杜长虹 魏国强

摘 要：本文通过对预制装配式混合框架结构混凝土柱-钢梁节点的拟静力试验研究，得出此类型节点具有较好的抗震性能。梁端荷载-位移滞回曲线较饱满，能够耗散地震能量，并且延性系数大于2，满足相关规范抗震要求。

关键词：装配式;混合框架结构;节点;抗震性能

中图分类号：TU398.2;TU352.11文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）26-0089-03

Abstract： Through the pseudo-static test research on the concrete column-steel beam joint of the prefabricated hybrid frame structure， this paper concluded that this type of joint had good seismic performance. The load-displacement hysteresis curve at the beam end is full and can dissipate seismic energy， and the ductility coefficient is greater than 2， which meets the seismic requirements of relevant codes.

Keywords： prefabricated;hybrid frame structure;joint;seismic performance

近几十年来，世界经济发展迅速，带来的负面影响是环境污染变得严重。世界各国越来越重视环境保护，我国同样把环境保护作为重要的一环。国家颁布了许多利于保护环境的政策，提倡绿色建筑就是其中之一。预制装配式混合结构因其优点可以称得上是绿色建筑。优点是构件在工厂预制，减少施工过程中物料损耗，减少施工现场建筑垃圾，减少施工现场噪声;选用材料为混凝土和钢材，钢材可以重复利用，不适用黏土砖，保护环境。预制装配式混合框架结构可以广泛使用在高层建筑中。西北地区地处地震带，建筑抗震是重点研究内容。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[1]中，设计原则之一是强节点、弱构件，所以预制装配式混合框架结构节点抗震性能研究具有重要意义。

20世纪，北美洲的装配式建筑主要用于低层抗震设防地区。由于加利福尼亚州的地震影响，近年来，美国非常重视中高层预制结构抗震，出版了《预制混凝土结构抗震设计》一书，从理论和实践角度系统地分析了预制建筑的抗震设计问题，总结了许多预制混凝土结构抗震设计的最新科研成果。欧洲形成了各种专用预制建筑体系和标准化的通用预制产品系列，并编制了一系列预制混凝土工程标准和应用手册。亚洲地区，日本在装配式建筑领域处于领先地位，日本学习欧美的成功经验，在探索装配式建筑的标准化设计施工基础上结合自身要求，在预制结构体系整体性抗震方面取得了突破性进展。

我国装配式建筑抗震性能研究主要是装配式建筑节点抗震性能研究和整体抗震性能研究。有研究通过试验分析了钢结构装配式建筑节点抗震性能、混凝土装配式建筑节点及连接部位抗震性能，结果发现，常见的钢结构装配式建筑节点型式均能满足抗震要求，混凝土装配式建筑节点和连接部位也能满足抗震要求[2-3]。但是，我国对装配式混合框架结构抗震性能的研究较少，适于西北高烈度区的装配式混合框架结构抗震性能研究也较少。所以，本文对预制装配式混合框架结构节点的抗震性能进行试验研究。

1 预制装配式混合框架结构节点试件设计

为了使试验结果具有代表性，本试验选取预制装配式混合框架结构中常用的节点形式混凝土柱-钢梁混合框架结构节点。根据框架结构的受力特点，选取框架边节点从梁和柱反弯点处断开，受力如图1所示。考虑《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）、《钢结构设计规范》（GB 50017—2017）[4]、《建筑抗震试验规程》（JGJ/T 101—2015）[5]的要求和实验室设备能力，确定试件尺寸与原构件尺寸比为1∶4。试件采用等强度设计方法设计。节点核心区构造做法如下：钢梁贯通节点，节点两侧设置加劲肋，混凝土柱中设置工字型钢柱并焊接在钢梁翼缘上，节点箍筋穿过钢梁腹板。这样可以提高钢梁与混凝土柱组合节点的抗震能力，防止组合节点过早出现柱端混凝土的局部受压破坏和钢梁的局部屈曲变形。节点尺寸如图2所示。

2 节点加载与测量方案

2.1 拟静力试验装置

本试验装置为空间受力组合试验装置，通过结构框架提供竖向、水平加载结构反力，外侧框架竖向承载力为300 kN，水平承载力为200 kN，立柱之间局部承载力为1 000 kN，内侧框架竖向承载力为100 kN。如图3所示，结构形式为七立柱门式框架自反力结构，上下横梁采用箱形钢梁制作，一侧上下横梁通过4根H型钢立柱连接，另一侧上下横梁通过3根H型钢立柱连接，上横梁高度按模数可调。上下横梁均安装平行直线导轨，导轨上安装可移动的小车，小车上可安装支座、加载油缸等，可同时实现多点、多方向拉压力加载、加载点的数量及方向不限。

加载装置为液压加载类型，以油缸为主，通过后法兰盘与梁、柱连接。拉壓双作用油缸，活塞杆中空加工有内螺纹，并安装有螺杆，用以调整油缸的运动范围，可与拉压力传感器相连。双作用油缸，有手动行程调节功能，油管采用快速接头的连接方式。

本试验加载时，梁-柱节点的边界条件是柱端为铰接，约束竖向位移和水平位移，梁端为滑动铰接，约束水平位移，在梁端加载水平荷载。加载示意图如图4所示。

2.2 加载方法

本试验选用拟静力加载试验，加载方法采用荷载-位移双控制。首先，根据等强度原则，计算梁柱节点的屈服荷载和破坏荷载。在试件节点核心区屈服前，根据屈服荷载控制并逐级加载，接近屈服荷载时减少加载级差，在试件屈服前每级荷载反复一次加载。在试件节点核心区屈服后采用变形控制，变形值取节点核心区钢筋屈服时试件的最大位移值，然后以该位移值的倍数为级差进行控制加载，每级加载反复三次。

2.3 测量方案

本试验应用静态数据采集分析系统DH3816，用于試验过程中位移和静态应变的测量。系统电源箱、采集箱采用分体式，便于操作，测仪器有快速接线插座，可扩展至4 096个通道，方便与计算机进行通信，实现数据显示、存储、转换功能。系统对应变片和位移计的数据进行采集。位移计的放置位置如图4所示，应变片放置位置如图5所示。

3 试验现象及性能分析

3.1 试验现象

在20 kN荷载反复一次作用下，正方向最大位移为3.67 mm，卸载后没有残余变形，钢梁翼缘盖板拼接处的最大压应变为268 με，最大拉应变为208 με。

在30 kN荷载反复一次作用下，正方向最大位移为5.98 mm，卸载后残余变形小，反方向最大位移为10.16 mm，卸载后残余变形为5.22 mm，这时钢梁底部有位移0.9 mm。钢梁翼缘盖板拼接处的最大压应变为430 με，最大拉应变为305 με。

节点混凝土没有裂缝。

在50 kN荷载反复一次作用下，正方向最大位移为17.23 mm，残余变形为10.55 mm。在反方向荷载作用下，最大位移为39.89 mm，残余变形为34.89 mm，钢梁翼缘盖板拼接处的最大压应变为753 με，最大拉应变为679 με。此时，钢梁底部位移为7.5 mm。当荷载反方向42 kN作用时，节点混凝土出现裂缝，向钢梁根部延伸。节点核心区纵筋最大应变为305 με。

转换成位移控制，位移控制在25 mm下，正方向荷载加到95 kN，能听到啪啪的响声，位移控制到37 mm，加载到116.3 kN，钢梁翼缘盖板拼接处的最大应变为1 552 με，说明此处开始屈服，进入塑性阶段，随着荷载越来越大，螺栓也产生响声，开始滑移。

位移控制为103 mm时，正方向力达到182 kN，反方向力达158 kN，钢梁受力最大处出现屈曲，且不能恢复，构件破坏，试验结束。混凝土节点核心区没有斜裂缝，有发展的垂直裂缝。

3.2 节点试件抗震性能分析

3.2.1 滞回性能。通过对节点拟静力加载，得到试件梁端荷载-位移滞回曲线，如图6所示。

当施加荷载较小时，混合结构节点试件基本处于弹性阶段，卸载后基本没有残余变形。当荷载加到50 kN时，钢梁盖板连接处出现滑移，卸载后不能恢复到原来位置，试件进入塑性阶段，随着荷载的增加，卸载后残余变形越来越大。试件最后是梁端处先破坏。从图6可以看出，滞回曲线整体呈弓字形，此节点形式抗震性能较好。

3.2.2 试件的延性。延性是衡量结构抗震能力的一个重要指标，延性越大，构件变能力越强，抗震性能越好。延性通常用延性系数来表示，延性系数包括曲率延性系数、位移延性系数、转角延性系数，其中位移延性系数=试件屈服荷载所对应的位移除以试件极限荷载承载力下降到85%对应的位移。试件的位移延性系数=破坏位移/屈服位移=103 mm/37 mm=2.78。

混凝土结构一般要求延性系数大于2，本次试验试件位移延性系数2.78大于2，构件延性满足抗震要求。

4 结论

本次节点试验结果表明，本试件混凝土柱-钢梁混合框架结构节点抗震性能良好。试件荷载-位移滞回曲线整体呈弓字形，此类型节点破坏前能够耗散一定的地震作用能量，此节点具有一定的抗震能力。由试验得出，试件位移延性系数为2.78，大于2，满足混凝土结构构件延性抗震要求。试验结束时，钢梁梁端屈曲破坏，此时节点核心区并没有产生斜裂缝破坏，此类型节点梁先破坏，满足墙柱弱梁抗震要求;试验结束时，节点核心区出现垂直裂缝，并且纵筋已经屈服，没有斜裂缝，这说明节点已经受弯屈服，没有受剪破坏，此类型节点满足强剪弱弯抗震要求。

参考文献：

[1]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]郁有升，王燕.钢框架梁翼缘削弱型节点力学性能的试验研究[J].工程力学，2009（2）：168-175.

[3]胡大柱，李国强，孙飞飞，等.半刚性连接组合框架地震反应分析[J].工程抗震与加固改造，2007（1）：19-25.

[4]住房和城乡建设部.钢结构设计规范：GB 50017—2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[5]住房和城乡建设部.建筑抗震试验规程：JGJ/T 101—2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.