軸壓比對型鋼高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能影響的試驗(yàn)研究

李立仁，胡能萍，涂學(xué)成(．重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045;．四川省第十五建筑有限公司，四川南充637000)

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件是由型鋼、主筋、箍筋和混凝土組合而成，即核心部分有型鋼鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其外部則為箍筋約束并配置適當(dāng)縱向受力主筋的混凝土結(jié)構(gòu)，英譯名為“Steel Reinforced High－strength Concrete”，簡稱 SRHC 結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)承載力高、剛性大并具有良好的延性和耗能性能，因而特別適用于地震區(qū)。

軸壓比的大小不但影響受壓構(gòu)件的破壞形態(tài)，同時對節(jié)點(diǎn)的承載力和延性也都有影響，本試驗(yàn)的主要目的是通過2個節(jié)點(diǎn)區(qū)體積配箍率一致的構(gòu)件，分別取不同的軸壓比，分別定為0.30和0.27，相當(dāng)于設(shè)計(jì)軸壓比0.73和0.66。分析軸壓比對SRHC柱－RC梁中間層邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下抗震性能以及受力、變形性能的影響。

1 節(jié)點(diǎn)制作及材料的力學(xué)性能

1.1 試件制作

試件設(shè)計(jì)參考《型鋼混凝土組合技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138－2001)進(jìn)行了配筋設(shè)計(jì)，并參照了《鋼骨混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程》(YB 9082－97)。綜合考慮試驗(yàn)精度及試驗(yàn)設(shè)備能力，為了更好地模擬型鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能，各節(jié)點(diǎn)試件均采用1/3縮尺模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，具體尺寸及配筋如圖1所示。

1.2 節(jié)點(diǎn)材料的力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)用鋼骨和鋼筋均是普通熱軋鋼，通過測定確定其力學(xué)性能。節(jié)點(diǎn)所用的高強(qiáng)混凝土SJ－1實(shí)測等級為C89.6，SJ－2實(shí)測等級為C94.8。SRHC柱內(nèi)型鋼采用熱軋普通H型鋼 HW100×100×6×8，含鋼率為5.0%。

2 試驗(yàn)的加載及量測

2.1 試驗(yàn)加載裝置

本次試驗(yàn)在重慶大學(xué)大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置主要由加力架、反力墻、傳感器、千斤頂、位移計(jì)等組成。實(shí)驗(yàn)采用梁端一個拉壓千斤頂反復(fù)加載，柱上下端采用鉸支座(模擬反彎點(diǎn))。試驗(yàn)均在反復(fù)荷載作用下逐級進(jìn)行加載，構(gòu)件屈服前用荷載控制分級加載，屈服后用位移控制分級加載。每級荷載(位移)下反復(fù)2次。當(dāng)實(shí)測的位移－荷載滯回曲線的荷載值降至該方向曾達(dá)到的最大荷載的85%時即認(rèn)為構(gòu)件破壞。但在荷載降至這種狀態(tài)時，試驗(yàn)并未終止，而是繼續(xù)進(jìn)行，直至梁端不能繼續(xù)承擔(dān)所施加的荷載或柱軸力因節(jié)點(diǎn)破壞而不能穩(wěn)于設(shè)定值時，宣告試驗(yàn)終止。

圖1 SRHC柱－RC梁節(jié)點(diǎn)試件

2.2 實(shí)驗(yàn)測試及數(shù)據(jù)采集

2.2.1 應(yīng)變片位置

為了研究在循環(huán)荷載作用下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力性能。在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)位置的鋼骨腹板上布置應(yīng)變化。在鋼骨翼緣上布置應(yīng)變片，對于鋼筋應(yīng)變片的位置，根據(jù)需要布置在不同的部位，見圖2。

圖2 試件測點(diǎn)布置

2.2.2 儀表位置

為了繪制滯回曲線，在梁端循環(huán)荷載施加位置處的下方，安放大位移計(jì)。為了測量節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角，在靠近核心區(qū)的梁端安置百分表，表針頂向柱。為了測量節(jié)點(diǎn)的剪切變形，在核心區(qū)處安放十字交叉的百分表兩個。為了了解在實(shí)驗(yàn)過程中柱上端的水平位移變化，在柱上端安放百分表一個。

3 受力過程分析及結(jié)果對比

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)

基于上述的試驗(yàn)過程和破壞形態(tài)分析，對于發(fā)生節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞的型鋼高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)的受力過程大致可以分為四個階段:彈性階段、型鋼腹板屈服階段、極限階段和破壞階段。

3.1.1 彈性階段

彈性階段是指節(jié)點(diǎn)試件從加荷開始直到核心區(qū)混凝土出現(xiàn)第一條沿對角線方向肉眼可見的裂縫階段。當(dāng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)由剪應(yīng)力和正應(yīng)力產(chǎn)生的主拉應(yīng)變達(dá)到混凝土的極限拉應(yīng)變值時，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)中心開始出現(xiàn)沿對角線方向肉眼可見的斜裂縫時(寬0.05mm左右)，稱為初裂，相應(yīng)的荷載為初裂荷載。本次試驗(yàn)表明，初裂荷載大約是梁端屈服荷載的30% ～50%。約在55～75 kN左右。初裂階段，節(jié)點(diǎn)箍筋的應(yīng)變比較小，故可認(rèn)為該階段的節(jié)點(diǎn)剪力主要是由混凝土和型鋼承擔(dān)。

3.1.2 型鋼腹板屈服階段

型鋼腹板屈服階段又稱為帶裂縫工作階段，是指從節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)第一條斜裂縫開始，到核心區(qū)型鋼腹板屈服的階段。當(dāng)荷載大約加至極限荷載的80%左右時，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)了許多沿對角線方向貫通的交叉主斜裂縫，核心區(qū)呈“通裂”狀態(tài)。此時，型鋼腹板達(dá)到屈服應(yīng)變，對應(yīng)的荷載即為屈服荷載。

3.1.3 極限階段

核心區(qū)混凝土“通裂”后，由于骨料咬合力和摩擦力的存在以及箍筋和翼緣框的約束，核心區(qū)混凝土仍能承受一部分剪力，此時型鋼由屈服逐漸進(jìn)入強(qiáng)化階段，承載力仍可繼續(xù)增加5% ～20%，達(dá)到極限值(最大值)，這時型鋼腹板已屈服，處于塑性狀態(tài)，箍筋也逐漸進(jìn)入屈服。節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限狀態(tài)，對應(yīng)的荷載即為極限荷載。

3.1.4 破壞階段

隨著位移加大，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土開始壓碎而大塊剝落，核心區(qū)剪切變形急劇增大。此時，節(jié)點(diǎn)仍能繼續(xù)承載，承載力在達(dá)到極限值后開始下降，當(dāng)下降一定幅度(比極限荷載低15%左右)時，可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞，對應(yīng)的荷載為破壞荷載。

本次試驗(yàn)中的兩個試件均發(fā)生節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞。型鋼高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)具有較好的延性特征、耗能能力和可避免節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對比

3.2.1 裂縫發(fā)育

通過本次兩個試驗(yàn)對比表明:試件軸壓比高的構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)開裂荷載也相對高，分別是75 kN和55 kN，軸壓力的增大推遲了節(jié)點(diǎn)區(qū)交叉斜裂縫的出現(xiàn)并適度減慢斜裂縫的發(fā)育速度，且增大了交叉斜裂縫與水平軸線的交角;而且，軸壓比偏大的試件SJ1，其節(jié)點(diǎn)斜裂縫往上下柱端發(fā)展的趨勢更明顯一些。

3.2.2 滯回曲線

通過對以上滯回曲線的分析，可以得到以下不同參數(shù)情況下滯回曲線的特征:SJ－2與SJ－1的滯回曲線相比，極限位移SJ－2大。這說明軸壓比的改變對型鋼高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)的抗震性能是有影響的。

3.2.3 骨架曲線

分析圖3所示的骨架曲線可知:

(1)SJ2構(gòu)件的滯回曲線相對于SJ1來說下降段較長、較平緩，說明其變形能力較強(qiáng)，延性好;

(2)當(dāng)軸壓小的構(gòu)件，軸壓比對屈服位移的影響不是很大，軸壓比高的構(gòu)件骨架曲線對應(yīng)的最大荷載增大;當(dāng)軸壓比較大時，屈服位移下降，骨架曲線對應(yīng)的最大荷載減小，軸壓比對強(qiáng)化階段剛度的影響是:隨著軸壓比的增大，強(qiáng)化階段的剛度不斷下降，結(jié)構(gòu)的延性隨軸壓比的增大有顯著降低的趨勢。

圖3 骨架曲線

3.2.4 耗能性能

由于構(gòu)件在加載時表現(xiàn)出非彈性性質(zhì)，試件的總滯回耗能隨著位移的增加而增大，在最后一級位移下的總滯回耗能隨著軸壓比的減小而略有增加。

表1 各試件平均最大等效阻尼比

由表1可以看出:本次試驗(yàn)兩個試件都發(fā)生節(jié)點(diǎn)區(qū)的剪切破壞，所以阻尼比較大，但是從表中可以看出，在配箍率相同、混凝土強(qiáng)度差別很小的情況下，軸壓比較小的SJ－2阻尼比較大，滯回耗能性能更好，說明軸壓比對節(jié)點(diǎn)的滯回耗能性能的影響比較大，這一點(diǎn)與普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)所得結(jié)果是一致的。

3.2.5 延性

本次試驗(yàn)兩個試件的延性系數(shù)計(jì)算如表2。

表2 軸壓比與位移延性的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果來看，軸壓比較小的SJ－2延性系數(shù)要稍大一些，說明軸壓比是影響節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)的主要因素。所以，SRC節(jié)點(diǎn)由于所含型鋼的作用，變形能力增加，不至于造成脆性破壞，即使遭受超過其強(qiáng)度的地震荷載作用，也可以靠塑性變形能力耗散地震能量。

3.2.6 強(qiáng)度衰減

圖4 各試件的強(qiáng)度衰減

從圖4中可以看出:軸壓比對構(gòu)件的強(qiáng)度衰減有一定影響。軸壓比為0.27時，隨著位移的增加，構(gòu)件承載力的衰減表現(xiàn)出逐步而穩(wěn)定的增加，當(dāng)軸壓比增加到0.30時，構(gòu)件后期的承載力衰減有所加大但增加幅度不大。這說明強(qiáng)度衰減是隨軸壓比的增大而減小的。

4 結(jié)論

本文通過對兩個軸壓比不同的型鋼高強(qiáng)混凝土中間層邊節(jié)點(diǎn)試件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果，擬得出如下結(jié)論:軸壓比對型鋼高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)的滯回曲線有非常明顯的影響:軸壓比小的試件，滯回環(huán)呈豐滿的梭形，滯曲曲線比較穩(wěn)定，構(gòu)件在強(qiáng)度不顯著降低的情況下，所能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)多，極限變形大。隨著軸壓比的提高，耗能性能變差，剛度退化加劇、延性降低，等效阻尼比減小。然而軸壓比的存在對節(jié)點(diǎn)初期(屈服以前)的抗裂和抗剪承載能力有一定的的提高作用，軸壓比大的試件節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫出現(xiàn)的相對較晚，但對節(jié)點(diǎn)中型鋼腹板的承載能力卻有一定的削弱作用。

［1］ 賈金青．鋼骨高強(qiáng)混凝土短柱及高強(qiáng)混凝土短柱力學(xué)性能的研究［D］．大連理工大學(xué)，2000

［2］ JGJ 138－2001型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］

［3］ YB 9082－97鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］

［4］ CECS 104:99高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］

［5］ 薛建陽，趙鴻鐵，楊勇．型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)抗震性能及構(gòu)造方法［J］．世界地震工程，2002(2)

［6］ 李向民．勁性骨架高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)性能研究［D］．同濟(jì)大學(xué)，2001

［7］ GB 50010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［8］ 王連廣．國外型鋼混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范基礎(chǔ)介紹［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2001(2)

［9］ 楊勇，趙鴻鐵，薛建陽．型鋼混凝土粘結(jié)機(jī)理與粘結(jié)強(qiáng)度的研究［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33(2)