现二阶效应的目的。试验采用荷载和位移混合控制的加载制度,如图5所示。首先,试验加载由荷载控制,分级进行加载,每级循环1次,荷载分别为屈服荷载的30%,75%,100%;试件发生屈服后,加载改为按位移控制,分级进行,每级位移循环3次,分别采用试件屈服时水平位移的1倍、2倍、3倍,如此进行直到试件发生破坏,停止加载。判断试件发生破坏的标准为荷载降低至峰值荷载的85%或试件发生明显破坏而不适宜再加载。每次加载均检查并描绘试件表面混凝土裂缝,记录裂缝开展情况以及试验现象。

　　 图4 加载示意图   

　　  

　　 图5 加载系统   

　　  

2 试验现象及破坏形态

　　 6个试件从开始加载到最终破坏,都经过了初裂、通裂、极限和破坏四个阶段。1)初裂阶段:加载初期试件处于弹性阶段,随着荷载增加,梁上出现了弯曲裂缝,裂缝靠近节点核心区,之后出现向节点核心区延伸的裂缝。节点核心区在荷载达到70～80kN时出现第一条斜裂缝,此时的荷载为初裂荷载。2)通裂阶段:随着荷载增加,梁上出现了靠近节点核心区部位的贯穿的裂缝,此时多条平行的斜裂缝出现在节点核心区处,节点核心区柱边缘出现竖向裂缝。3)极限阶段:发生通裂后,荷载继续增加,水平荷载增量很小,位移增量则很大,梁上裂缝继续开展,贯穿裂缝宽度增加,节点核心区柱边缘竖向裂缝增大,承载力达到最大值。4)破坏阶段:对GJ-1,当所加载的荷载达到试件的极限承载力时,位移继续增大,梁靠近节点核心区处的混凝土脱落,节点核心区柱边缘竖向劈裂,承载力降低,节点发生破坏;对GJ-2～GJ-6,当所加载的荷载达到试件的极限承载力时,位移继续增大,梁靠近节点核心区处的混凝土脱落,梁端混凝土被压碎,梁端发生破坏。6个试件破坏形态如图6所示。

　　 图6 试件破坏状态   

　　  

　　 图7 各试件滞回曲线  

　　  

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

　　 滞回曲线可以反映试件在反复受力过程中的变形特征、刚度退化和能量耗散,可以反映出试件的抗震性能。各试件的滞回曲线见图7,图中正方向表示推力,而负方向表示拉力。

　　 在加载初期,试件节点尚处于弹性工作阶段,正负方向的滞回曲线基本呈线性变化,此时没有残余变形;试件发生屈服之后,由位移控制试验的加载,节点处于非线性阶段,滞回环的面积以及残余变形随着幅值的逐步增加而增大,此时出现显著的刚度退化现象。GJ-1～GJ-3及GJ-5,GJ-6的滞回曲线有较为明显的捏缩现象,曲线呈现出反S形,但是轴压比较大的GJ-4则有着相对饱满的滞回曲线,反S形曲线并未出现。

　　 试件延性系数 表4

试件编号	方向	Pmax/kN	Pu/kN	Δy/mm	Δu/mm	μ	μ—μ—
GJ-1	正	171.62	145.86	26.67	84.94	3.18	3.32
	负	-144.73	-123.02	25.04	86.33	3.45
GJ-2	正	148.94	—	29.29	87.43	2.98	3.35
	负	-149.17	-125.64	28.2	104.63	3.71
GJ-3	正	169.44	147.42	34.58	88.62	2.56	2.47
	负	-170.23	-130.70	39.05	92.88	2.37
GJ-4	正	184.09	—	34.89	87.33	2.5	2.57
	负	-173.87	-140.79	35.17	92.64	2.63
GJ-5	正	152.38	—	33.02	87.72	2.66	2.64
	负	-150.14	—	39.2	102.23	2.61
GJ-6	正	163.69	139.14	34	84.23	2.48	2.49
	负	-147.83	-125.66	35.17	87.64	2.49

 

　　 注:P_max,P_u分别为为节点峰值荷载、破坏荷载; Δ_y,Δ_u分别为节点屈服位移、破坏位移; μ,μ—μ,μ—分别为延性系数、延性系数平均值。

　　  

3.2 骨架曲线

　　 骨架曲线是往复荷载作用下结构或构件滞回曲线峰值点的连线,它与单调加载时的力-位移曲线很接近,骨架曲线还反映了试件的开裂荷载和极限承载力,也是确定恢复力模型中特征点的重要依据,各试件的骨架曲线见图8。

　　 由图8可知:节点的受力过程包括弹性、塑性变形、破坏共三个阶段。开始时,试件的骨架曲线没有出现明显的屈服拐点,呈现为一条斜直线,表现出弹性特征,此时试件处于弹性阶段;由GJ-2～GJ-4的对比曲线可知,试件的极限承载力随着轴压比的增大而增大;预应力钢绞线提高了试件的极限承载力,但十分有限。可以看出,试件的骨架曲线有着比较陡峭的下降段,表明刚度退化较快。

3.3 延性

　　 延性是指结构构件或构件的某个截面虽然产生了较大的变形,但其承载能力并没有较大程度降低的特性,体现了结构非弹性变形的能力。结构的延性较好,其在达到屈服状态或者到达最大承载能力之后结构自身不会突然发生破坏 ^[12],仍然能够吸收一定的能量,表明其从屈服到破坏的后期变形能力较好。一般用延性系数μ(表4)来表示延性,表达式为:

　　 μ=ΔuΔy         (1)μ=ΔuΔy         (1)

　　 式中:Δ_y,Δ_u分别为节点的屈服位移及极限位移,Δ_y通过等能量法确定,Δ_u为承载力降低至峰值荷载85%时所对应的位移。

3.4 节点耗能能力

　　 耗能能力指构件在地震反复作用下吸收能量的大小。滞回曲线所包围的面积可以衡量构件的耗能能力,包围的面积愈大,曲线愈饱满,则耗能能力愈优良,反之则愈差。试件的耗能能力一般通过等效黏滞阻尼系数h_e来表征,h_e值越大,则表明试件的耗能性能越好,计算方法如下:

　　 he=E/(2πPΔ)         (2)he=E/(2πΡΔ)         (2)

　　 式中:E为累积耗能,表示一个滞回环所包围的面积;P为滞回环正负向峰值荷载;Δ为滞回环正负向峰值荷载所对应的水平位移。

　　 各试件等效黏滞阻尼系数h_e与加载位移Δ的关系见图9。

　　 从图9中可以得到,随着位移的增加,GJ-1～GJ-6的等效黏滞阻尼系数总体上是增大的,GJ-1的h_e值仅为0.15,表明耗能能力最差,GJ-4的h_e值达到了0.24,表明耗能能力最好,说明设置于节点核心区的交叉斜腹杆可以提高试件的耗能能力,而配置的预应力筋一定程度上降低了试件的耗能能力,并没有对其产生提高作用。

3.5 节点刚度退化

　　 刚度退化是指峰值荷载保持相同数值的循环往复荷载作用下,随着循环次数的增加,峰值点的位移逐渐增大的现象。试件刚度可以用割线刚度K_i表示,即:

　　 Ki=|+Pi|+|−Pi||+Δi|+|−Δi|         (3)Κi=|+Ρi|+|-Ρi||+Δi|+|-Δi|         (3)

　　 式中:+P_i,-P_i分别为试验加载时第i次循环正负向的峰值荷载;+Δ_i,-Δ_i分别为第i次循环正负向峰值荷载所对应的位移。

　　 与之前相比,每一轮循环加载过后试件的刚度都会有一定程度的降低,轴压比较大的试件刚度退化较快(图10),可以看出各个试件具有基本一致的刚度退化规律。

　　 图8 骨架曲线  

　　  

　　 图9 等效黏滞阻尼系数对比 

　　  

　　 图10 刚度退化曲线  

　　  

3.6 预应力

　　 图11为压力传感器测得的GJ-5,GJ-6钢绞线在各级位移下的荷载大小。两个试件有着近似形态的曲线,经过比较,钢绞线的受力受到轴压比一定程度的影响,相同条件下,试件轴压比越大则钢绞线受力越大;与前一级相比,曲线斜率有所增大,表明位移越大则预应力发挥的作用越显著。

　　 图11 预应力钢绞线承载力 随位移变化 

　　  

4 结论

　　 通过对6个桁架式钢骨混凝土梁柱节点试件进行低周往复荷载试验,得到如下结论:

　　 (1)GJ-1～GJ-6均具有较为均匀对称的滞回曲线,轴压比对试件的承载力有一定的提高作用,且一定范围内轴压比越大,试件的刚度退化越快。

　　 (2)设置在节点核心区的斜腹杆对于试件的耗能能力有一定程度的提高作用,节点核心区设置斜腹杆的试件耗能能力优于未设置斜腹杆的试件。

　　 (3) 桁架式钢骨混凝土梁柱节点的延性系数在2.5～3.4之间,相比之下普通钢筋混凝土梁柱节点延性系数则在1.5～2.0之间,这说明桁架式钢骨混凝土构件的延性明显优于普通钢筋混凝土构件。

　　 (4)预应力筋对于构件的极限承载力有一定的增强作用,然而作用十分有限,预应力构件与同等条件下未加预应力的构件相比,耗能能力以及延性均出现一定程度的降低。