常智慧，闫长旺，贾金青，包联进，王存贵，刘 波

(1.内蒙古工业大学 a.土木工程学院； b.矿业学院, 内蒙古 呼和浩特 010051；2.大连理工大学 土木工程学院, 辽宁 大连 116024； 3.华东建筑设计研究总院, 上海 200002；4.中国建筑第六工程局有限公司, 天津 300400；5.中国建筑第三工程局第二建设工程有限责任公司, 湖北 武汉 430074)



基于有效耗能的钢骨超高强混凝土框架节点剩余承载力评估

常智慧1a，闫长旺1，贾金青2，包联进3，王存贵4，刘 波5

(1.内蒙古工业大学 a.土木工程学院； b.矿业学院, 内蒙古 呼和浩特 010051；2.大连理工大学 土木工程学院, 辽宁 大连 116024； 3.华东建筑设计研究总院, 上海 200002；4.中国建筑第六工程局有限公司, 天津 300400；5.中国建筑第三工程局第二建设工程有限责任公司, 湖北 武汉 430074)

为了确定地震作用下钢骨超高强混凝土框架节点的剩余承载力，通过12个节点试件的低周反复荷载试验，在分析地震损伤模型的基础上，建立了剩余承载力计算表达式，并讨论了试验参数对剩余承载力的影响。结果表明：计算结果与试验结果较为接近，试验参数对承载力的下降速率影响不大，剩余承载力随轴压比的增大而增大，配箍率大的试件剩余承载力较高，十字型钢骨试件的剩余承载力大于工字型钢骨试件；所提出的计算公式能较好反映节点的受力机理，可为该类节点的抗震设计和地震后的加固提供理论依据。

钢骨超高强混凝土； 框架节点； 位移幅值； 剩余承载力

钢骨超高强混凝土框架结构以其优越的受力性能、抗震性能和耐久性能在高层、超高层建筑中得到了广泛的应用。梁柱节点作为重要的传力枢纽，在地震作用下承受较大的剪力，是框架结构中容易发生破坏的部位，框架节点的安全可靠是建筑物正常工作的前提。迄今为止，国内外学者对梁柱节点的研究多集中于普通钢筋混凝土梁柱节点抗震性能方面，对其受力机理及承载力计算方法的研究相对较少，尤其对于型钢混凝土结构。因此，建立适用于评价钢骨超高强混凝土框架节点震后剩余承载力模型，对于结构抗震设计、震害评估及结构加固具有重要意义。

钢骨超高强混凝土框架结构利用钢骨的延性来改善超高强混凝土在结构中所表现的脆性，而且能使超高强混凝土的抗压性能得到充分发挥，而地震作用下其受力机理较为复杂。邢国华等[1]进行了钢筋混凝土框架异性节点的试验研究，得出了异性节点的破坏机理。Chou等[2]建立了低周反复荷载作用下钢骨混凝土柱-钢梁节点剪切受力模型，并对该类节点设计时各参数提出了取值建议。郭进等[3]建立了钢筋混凝土构件强度退化的函数表达式，提出了基于累积损伤的弯矩-曲率强度退化滞回模型。曲哲等[4]研究表明构件的承载力退化与加载路径有关，并提出基于有效滞回耗能的构件承载力退化模型。以上提出的模型虽然对一些试验进行了验证，但大多数研究结果主要针对钢筋混凝土结构，而对于钢骨超高强混凝土框架结构的适应性仍需进行进一步研究。

因此，本文以钢骨超高强混凝土框架节点为研究对象，通过低周反复荷载模拟地震作用对框架节点受力机理的影响，提出地震作用后钢骨超高强混凝土框架节点剩余承载力计算方法，并分析试验参数的影响，以期为钢骨超高强混凝土结构的工程抗震设计与震后加固提供参考依据。

1 钢骨超高强混凝土框架节点剩余承载力试验

1.1 试验概况

针对钢骨超高强混凝土框架节点在低周反复荷载下的剩余承载力，在文献[5]中作者通过试验，对配有钢骨的超高强混凝土框架梁柱构件进行了研究，试件构造与尺寸如图1所示，其中各试件梁的配钢形式相同，分别考虑了钢骨形式、配箍率、柱轴压比三方面影响因素，试验参数对比如表1所示(表中Δy为屈服位移)。采用低周反复加载方式模拟地震作用，试件屈服前采用荷载控制，待试件屈服后改用位移控制，每级控制位移幅值下反复三次；当梁端荷载下降至最大荷载的85%时，停止加载。

图1 节点试件构造与尺寸/mm

表1 节点试件研究参数汇总

1.2 试验结果

低周反复荷载作用下，试件均发生了节点核心区剪切破坏、梁端出现弯曲裂缝的破坏模式。在加载过程中，节点核心区混凝土出现交叉式裂缝，且裂缝逐渐向柱端延伸，个别试件受损比较严重，核心区有小块混凝土出现脱落现象；试件梁端受损程度较轻，主要表现为梁上、下部出现多条连通式弯曲裂缝，但裂缝宽度较小。

2 基于有效耗能的剩余承载力计算

低周反复荷载作用下，节点试件的剩余承载力主要体现在节点核心区剩余抗剪承载力以及梁端剩余承载力。内置型钢有效改善了超高强混凝土在结构中所表现的脆性，使超高强混凝土的抗压性能得到充分发挥，直到发生破坏，构件仍具有一定的承载力，完整性较好，钢骨超高强混凝土框架节点表现出有较好的抗震延性。

构件承载力与其强度有着密切关系，钢骨超高强混凝土框架节点受力机理较为复杂，刘伯权等[6]通过等位移幅值加载的低周疲劳试验，研究了位移幅值与钢筋混凝土试件低周疲劳寿命之间的关系。图2所示为不同位移幅值对试件剩余承载力的影响曲线，由图可知，试件承载力随着位移幅值的增加呈现出先增大后减小趋势，当加载位移为3Δy时，承载力达到最大，继续增大控制位移，承载力逐渐降低，因此，位移幅值对试件的剩余承载力影响显著。

图2 位移幅值对剩余承载力影响的关系曲线

低周疲劳试验结果表明，随着加载位移的逐级增大，构件的疲劳寿命迅速下降，发生破坏时的累积滞回耗能随着位移幅值的增大而降低。付国等[7]通过分析结构的损伤提出了有效耗能，定义引起结构破坏的非弹性阶段耗能为结构破坏的有效耗能，有效耗能应包括混凝土表层剥离、核心区开裂以及钢筋变形消耗的能量，考虑有效耗能的损伤简化计算模型为：

(1)

式中：em为第m个循环下对应的有效耗能因子；δm为构件循环加载下的位移幅值；δust为构件单调加载下的极限位移。

(2)

式中：D为损伤指数；Ei为第i个加载循环下的滞回耗能；δu为构件单调荷载作用下的极限位移；Qu为构件的屈服强度；ei为有效耗能因子。

对于内置型钢的混凝土结构还应考虑型钢变形所消耗的能量，当所积累能量达到一定程度时结构的承载力最大，继续增加控制位移使得能量继续累加，构件承载能力开始退化直至发生破坏。基于此，本文在考虑承载力退化的基础上提出有效耗能的剩余承载力计算公式如下：

(3)

式中：FQi退化后的剩余承载力；Fu为试件在低周反复荷载下的最大承载力；公式的第二项表示承载力下降的量，β为组合参数，β一般在0～0.85之间变化，均值在0.10～0.15左右[8]，计算时β取0.1；有效耗能因子ei考虑了引起结构破坏滞回耗能中的有效耗能部分，定义了不同幅值作用下滞回耗能对结构破坏的影响，文献[9]表明，随着位移幅值的增大，ei计算值趋近于1，大位移幅值加载下有效耗能占总滞回耗能的比例增加，输入能量对结构破坏的贡献更大，结构破坏程度加剧。由以上计算可得到每级加载位移后试件的梁端剩余承载力如表2所示，计算结果与试验结果较为接近。

表2 剩余承载力计算结果与试验结果对比

(续表2)

型钢规程[10]指出，型钢混凝土柱与型钢混凝土梁连接的梁柱节点作用剪力Vj计算公式可由公式(4)计算得出。

(4)

式中：Mb1，Mb2为节点左右两侧型钢混凝土梁的梁端弯矩值；H为节点上柱和下柱反弯点之间的距离；hb为梁截面高度；hw为钢骨腹板高度。将各控制位移下计算出的梁端剩余承载力代入上式，得出每级控制位移下节点剩余抗剪承载力如表1所示。

3 钢骨超高强混凝土框架节点剩余承载力分析

从总体上看钢骨超高强混凝土框架节点具有较大的承载力，每级控制位移下节点的剩余抗剪承载力比较高，说明构件的抗震延性较好。节点的剩余承载力反映了其强度退化规律，节点强度退化是指在控制位移幅值不变作低周反复加载时，每施加一循环荷载后强度降低的速率，反映了节点在一定变形条件下，强度随反复荷载循环次数增加而降低的特性。由于随着加载位移和循环次数的增加，节点区混凝土不断退出工作，导致试件有效受力面积逐渐减小，承载能力下降。

3.1 配箍率对剩余承载力的影响

对于不同配箍率的节点试件，由图3可以看出，当轴压比与钢骨形式相同时，节点核心区箍筋体积配箍率大的试件具有较高的承载力，而对于配箍率较小试件(J-I-2)，虽然最大承载力较高，由于试件柱内置工字型钢骨，且核心区配箍率低，致使节点核心区混凝土约束能力较低，加载到4Δy时，试件已经发生破坏。随着控制位移的增加，承载力下降速率基本一致，这是由于钢骨超高强混凝土框架节点具有的强度较高，承载力退化速率保持平行。

图3 配箍率对试件剩余承载力影响关系曲线

3.2 轴压比对剩余承载力的影响

图4所示为节点试件剩余抗剪承载力随加载位移的变化情况。可以看出，对于配箍率和钢骨形式相同的试件，随着轴压比的增大，节点的剩余抗剪承载力也随之增大，从曲线上看轴压比对节点承载力的退化速率影响不大。

3.3 钢骨形式对剩余承载力的影响

从图5钢骨形式对试件的剩余承载力影响关系曲线可以看出，钢骨形式是影响节点抗剪承载力的重要因素，内置十字型钢骨的试件每级加载后的承载力明显大于工字型试件，说明十字型钢骨增强了节点区超高强混凝土的约束，提高了节点承载能力，对于承载力下降速率，钢骨形式影响较小。

图5 钢骨形式对试件剩余承载力影响关系曲线

4 结 论

本文在分析已有地震损伤模型的基础上，建立了钢骨超高强混凝土框架节点剩余承载力计算方法，较好地反映了钢骨超高强混凝土框架节点的承载力退化规律，研究主要成果如下：

(1)在试验的基础上建立了反映钢骨超高强混凝土框架节点剩余承载力的计算表达式，计算结果与试验结果吻合较好。

(2)讨论了试验参数对钢骨超高强混凝土框架节点剩余承载力的影响，在其他条件相同的情况下，节点试件剩余承载力随轴压比的增大而增大；配箍率越大试件的剩余承载力越大；内置十字型钢骨的节点试件承载力较内置工字型钢骨的节点试件大，试件参数对承载力下降速率影响并不明显。

(3)钢骨超高强混凝土框架节点构件具有较高的承载力，试件破坏后仍具有一定的剩余承载力；控制位移为3Δy时达到最大承载力，所建立计算表达式能较好的反映低周反复荷载下钢骨超高强混凝土框架节点的受力机理。

[1] 邢国华. 钢筋混凝土框架变梁异型节点破坏机理及设计方法研究[D]. 西安: 长安大学, 2010.

[2] Chou C C, Uang C M. Cyclic performance of a type of steel beam to steel-encased reinforced concrete column moment connection[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2002, 58: 637-663.

[3] 郭 进, 王君杰. 基于累积损伤的弯矩-曲率强度退化滞回模型[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2013, 41(12): 1767-1774.

[4] 曲 哲, 叶列平. 基于有效累积滞回耗能的钢筋混凝土构件承载力退化模型[J]. 工程力学, 2011, 28(6): 45-51.

[5] 闫长旺. 钢骨超高强混凝土框架节点抗震性能研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2009.

[6] 刘伯权, 白绍良, 徐云中, 等. 钢筋混凝土柱低周疲劳性能的试验研究[J]. 地震工程与工程振动, 1998, 18 (4): 82-89.

[7] 付 国, 刘伯权, 邢国华. 基于有效耗能的改进Park-Ang双参数损伤模型及其计算研究[J]. 工程力学, 2013, 30(7): 84-90.

[8] Williams M S, Sexsmith R G. Seismic damage indices for concrete structures: a state-of-the-art review[J]. Earthquake Spectra, 1995, 11(2): 319-349.

[9] 刘伯权. 抗震结构的破坏准则及可靠性分析[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 1996.

[10]JGJ 138-2001, 型钢混凝土组合结构技术规程[S].

基金项目： 2014年江苏省科技厅前瞻性联合研究(BY2014005-11)

Calculation and Evaluation of Steel Reinforced High Strength Concrete Frame Node Residual Bearing Capacity After Seismic Action

CHANGZhi-hui1a,YANChang-wang1,JIAJin-qing2,BAOLian-jin3,WANGCun-gui4,LIUBo5

(1.a.School of Civil Engineering; b.School of Mining and Technology, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China； 2.School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 3.East China Architectural Design & Research Institute, Shanghai 200002, China；4.China Construction Sixth Engineering Division Co LTD, Tianjing 300400, China； 5. The Second Construction Co LTD of China Construction Third Engineering Bureau, Wuhan 430074, China)

In order to determine the residual bearing capacity of steel reinforced super high strength concrete frame joints after earthquake, this paper established the calculation formula of the residual bearing capacity on the basis of analyzing the seismic damage model by low cycle repeated load test of 12 joint test specimens and discussing the influence of test parameters on the residual bearing capacity. Results show that the calculated results are close to the experimental results. The test parameters have little effect on the decline rate of the load bearing capacity，moreover，the residual bearing capacity increases with the increase of axial compression ratio; specimens with high hoop ratio have higher residual bearing capacity; cross type steel bearing capacity is greater than the remaining test specimens of H-shaped steel; The proposed calculation formula can better reflect the force mechanism of the node, and it can provide theoretical basis for the seismic design and the post earthquake reinforcement of this kind of joints.

steel reinforced ultra high-strength concrete; frame joint; displacement amplitude; residual strength degradation

2016-03-09

2016-05-27

常智慧(1991-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，研究方向为混凝土耐久性研究(Email：czh20141100@126.com)

闫长旺(1978-)，男，内蒙古包头人，博士，教授，研究方向为结构抗震与耐久性研究(Email：ycw20031013@126.com)

国家自然科学基金 (51168034；51178078)；内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划(NJYT-14-B08)

TU398+.2

A

2095-0985(2016)05-0049-05