银川绿地中心型钢混凝土梁柱节点抗震性能试验研究

郑书仁

(中铁城建集团有限公司，长沙 410208)

1 工程概况

银川绿地中心项目是宁夏回族自治区和银川市“十二五”规划的重大项目，也是践行“一带一路”的代表项目[1]。该项目位于宁夏回族自治区银川市阅海湾中央商务区中心地块，作为宁夏第一高楼的银川绿地中心项目，建筑总面积350 379m2。该项目包括两栋高301.15m的塔楼、两个相应23.9m高的裙房以及连接整体的3层地下室。北塔楼地上建筑面积122 643m2，共计66层，主要功能为办公和酒店，北裙房建筑地上建筑面积为10 995m2，主要功能为3层商业用房和1层设备屋顶层；南塔楼建筑地上建筑面积122 797m2，地上共66层，主要功能为办公，南裙房地上建筑面积为10 352m2，共3层功能房间和1层设备屋顶层[2-3]。银川绿地中心建筑效果图如图1所示。由于型钢混凝土梁柱节点的构造复杂，节点处钢筋较多且有部分钢筋穿透型钢。为了减小施工的难度，本文结合施工特点提出两种替代的构造措施，采用试验研究方法与标准节点的抗震性能进行对比，为工程应用提供参考。

图1 银川绿地中心建筑效果图

2 试验概况

2.1 试件设计

根据实验室MTS作动器的量程及竖向千斤顶的加载能力，确定试验试件的缩尺比例为1∶8，三个试件的构造尺寸如图2所示，试件型钢加工图见图3。

图2 试件构造尺寸

图3 试件型钢加工图

由于试件采用缩尺，型钢混凝土柱内钢筋直径较小，无法加工，因此，受力钢筋采用等截面配筋率的原则确定合理的受力钢筋直径和间距；箍筋采用等体积配箍率的原则确定箍筋及拉筋的直径和间距。三种叠合柱构造有所不同，其中试件GZ-1钢筋采用穿过型钢的方法；试件GZ-2钢筋不穿型钢采用增加竖向钢筋的方法；试件GZ-3采用钢筋焊接到型钢的方法。最终三个试件的截面配筋结果如图4所示。

图4 试件截面配筋图

2.2 材料性能

本次试验混凝土强度等级为C40，在试件试验当天对混凝土立方体试块进行轴压试验，测得混凝土强度为42.6MPa。柱内型钢采用Q235b焊接型钢，腹板厚度为8mm，翼缘厚度为9mm；柱内纵筋为HRB400，直径为8mm；箍筋和拉筋为HRB400，直径为6mm。测得钢材的主要性能指标如表1所示。

材性试验结果 表1

2.3 试验装置及加载制度

本次试验在北京交通大学的结构实验室进行，试件加载装置如图5所示，竖向荷载由液压千斤通过分配梁均匀地施加在柱顶；水平位移由作动器作用在试件的加载梁上。试件通过地锚螺栓与地面固定，地梁两端各设置千斤顶防止出现滑移。

图5 试件加载装置示意图

以实际工程为依据，确定施加的竖向荷载为1 000kN；水平加载采用位移控制，以试件上部加载点的实际位移为控制标准，从零开始进行水平加载，加载位移分别为0.6mm(1/1 400)，1.0mm(1/800)，1.7mm(1/500)，2.4mm(1/350)，3mm(1/280)，4.5mm(1/200)，6mm(1/140)，8.5mm(1/100)，12mm(1/70)，15mm(1/55)，17mm(1/49)，21mm(1/40)，24mm(1/35)，30mm(1/28)，每级循环二次，直至推覆。

3 试验现象及破坏形态

首先对试件进行预加载，检查各试验仪器是否正常工作，然后竖向荷载回零，完成预加载过程。随后开始正式加载，竖向荷载共分5级加载，每级荷载大小为200kN，最终加载至1 000kN，并且保持恒定，然后开始加载水平位移。

三个试件尽管在构造措施上有差异，但其破坏形式和规律有很大的相似性。水平位移加载至1mm结束时，无明显现象出现。水平位移加载至1.7mm时，加载位置处柱体产生微小竖向裂缝，柱身两侧开始出现横向裂缝。水平位移加载至2.4mm时，加载梁开始产生裂缝，二层柱体出现少量的斜裂缝，原有裂缝加宽延伸。水平位移加载至4.5mm时，试件裂缝持续增加和延伸，一层柱体出现多道竖向裂缝和斜裂缝，二层柱体右侧面原有裂缝形成通长水平裂缝，下部原有裂缝斜向延伸。水平位移在加载至6mm的过程中伴有“咔咔”声响，加载梁部分混凝土掉落，节点处左侧裂缝连通，一层柱上部及其中部新增多道斜裂缝；二层柱中部出现一道水平裂缝并延伸至侧面形成通长水平裂缝。水平位移加载至8.5mm时，加载过程中试件持续发出声响，梁柱交界处左上角混凝土鼓起；一层柱中部出现两道斜裂缝，原有裂缝延伸，柱底出现多道短小斜裂缝；二层柱左侧底部出现一道通长水平裂缝。水平位移加载至12mm的过程中有“当当”的巨大声响，右侧加载梁上部裂缝通长，裂缝宽至4mm，交界处竖向裂缝宽度达1.5mm，右侧裂缝贯通；一层柱左侧出现两道很长的竖向裂缝，柱底左侧混凝土鼓起；二层柱中部和左侧面出现多道斜裂缝，柱角右侧出现竖向裂缝。水平位移加载至15mm的过程中，试件发出连续不断的“咔咔”声响，交界处左上角混凝土有掉落，原有裂缝延伸加宽。水平位移加载至17mm时，右侧加载梁底部混凝土出现大面积掉落，二层柱中部左侧混凝土出现小面积脱落。

试件加载至24mm，有连续声响，一层柱角混凝土脱落，交界处混凝土沿裂缝鼓起。加载30mm时，多处混凝土掉落，交界处裂缝加宽至1cm，型钢混凝土梁柱节点试件破坏严重，试验结束。三个试件均表现为柱内型钢和纵筋受力屈服，柱角混凝土被压碎，试件破坏。试件裂缝见图6。

图6 试件裂缝

4 试验结果及分析

4.1 滞回特性

试验中得到三个试件滞回曲线如图7所示。由图7可知，随着水平位移的施加，滞回曲线的形状也在发生着变化。加载初始，水平位移较小，滞回曲线呈直线，刚度变化不大，残余位移较小，试件处于弹性状态。随着水平位移的逐渐增加，试件进入弹塑性阶段，三个试件的刚度逐渐开始减小，开始有残余变形的产生，试件滞回曲线逐步发展为“梭形”。继续加大水平位移，试件刚度退化和残余变形迅速增加，滞回曲线向“弓形”过渡，“捏拢现象”明显。继续加大水平位移，试件内部型钢和钢筋逐渐屈服，角部混凝土压碎脱落，试件破坏，试验结束。试件GZ-2由于发生较大的平面外变形，只加载至21mm。

图7 试件滞回曲线

4.2 骨架曲线

由《建筑抗震试验方法规程》(JGJ/T 101—2015)[4](简称抗震试验规程)可知，试件骨架曲线能够反映出承载力与位移之间的关系，根据骨架曲线可以得到试件各特征阶段的荷载及对应的位移。图8为各试件的骨架曲线。由图8可知，三个试件的骨架曲线几乎重合，变化规律基本一致，均经历弹性、弹塑性及破坏三个阶段。加载初期，三个试件的骨架曲线呈直线，且完全重合；增大水平位移，骨架曲线开始出现明显的转折点，试件开始进入弹塑性阶段，三条曲线开始有偏离，但相差较小；随着水平位移的持续增加，试件刚度逐渐减小，曲线偏离程度增大，试件达到峰值荷载，进入破坏阶段。从骨架曲线可以直观地看出，三个试件的屈服荷载和极限荷载相差不大，变形性能相当。

图8 试件骨架曲线

4.3 承载能力及变形能力

根据各试件的骨架曲线，参考抗震试验规程拟静力试验数据处理方法，结合等能量法[5]，给出了各试件屈服荷载、极限荷载以及对应阶段的位移。试件的变形能力可以用极限位移角θ来衡量，其值等于试件的极限位移Δ与层高H的比值，即θ=Δ/H。

表2给出了各试件的荷载值及极限位移角。由表2可知，三个试件的各阶段荷载值相差不大，与试件GZ-1相比，试件GZ-2的屈服荷载和极限荷载降低了6.2%，4.8%；试件GZ-3的屈服荷载和极限荷载降低了8.7%，2.9%。结果表明，本文提出的两种替换构造措施与原构造措施相比，承载力略微降低，极限承载力相差在5%以内。由于试件GZ-2在水平位移加载至21mm时，发生较大的平面外位移，无法继续加载，因此，极限位移角相对较小，但试件GZ-2和试件GZ-3的极限位移角大小相同，说明两种构造措施的柱节点有相同变形能力。综上，本文提出的两种构造措施可以用于结构。

各试件承载力及对应的位移 表2

4.4 刚度退化

刚度反映试件在外力作用下抵抗变形的能力。由抗震试验规程可知，试件的刚度可以用割线刚度来表示，计算公式见式(1)，各试件刚度退化曲线如图9所示。

(1)

式中：K为试件刚度，kN/mm；P+，P-分别为试件在同一滞回环顶点的正向和负向水平荷载；Δ+，Δ-分别为同一滞回环顶点的正向和负向位移值。

由图9可知：1)三个试件的刚度退化曲线规律基本一致，无明显的突变。初始刚度主要由柱体混凝土承担，因此，三个试件的初始刚度相差不大，均在100kN/mm左右。随着水平位移的逐渐施加，混凝土逐步开裂，刚度退化迅速增加，当水平位移增加在21mm左右时，柱内型钢和钢筋开始屈服，混凝土裂缝发展充分，刚度退化进入平稳段。2)由于试件GZ-2水平位移只加载至21mm，因此，取加载位移21mm时对应的刚度进行对比分析。此时，各试件的刚度为42.1，43.5，40.9kN/mm，与试件GZ-1相比，试件GZ-2的刚度提高了3.3%，试件GZ-3刚度降低了2.9%。说明三个试件在受力屈服阶段的刚度相差不大，抵抗外力荷载作用的能力几乎一致。

图9 试件刚度退化曲线

4.5 耗能能力

由抗震试验规程可知，试件耗能量的大小以滞回环包围的面积大小来衡量，滞回环越饱满，包围的面积越大，耗能量就越多，耗能能力也就越强。根据滞回曲线，计算各试件各级循环耗能量，将计算结果绘制成累积耗能曲线，如图10所示。由图10可知：1)三个试件的累积耗能曲线加载前期一直处于重合状态，且增长缓慢；试件屈服以后，各试件的累积耗能曲线开始呈现“抛物线”增长，当试件达到峰值荷载时，试件滞回环曲线更加饱满，耗能量较多，累积耗能也就越多，体现了三个试件相对普通混凝土节点具有良好的耗能能力。2)由于试件GZ-2水平位移只加载至21mm，因此，取加载位移21mm时对应的累积耗能量进行对比分析。此时，GZ-1,GZ-2,GZ-3三个试件累积耗能量分别为20.47，22.91，19.91kN·m。与试件GZ-1相比，试件GZ-2的耗能量增加了11.9%，试件GZ-3的耗能量减小了2.7%。说明三种不同的构造措施的柱节点耗能能力相差不大，且本文提出的其中一种构造措施的耗能能力略优于原构造措施。

图10 试件累积耗能曲线

5 结论

(1)试件在低周往复荷载作用下均经历弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段三个过程。最终由于柱内型钢和钢筋屈服，角部混凝土压碎，试件发生破坏。

(2)试件的滞回曲线、骨架曲线以及刚度退化曲线的变化规律基本相同，累积耗能能力也一致，说明了本文提出的两种构造措施的设计思路是合理正确的。

(3)三种构造方式的极限承载力误差在5%以内，并且拉筋穿过型钢腹板的承载力最高，拉筋焊接在型钢腹板表面的构造方式次之，加强纵筋局部围箍方式最小。因此，型钢混凝土柱的构造措施可根据承载力大小及施工难易程度选择本次试验的三种不同构造方式。