王 力，閆世杰，鄭 圓，張成龍

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱；2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，300142天津）

鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點抗震性能試驗

王 力1，閆世杰2，鄭 圓1，張成龍1

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱；2.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，300142天津）

為了研究鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點的抗震性能，本文進行了3個1／2縮尺的鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點的擬靜力試驗，主要研究了節(jié)點類型（2個中柱節(jié)點、1個邊柱節(jié)點）、混凝土板寬度等對組合節(jié)點抗震性能的影響，對節(jié)點的破壞模式、滯回曲線、耗能能力、延性、強度和剛度退化等性能進行了研究，并利用有限元軟件ABAQUS對組合節(jié)點在單調(diào)荷載作用下彈塑性性能進行分析，對比可知理論分析與試驗結(jié)果吻合較好.研究表明：組合節(jié)點的變形能力以及耗能能力較強，強度與剛度退化不明顯，節(jié)點位置和混凝土板有效寬度對節(jié)點抗震性能影響較大.

鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點；擬靜力試驗；抗震性能

在1994年美國洛杉磯北嶺地震和1995年日本阪神地震的破壞中，大部分鋼框架梁柱連接節(jié)點都發(fā)生了意想不到的脆性破壞［1］，因此為了提高節(jié)點的延性以及抗震性能，人們將目光投向了組合結(jié)構(gòu)，而鋼-混凝土組合梁鋼框架結(jié)構(gòu)作為組合結(jié)構(gòu)的一種典型代表，是目前組合結(jié)構(gòu)研究的趨勢.該梁柱組合節(jié)點主要由鋼框架梁柱連接節(jié)點以及覆蓋在其上面的鋼筋混凝土板通過鋼梁與混凝土板之間的抗剪連接件組成.

文獻［2-5］對組合節(jié)點進行了單向荷載試驗研究；文獻［6-7］分別對組合節(jié)點進行了循環(huán)荷載試驗，研究組合節(jié)點的抗震性能；文獻［8-9］分別利用ANSYS和ABAQUS軟件，數(shù)值模擬研究了組合節(jié)點和框架在靜力荷載以及往復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能.

鑒于目前國內(nèi)外對鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點的研究主要在靜力研究上，本文進行了3個鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點的抗震性能試驗研究，主要研究節(jié)點類型、混凝土板有效寬度對節(jié)點抗震性能的影響.分析了節(jié)點的破壞模式、影響因素，得到了加載點豎向荷載與豎向位移的滯回曲線和骨架曲線，對節(jié)點的耗能能力、延性、強度退化和剛度退化進行了研究.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗共制作了3個節(jié)點試件，編號分別為HCJ-1～HCJ-3.試件尺寸為1／2縮尺.鋼梁截面規(guī)格為H200×100×5.5×8，鋼柱截面規(guī)格為H200×200×8×12；鋼梁長度為1 350 mm，鋼柱長度為1 900 mm；混凝土板厚度為80 mm，縱向鋼筋配為8B12，橫向分布筋配為A 8＠100，試件幾何尺寸及構(gòu)造詳圖見圖1.

節(jié)點連接形式均采用我國JGJ 99—98《高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的栓焊連接.螺栓選用10.9級M16高強螺栓，現(xiàn)場用扭力扳手根據(jù)所需的扭力進行安裝，使螺栓達到規(guī)定的預(yù)拉力值.

圖1 試件幾何尺寸及構(gòu)造詳圖（mm）

試件HCJ-1為組合邊節(jié)點，試件HCJ-2和HCJ-3為組合中節(jié)點，3個試件的鋼框架尺寸完全一致，試件HCJ-2和HCJ-3的區(qū)別在于混凝土板寬度不同，HCJ-2混凝土板寬為800 mm，HCJ-3混凝土板寬為1 000 mm.試件所用鋼材均為Q235B，混凝土板強度等級為C30，試件設(shè)計參數(shù)見表1.

表1 試件設(shè)計參數(shù)

混凝土板中縱筋在與鋼柱相交范圍內(nèi)截斷，與鋼柱翼緣外側(cè)焊接，內(nèi)側(cè)鋼筋截斷未連接，在梁兩端加載裝置對應(yīng)位置均設(shè)置加勁肋.

根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于抗剪連接件的構(gòu)造規(guī)定，栓釘長度不應(yīng)小于其桿徑的4倍，帶頭栓釘直徑d一般為13～25 mm，長度h一般為65～100 mm.采用φ13×65的抗剪栓釘，為了保證縱向受拉鋼筋有較大的計算長度，節(jié)點在負彎矩作用下具有較大的轉(zhuǎn)動能力，第一個栓釘與鋼柱翼緣的距離不得小于100 mm.

1.2 材性試驗

本試驗的鋼柱與鋼梁均采用標準規(guī)格的H型鋼，柱加勁肋為Q235B的16 mm鋼板.試驗前分別對梁翼緣（BF）、梁腹板（BW）、柱翼緣（CF）、柱腹板（CW）、柱加勁肋（CL）5個位置的鋼材取樣進行材性試驗，測試結(jié)果見表2.

表2 材料性能試驗結(jié)果

1.3 加載裝置及加載制度

1.3.1 試驗加載裝置

試驗在哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震實驗中心進行，加載裝置見圖2、3.柱上、下兩端為固定鉸接，分別用剛性連接件與反力架固定.加載方式為在試件梁端用拉壓力千斤頂施加豎向低周往復(fù)荷載.為便于描述，規(guī)定千斤頂出缸為負、回缸為正.

圖2 試驗裝置示意（mm）

圖3 試驗加載裝置

1.3.2 試驗加載制度

采用荷載與位移混合控制的加載方法.試件屈服前，采用荷載控制加載方法；出現(xiàn)塑性屈服后，為了研究節(jié)點的強度退化和剛度退化，采用位移增量控制加載方法.屈服前的加載歷程按照有限元計算的屈服荷載Py分為四級，±0.25Py、±0.5Py、±0.75Py、±Py，每級荷載循環(huán)一次；屈服之后記載歷程為±Δy、±1.5Δy、±2Δy…，每級荷載循環(huán)兩次，直至試件承載能力下降為最大承載能力的85%．

1.4 測點布置及測量內(nèi)容

在鋼梁下翼緣、腹板、上翼緣處布置單向應(yīng)變片，在鋼節(jié)點核心域內(nèi)布置三向應(yīng)變花，測量并監(jiān)測鋼節(jié)點的應(yīng)力狀態(tài)的發(fā)展過程.在混凝土板上表面布置平行于板寬方向的應(yīng)變片，測量混凝土板的應(yīng)力狀態(tài).

在混凝土板中沿著縱向鋼筋布置應(yīng)變片，測量縱向受力鋼筋沿板寬方向的應(yīng)力變化情況.在梁兩端加載位置布置2個量程為±150 mm的位移計，以測量與監(jiān)測梁加載端位移.應(yīng)變數(shù)據(jù)使用DH3816應(yīng)變采集箱采集，荷載和位移值使用北京波譜儀采集.

2 試驗現(xiàn)象與破壞過程

在加載初期，滯回曲線基本呈線性，試件處于彈性階段.隨著荷載的增大，受拉一側(cè)混凝土開始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的進一步增大，滯回曲線出現(xiàn)拐點，試件開始屈服.進入塑性階段后，當(dāng)位移加載到32 mm時，試件HCJ-1裂縫數(shù)量急劇增加，裂縫寬度進一步擴展，混凝土核心區(qū)有壓潰現(xiàn)象.當(dāng)位移加載達到68 mm時，試件HCJ-3左側(cè)鋼梁下翼緣出現(xiàn)明顯屈曲，左側(cè)加載端混凝土板與鋼柱翼緣交界處被完全拉開，鋼梁節(jié)點核心區(qū)域出現(xiàn)明顯的剪切變形.最終混凝土板面裂縫為貫通裂縫，沿著板寬方向平行發(fā)展.3個節(jié)點試件鋼梁下翼緣塑性區(qū)均從焊接孔末端開始發(fā)展，這使得塑性區(qū)域距離柱翼緣較遠，能夠有效地削弱應(yīng)力集中的程度，使得應(yīng)力分布在鋼梁下翼緣在一定范圍內(nèi)趨于均勻，這樣能夠有效地將塑性發(fā)展區(qū)從柱表面移到鋼梁上，減輕了對鋼梁連接處焊縫的作用，有效地提高了節(jié)點防止脆斷的能力，最后的破壞形式體現(xiàn)為鋼梁的屈曲變形過大并且還伴隨著節(jié)點核心域的剪切變形過大、節(jié)點域混凝土壓潰、混凝土板與柱翼緣處出現(xiàn)較寬裂縫等.試件各破壞形態(tài)見圖4.

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 滯回曲線

3個試件的P-Δ滯回曲線見圖5，可看出:

1）試件在開裂之前，滯回曲線基本上呈直線，卸載后殘余變形很小，滯回環(huán)包圍的面積很小.當(dāng)試件開裂后，滯回曲線出現(xiàn)彎曲，滯回環(huán)的面積開始增大，整體表現(xiàn)為飽滿的梭形，并未發(fā)生明顯的捏縮現(xiàn)象，說明組合節(jié)點試件都具有較好的耗能能力.

2）試件HCJ-1與HCJ-2的滯回曲線比較表明，邊節(jié)點與中節(jié)點相比同樣具有很好的滯回性能，在地震荷載作用下同樣能夠具有很好的耗能能力，在實際工程中要合理考慮邊節(jié)點的承載能力.

3）試件HCJ-3滯回環(huán)最為飽滿，耗能能力最強.說明:在混凝土板有效寬度范圍內(nèi)，增加板的寬度，可以有效提高節(jié)點的抗震能力.因此，在設(shè)計中，應(yīng)合理的選擇混凝土板的有效寬度.

4）達到峰值承載能力之后，由于鋼梁下翼緣屈曲變形過大，使試件的承載能力逐漸下降，強度逐漸退化，但試件剛度退化不明顯.因此，在實際工程中，應(yīng)加強中節(jié)點鋼梁下翼緣的防屈曲設(shè)置.

圖4 試件的破壞形態(tài)

圖5 各試件的P-Δ滯回曲線

3.2 骨架曲線

由各試件的滯回曲線可以得出試件的骨架曲線見圖6，各階段的荷載和位移值（均取為正值）見表3，利用“能量法”確定試件的屈服荷載Py與屈服位移Δy．極限狀態(tài)為試驗中峰值荷載Pu所對應(yīng)的狀態(tài)，極限位移為試件破壞時所對應(yīng)的位移Δu．

對比3個試件骨架曲線可以得出:

1）3個試件的骨架曲線均呈現(xiàn)斜S形，說明試件在循環(huán)荷載作用下經(jīng)歷了彈性、塑性與極限破壞3個階段.

2）邊節(jié)點HCJ-1較中節(jié)點HCJ-2初始剛度要高，承載力也有所提高.HCJ-2試件在達到峰值承載力之后，具有較好的延性.

圖6 試件P-Δ骨架曲線

3）對比HCJ-2與HCJ-3的骨架曲線，在有效寬度范圍內(nèi)，節(jié)點混凝土板寬度的增加對峰值承載力、初始剛度以及延性均有較明顯提升.

4）試件在正彎矩作用下的初始線剛度要略高于負彎矩作用下的初始線剛度.

表3 各階段荷載及位移

3.3 延性及耗能能力

結(jié)構(gòu)的延性用位移延性系數(shù)μ來表示，耗能能力通過等效粘滯阻尼系數(shù)he（取最后一個滯回環(huán)計算）和功比指數(shù)Iw來表示．各試件的位移延性系數(shù)和耗能指標見表4，可看出:

1）對于HCJ-1與HCJ-3試件，正、負彎矩作用下的位移延性系數(shù)均集中在3～5，而HCJ-2在加載過程中由于鋼梁底部出現(xiàn)滑移并未使得最終加載的荷載值下降到最大承載力的85%，導(dǎo)致所測得的正、負彎矩作用下的位移延性系數(shù)偏小，若不出現(xiàn)鋼梁的滑移，節(jié)點在正、負彎矩作用下應(yīng)具有更大的位移延性系數(shù).因此，鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點具有良好的延性.

2）試驗所測得3個試件的等效粘滯阻尼系數(shù)集中在0.27～0.36，而純鋼框架節(jié)點的等效粘滯阻尼系數(shù)在0.2左右，因此本試驗的組合節(jié)點的耗能能力為純鋼框架節(jié)點的1.5倍左右.

3）從功比指數(shù)上可以看出邊節(jié)點HCJ-1要明顯優(yōu)于中節(jié)點HCJ-2（大致提高了43.8%），中節(jié)點的耗能能力要優(yōu)于組合邊節(jié)點的耗能能力.然而混凝土板寬度的增加對于功比指數(shù)的影響不大.

表4 各試件延性系數(shù)及耗能指標

3.4 強度退化與剛度退化

結(jié)構(gòu)性能的退化包括強度退化與剛度退化．強度退化λij和剛度退化Kj的計算公式分別為:采用歸一化環(huán)線剛度Kj來對比3個試件的剛度退化，kj=Kj／Kmax．各試件的強度退化見圖7，剛度退化見圖8．

圖7 各試件強度退化

圖8 各試件歸一化線剛度退化曲線

從圖7、8可得出:

1）3個試件的強度退化均不明顯，一般均集中在0.85～1.0，這主要是因為在組合節(jié)點中，混凝土板所占的成分不大，導(dǎo)致混凝土開裂之后承載力的下降有限.

2）在負彎矩區(qū)試件HCJ-2的剛度退化程度要高于試件HCJ-3，在正彎矩區(qū)初始時候環(huán)線剛度HCJ-3略低，在進入塑性階段之后與試件HCJ-2有重合的趨勢.

4 有限元分析

4.1 有限元模型

針對試驗中的3個試件，采用ABAQUS 6.8.1進行有限元模擬分析［10］.混凝土板采用實體單元C3D8來模擬，鋼梁與鋼柱采用殼單元S4R模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2來模擬.圖9為試件HCJ-2的有限元模型.

混凝土材料采用損傷塑性本構(gòu)模型，在混凝土中定義Rebar和使用Embedded element（嵌入單元）來模擬鋼筋和混凝土之間的相互作用，混凝土板與鋼柱之間的相互摩擦通過建立“硬”接觸，采用罰摩擦公式來模擬.

采用ABAQUS中的混凝土損傷模型［11］，通過引入損傷因子的概念來描述混凝土開裂之后剛度退化及強度退化的現(xiàn)象，有限元模擬與試驗所得的荷載-位移曲線吻合較好.圖10為HCJ-3有限元分析與試驗骨架曲線對比.

圖10 HCJ-3有限元分析與試驗骨架曲線對比

4.2 循環(huán)加載彈塑性分析

在單向加載的基礎(chǔ)上，施加與試驗相同的循環(huán)荷載，研究鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點的抗震性能.圖11為有限元模擬HCJ-3中純鋼框架節(jié)點、鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點與HCJ-3節(jié)點試驗所得荷載-位移滯回曲線對比圖.

圖11 HCJ-3滯回曲線對比圖

從圖11可得出:

1）鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點在循環(huán)荷載作用下有限元結(jié)果與試驗值吻合很好，能較好模擬鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點的抗震性能，可以作為試驗數(shù)據(jù)的補充.

2）將純鋼框架節(jié)點與組合節(jié)點的滯回曲線進行對比，得出考慮混凝土板組合作用的鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點與純鋼框架節(jié)點相比，承載力有很大程度提高.

5 結(jié) 論

1）栓焊連接的鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點抗震性能比純鋼框架節(jié)點抗震性能有很大程度提高.并且，在混凝土板有效寬度范圍內(nèi)，增加板的寬度，可以有效提高節(jié)點的抗震性能.因此，在設(shè)計中，應(yīng)合理選擇混凝土板的有效寬度.

2）在實際工程設(shè)計中，應(yīng)加強鋼-混凝土組合梁鋼框架中節(jié)點鋼梁下翼緣的防屈曲設(shè)置，加強邊節(jié)點框架柱翼緣板位置縱向鋼筋的錨固.

3）栓焊連接鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點并沒有明顯的強度退化與剛度退化現(xiàn)象，歸一化剛度主要集中在0.85～1.0；鋼-混凝土組合梁鋼框架節(jié)點具有良好延性，為純鋼框架節(jié)點的2～3.5倍，具有良好抗震耗能能力.

［1］徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:工業(yè)建筑出版社，2005.

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（編輯 趙麗瑩）

Tests on seismic behavior of joints in steel frame with steel-concrete composite beams

WANG Li1，YAN Shijie2，ZHENG Yuan1，ZHANG Chenglong1

（1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China；2.Third Survey and Design Group of the Ministry of Railways，300142 Tianjin，China）

To study the seismic behavior of joints in steel frame with steel-concrete composite beams，3 quasistatic tests of 1／2 reduced scale joints in steel frame with steel-concrete composite beams were carried out，which mainly focused on the influence of joint location（two middle column joints，a side column joint）and effective width of concrete slab on seismic performance of the composite joints.The failure mode of the joint，the hysteresis curve，energy dissipation capacity，ductility，strength degradation and stiffness degradation properties have also been studied.ABAQUS software has been used to analyze the elastic-plastic performance of the joints under monotonic loading.The finite element analysis results are in good agreement with the experimental results.It is shown that deformation capacity and energy dissipation ability of joints are high；strength degradation and stiffness degradation are not obvious；joints location and the effective width of concrete slab have much influence on the seismic performance of the joints.

joints in steel frame with steel-concrete composite beams；quasi-static test；seismic behavior

TU318

A

0367-6234（2014）04-0001-06

2013-01-15.

國家自然科學(xué)基金資助項目（50978074）；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目（E200925）.

王 力（1964—），女，博士，教授.

王 力，wanglihit＠sina.com.