异形钢管混凝土结构具有承载力高、韧性和塑性好、施工速度快、实现产业化生产等优点, 是一种发展前景广阔的结构形式。近年来异形钢管混凝土结构的发展十分迅速, 我国在钢管混凝土的研究和应用方面做了很多工作^[1]。与传统的钢筋混凝土异形柱结构相比, 异形钢管混凝土结构充分利用钢和混凝土两种材料的优势, 其将钢和混凝土组合成一个整体, 既增强了钢管的局部稳定性, 又提高了混凝土的强度, 具有较高的整体力学性能和抗震性能。内隔板式异形钢管混凝土结构可有效改善钢筋混凝土异形柱结构承载力较低、抗震性能较差的缺点, 该种异形结构可推广应用于高层建筑及抗震设防高烈度地区。

　　 在抗震设计中, 延性通常能够衡量结构在地震作用下的耐变形能力和消耗地震能量的能力, 是反映构件抗震性能的一个重要的特性指标^[2]。目前对于钢筋混凝土异形节点的延性研究已经比较成熟, 有关异形钢管混凝土节点的延性研究刚刚起步。由于内隔板式异形钢管混凝土节点由钢材、混凝土两种材料组合而成, 并采用内隔板式构造形式, 故与异形钢筋混凝土节点相比, 内隔板式异形钢管混凝土节点的受力特点、试验方法与测试内容、延性评估方法均有本质区别。本文通过内隔板式异形钢管混凝土节点的低周反复荷载试验, 研究节点域材料弹塑性变形、残余应变的积累对节点延性的影响, 并采用节点塑性区的发展、节点残余应变发展速率等多种评价指标对异形钢管混凝土节点的延性进行综合评价。

　　 本试验共设计制作了9个内隔板式异形钢管混凝土节点试件, 试验试件的缩尺比为1/2, 试件的肢厚均为120mm, 试件具体几何尺寸如图1所示, 试件的设计参数为柱截面形状、肢高肢厚比和轴压比, 具体设计参数如表1所示。中节点的两侧柱翼缘均与钢梁焊接, 边节点、角节点只有一侧柱翼缘与钢梁焊接, 本文规定与梁相连的柱肢称为腹板肢, 另一肢称为翼缘肢, 核心区是指梁和柱交汇的区域 (包括腹板肢和翼缘肢) 。

　　 图1 试件几何尺寸

　　 试件设计参数 表1

　　 注: d₁, h₁, t₁分别为节点域腹板肢钢腹板水平方向的宽度、高度和厚度;d₂, h₂, t₂分别为节点域翼缘肢钢腹板水平方向的宽度、高度和厚度;n=N/[f_c (A_c+α_EA_s) ], 其中N为轴压力, f_c为混凝土轴心抗压强度, A_c, A_s分别为柱截面中混凝土和钢管的截面面积;α_E=E_s/E_c, 其中E_s, E_c分别为钢板和混凝土的弹性模量。

　　 钢梁采用工字形梁, 柱钢管由钢板焊接而成, 为了能够有效提高内隔板式异形钢管混凝土节点的承载力和抗震性能, 在节点核心区和钢梁翼缘对应的高度处焊接内隔板。为便于混凝土的浇筑, 施焊前需在内隔板切割出混凝土浇筑孔;施焊时内隔板短边一侧首先通过带垫板的坡口全熔透焊和柱翼缘焊接连接;然后内隔板长边一侧通过角焊缝和柱腹板肢钢腹板焊接连接;接着通过带垫板的坡口全熔透焊, 将钢梁翼缘、内隔板对应高度处柱翼缘焊接连接;最后通过角焊缝将钢梁腹板、对应高度处柱翼缘焊接连接。考虑到试件节点内隔板的混凝土浇筑孔尺寸较小, 为保证混凝土的浇筑质量, 商品混凝土中的粗骨料采用豆石。试验试件柱钢管腹板均采用4mm厚的Q235钢板, 钢板的材性试验结果见表2。试件的混凝土采用商品混凝土, 预留试块的实测强度见表3, 表3中的轴心抗压强度、弹性模量和抗拉强度, 均由实测的立方体抗压强度换算得出。

　　 试件采用柱端加载方式, 柱顶水平往复荷载由电液伺服作动器施加, 竖向轴力由油压千斤顶在柱顶施加。反复荷载的加载方式:弹性阶段采用力控制, 每级荷载增量约40kN, 并循环1次;当节点区钢腹板应变达到屈服应变后, 采用位移控制, 并以此时的加载位移作为屈服位移, 以屈服位移的倍数逐级递增, 每级位移下循环3次, 直到荷载下降到极限荷载的70%左右结束试验。

　　 为研究节点核心区的损伤过程, 在节点核心区粘贴电阻应变花 (应变花编号为1～18) , 在梁端、柱端粘贴电阻应变片, 并在梁端、柱端、核心区对角线上分别布置电子位移计和百分表 (图2) , 以量测各部位的变形, 应变片的有效读数在40 000με以内。图2中腹板肢柱腹板、钢梁的方向以试验时试件位置的实际方向为参照。

　　 在荷载作用下节点腹板肢钢腹板上某一薄弱点将最先达到屈服, 该薄弱点称为第一薄弱点。随着荷载循环次数的增加, 节点钢腹板的屈服范围逐渐增大, 试件塑性区逐渐扩散, 而第一薄弱点达到屈服后, 该塑性区在某一范围内塑性开展的历程也反映了试件的延性特征^[3]。

　　 所有试件节点域钢腹板第一薄弱点的出现位置如表4所示, 表4中试件+J1腹板肢柱腹板、柱翼缘的方向如图2所示。由表4可以看出, 中节点第一薄弱点往往出现在腹板肢柱腹板、柱翼缘和内隔板交汇点附近;随着加载方向的变化第一薄弱点出现在不同侧柱翼缘、内隔板与同一侧柱腹板交汇点附近, 说明中节点由于同时受到两侧梁传来的荷载作用, 其第一薄弱点位置与加载方向有关。试件LJ1, LJ2, TJ2和TJ1 (负向加载时) 第一薄弱点位置均在柱腹板、与钢梁连接的柱翼缘、内隔板交汇点附近, 这是由于角节点、边节点受到单侧梁传来的荷载作用, 其腹板肢柱腹板第一薄弱点位置往往出现在与钢梁连接的柱翼缘、内隔板交汇点附近。TJ1正向加载时, 由于传力的不均匀, 第一薄弱点位置出现在腹板肢柱腹板中心附近。

　　 从加载到柱腹板肢钢腹板达到全截面屈服的过程中, 节点域第一薄弱点主应力-水平位移曲线如图3所示。由图3可知, 试件TJ2负向加载达到全截面屈服时水平位移最大, 可达到-43.01mm, 并且试件TJ2从出现负向第一薄弱点至达到全截面屈服的过程中, 第一薄弱点主应力-水平位移曲线循环次数最多, 说明试件TJ2在负向荷载作用下柱腹板肢钢腹板塑性发展最充分, 试件具有较强的塑性耗能能力。试件+J1, +J5, TJ1, LJ2在正向、负向荷载作用下第一薄弱点主应力-水平位移曲线基本对称, 说明荷载方向发生变化时试件柱腹板肢钢腹板的塑性发展过程基本相同。试件+J4在正向位移达到24.00mm时第一薄弱点主应力达到最大值 2 766N/mm², 此后随着位移的增加主应力不断减小, 柱腹板肢钢腹板达到全截面屈服时该主应力减小至250N/mm²;其余试件柱腹板肢钢腹板达到全截面屈服时第一薄弱点主应力均达到最大值。

　　 构件全截面屈服时在屈服面上会出现材料残余应变最大的位置, 该位置称为构件最薄弱点。构件在荷载作用下从屈服到破坏往往从最薄弱位置开始, 故研究构件最薄弱位置是很重要的, 最薄弱位置残余应变的发展越缓慢, 说明构件损伤破坏过程越长, 构件的薄弱位置能量储备能力越强, 构件延性越好。试件节点域钢腹板最薄弱点的位置如表4所示, 由表4可以看出角节点、边节点的最薄弱点出现在柱腹板、内隔板、与钢梁连接一侧的柱翼缘交汇点附近, 而中节点的最薄弱点出现在柱腹板、内隔板、与钢梁连接的两侧柱翼缘交汇点附近;试件+J3负向加载时, +J4正、负向加载时, TJ1正向加载时的节点域最薄弱点出现在腹板肢柱腹板中心附近。

　　 试件+J1, TJ1, LJ1在往复荷载作用下的节点域最薄弱点残余变形-水平位移曲线如图4所示, 规定应变受拉为正, 受压为负。由图4可看出, 试件+J1, TJ1最薄弱点的受拉残余应变随着试件水平位移的增大而增大, 原因是最薄弱点出现后试件破坏集中在该薄弱点位置, 最薄弱点处残余应变随着试件水平位移的增大而迅速增大;荷载方向发生变化时, 试件+J1正向最薄弱点、试件TJ1负向最薄弱点的受压残余应变没有变化, 这是由于最薄弱点出现后试件破坏沿着该薄弱点不断延伸、发展, 而最薄弱点处残余应变的发展缓慢;在试件水平位移达到-29.9, -40mm时, 试件TJ1负向最薄弱点处受拉残余应变突然增大至23 499με、35 874με, 试件在该最薄弱点处发生脆性破坏。试件LJ1最薄弱点出现后, 最薄弱点处试件水平位移-应变滞回环数量最少, 说明该试件的破坏在远离薄弱点的区域产生, 试件的残余应变发展过程较长, 具有较强的能量储备能力。

　　 延性是指结构或构件在极限承载能力时或极限承载能力降低不大的情况下发生非弹性变形的能力, 是衡量结构或构件地震损伤性能的一个至关重要的指标。内隔板式异形钢管混凝土节点由钢材和混凝土两种材料组合而成, 该种节点在荷载作用下随着钢材的屈曲、焊缝开裂、混凝土裂缝的出现和发展, 节点区的材料发生弹塑性变形、出现残余变形和残余应变的积累^[4]。如果节点塑性区的某一范围内, 塑性开展的历程越长, 节点在屈服阶段的材料残余应变越大或者残余应变的发展比较缓慢, 表明节点具有较好的延性和能量耗散能力, 故节点塑性区的发展、节点材料残余应变发展速率都应当成为节点的延性评价指标^[5]。

　　 内隔板式异形钢管混凝土节点的位移延性系数μ=Δ_u/Δ_y, 其中Δ_y为屈服位移, 可根据试件骨架曲线采用“通用屈服弯矩法”确定^[6];Δ_u为破坏荷载 (荷载下降至峰值荷载的85%时对应的荷载) 对应的位移。位移延性系数是节点抵抗地震作用能力的有效度量, 位移延性系数越大, 节点进入塑性后承受大变形的潜力就越大。

　　 试件的位移延性系数如表5所示, 由表5可以看出, 本次试验9个试件的位移延性系数μ=1.44～2.74, 平均值为1.99, 优于普通钢筋混凝土异形节点的延性^[7], 表现出良好的抗震性能。对于柱截面形状相同的试件, 随着柱截面肢高肢厚比的增大, 试件位移延性系数平均值逐渐减小, 试件进入塑性后承受大变形的能力逐渐减弱, 这是由于试件柱截面肢高肢厚比较小时, 试件翼缘肢伸出腹板肢的长度较小, 试件腹板肢、翼缘肢可视为整体共同抵抗荷载作用, 其变形性能较好。当试件柱截面肢高肢厚比为2时, 中节点位移延性系数平均值最大, 边节点次之, 角节点最小, 这是由于中节点、边节点只在水平剪力的作用下发生损伤破坏, 并且中节点受两侧钢梁的约束作用, 其抵抗地震损伤破坏的能力较强, 节点进入塑性后可承受较大的变形;而角节点承受水平剪力和扭矩的共同作用, 其抵抗地震损伤破坏的能力较弱, 节点进入塑性后承受大变形的潜力较差。

　　 由于试验中选取的轴压比较小, 试件位移延性系数随轴压比的变化规律不明显。试验过程中试件LJ2负向加载至-145kN时, 柱腹板与柱翼缘的竖向连接焊缝开裂, 之后裂缝不断加宽, 并沿柱翼缘向上、下延伸, 导致试件承载力迅速下降, 未能测得该试件负向加载时的屈服荷载及位移、极限荷载及位移。

　　 定义节点腹板肢钢腹板整截面屈服时对应的试件水平位移δ_u与第一薄弱点达到屈服时对应的试件水平位移δ_y之比为塑性发展系数μ_δ, 塑性发展系数越大, 说明试件具有的塑性抵抗能力越强, 其抵抗地震损伤的能力也越强^[8]。

　　 试件的塑性发展系数如表6所示, 由表6可以看出, 试件的塑性发展系数平均值最大达到4.83, 最小值达到1.89, 表明试件具有良好的塑性抵抗能力。由图3、表6综合分析得出, 当柱截面肢高肢厚比为2时, 中节点、边节点和角节点第一薄弱点屈服时试件水平位移相差不大, 但腹板肢柱腹板整截面屈服时角节点水平位移最大, 中节点次之, 边节点最小, 这是由于角节点仅受单侧梁传来的荷载作用, 其腹板肢柱腹板塑性发展的速度较慢;而中节点同时受到两侧梁传来的荷载作用, 其第一薄弱点屈服后, 腹板肢柱腹板较快达到全截面屈服;边节点由于第一薄弱点位置出现在腹板肢柱腹板中心附近, 由于节点核心区柱腹板、内隔板和柱翼缘组成刚性框架, 在水平往复荷载作用下节点域钢腹板对角线方向形成拉、压杆, 腹板肢钢腹板中心位于拉、压杆相交位置, 随着荷载的增大其很快达到全截面屈服。

　　 当柱截面肢高肢厚比为3时, 塑性发展系数平均值边节点最大, 中节点次之, 角节点最小, 这是由于试件LJ2腹板肢柱腹板、下侧内隔板、与钢梁连接的柱翼缘交汇点附近竖向连接焊缝开裂, 之后腹板肢柱腹板迅速达到破坏, 大大缩短腹板肢柱腹板塑性发展过程。中节点由于同时受到两侧梁传来的荷载作用, 其腹板肢柱腹板塑性发展速度快于边节点试件。

　　 柱截面肢高肢厚比为3时的中节点、边节点塑性发展系数平均值大于柱截面肢高肢厚比为2时的对应值, 这是由于腹板肢柱腹板面积增大后, 柱腹板塑性发展的速度延缓。柱截面肢高肢厚比为4时的中节点塑性发展系数平均值小于柱截面肢高肢厚比为3时的对应值, 由于柱截面肢高肢厚比为4时中节点腹板肢柱腹板将发生双核心破坏, 柱腹板塑性发展速度加快。

　　 随着轴压比的增大, 中节点塑性发展系数逐渐增大, 原因是轴向压力可有效抑制腹板肢柱腹板薄弱部位裂缝的产生, 延缓试件塑性发展过程。

　　 定义构件破坏时最薄弱点的残余应变ε_y与整截面屈服时最薄弱点的残余应变ε_y比值为延性发展系数μ_ε, 延性发展系数越小, 表明构件最薄弱位置具有较强的能量储备能力^[8]。

　　 试件的延性发展系数如表7所示, 由表7可以看出当柱截面肢高肢厚比为2时, 角节点延性发展系数最小, 中节点最大, 这是由于角节点、边节点的最薄弱点出现在柱腹板、内隔板、与钢梁连接一侧的柱翼缘交汇点附近或腹板肢柱腹板中心附近, 而中节点的最薄弱点出现在柱腹板、内隔板、与钢梁连接的两侧柱翼缘交汇点附近或腹板肢柱腹板中心附近, 故边节点试件节点域仅在与钢梁连接一侧出现塑性铰, 而中节点试件节点域在两侧钢梁方向均会出现塑性铰, 中节点试件节点域的塑性铰数量比角节点、边节点多, 中节点试件节点域刚性框架较快形成机动体系而破坏, 损伤破坏过程较短, 延性较差。当柱截面肢高肢厚比为3时, 在负向荷载作用下试件LJ2迅速破坏, 该试件的负向延性发展系数无法测出, 试件LJ2最薄弱点位置能量储备能力较差。

　　 柱截面肢高肢厚比为3时的中、边节点延性发展系数平均值小于柱截面肢高肢厚比为2时的对应值, 这是由于截面高度较大的腹板肢钢腹板将发生应力重分布, 延缓试件损伤破坏过程;而当柱截面肢高肢厚比增加到4时, 中节点钢腹板的双核心破坏将加速节点破坏过程。试件+J3, +J4, TJ1的节点域最薄弱点出现在节点域刚性框架拉、压杆交汇中心附近, 随着往复荷载的逐渐增大, 节点域塑性铰逐步沿着刚性框架对角线向内隔板、柱翼缘的交点扩展, 故节点损伤破坏速度较慢;试件最薄弱点出现在柱腹板、柱翼缘、内隔板交汇点附近, 荷载方向发生变化时, 已出现的节点域塑性铰裂缝闭合, 将延缓节点域破坏的过程, 提高节点域最薄弱点能量储备能力^[9]。

　　 通过内隔板式异形钢管混凝土节点试件低周反复荷载作用下损伤过程的试验研究以及该类节点试件位移延性系数、塑性发展系数和延性发展系数的理论研究, 得出以下结论:

　　 (1) 试件TJ1正向加载时第一薄弱点位置出现在腹板肢柱腹板中心附近;其余试件第一薄弱点均出现在腹板肢柱腹板、与钢梁连接的柱翼缘和内隔板交汇点附近;试件腹板肢钢腹板全截面屈服时, 试件+J3, +J4, TJ1的最薄弱点出现在节点域中心附近, 其余试件最薄弱点出现在柱腹板、内隔板、与钢梁连接的柱翼缘交汇点附近。

　　 (2) 9个试件的位移延性系数μ=1.44～2.74, 平均值为1.99, 优于普通钢筋混凝土异形节点的延性;对于柱截面形状相同的试件, 随着柱截面肢高肢厚比的增大, 试件位移延性系数平均值逐渐减小;柱截面肢高肢厚比为2时, 中节点试件位移延性系数平均值最大, 边节点试件次之, 角节点试件最小。

　　 (3) 中节点试件同时受到两侧梁传来的荷载作用, 其塑性发展系数小于角、边节点试件 (除了试件LJ2) ;第一薄弱点出现在腹板肢柱腹板中心附近的试件塑性发展系数较小;柱截面肢高肢厚比为3时的中、边节点试件塑性发展系数平均值大于柱截面肢高肢厚比为2时的对应值;随着轴压比的增大, 中节点试件塑性发展系数逐渐增大。

　　 (4) 柱截面肢高肢厚比为3时的中、边节点试件延性发展系数平均值小于柱截面肢高肢厚比为2时的对应值;柱截面肢高肢厚比相同时角、边节点试件延性发展系数平均值小于中节点试件;最薄弱点出现在节点域中心附近的试件延性发展系数较小, 能量储备能力较强。