容艷玲

摘要：針對現(xiàn)有裝配式建筑梁柱連接節(jié)點穩(wěn)定性低的問題，以混凝土、鋼筋、鋼板試件材料為原材料，設(shè)計一種新型鋼筋混凝土管架梁柱連接節(jié)點，并從強度、延性、剛度退化3個方面進(jìn)行試驗。結(jié)果表明，所設(shè)計鋼筋混凝土管架梁柱連接節(jié)點通過在梁端設(shè)置狗骨而構(gòu)造塑性鉸，可有效增大試件破壞時的極限位移，正向和負(fù)向負(fù)載下的屈服位移介于27～34 mm，剛度退化較為平穩(wěn)，滿足鋼筋混凝土管架穩(wěn)定性要求，具有較強的連接穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；梁柱連接節(jié)點；穩(wěn)定性；力學(xué)性能

中圖分類號：TU375；TG457??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1001-5922（2023）03-0159-04

Stability test of connection joints in reinforced concrete pipe frame

RONG Yanling

（Guangxi Academy of Arts，Nanning 530003，China）

Abstract：Aiming at the problem of low stability of beam column connection joints in existing fabricated buildings， a new type of beam column connection joint of reinforced concrete pipe frame is designed with concrete，steel bar and steel plate as raw materials，and the testis carried out from three aspects of strength，ductility and stiffness deg? radation. The results showed that the designed beam column connection joint of reinforced concrete pipe frame could construct plastic hinge structure by setting dog bone at the beamend，so as to effectively increase the ultimate displacement when the specimen was damaged. In addition，the yield displacement under positive and negative loads was between 27 mm and 34 mm，and the stiffness degradationwas relatively stable，which metthe stability re? quirements of reinforced concrete pipe frame and had strong stability.

Keywords：reinforced concrete；beam column connection joints；stability；mechanical property

在鋼筋混凝土管架中，管架的連接節(jié)點作為整個管架的關(guān)鍵部件，其穩(wěn)定性與管架穩(wěn)定性甚至整個裝配式建筑安全性緊密相關(guān)。因此，有必要提高其連接節(jié)點穩(wěn)定性。針對該問題，相關(guān)專家學(xué)者設(shè)計了相關(guān)的節(jié)點穩(wěn)定性評估方法，并提出了各種新型連接節(jié)點，通過模擬裝配式鋼筋混凝土管架節(jié)點加載，探究了鋼筋混凝土管架節(jié)點的破壞機制，并從強度、形變等方面評估了節(jié)點的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了鋼筋混凝土管架節(jié)點的穩(wěn)定性評估[1]；通過構(gòu)建FRP-混凝土-鋼雙壁空心橋墩分析方程，實現(xiàn)了對雙壁空心管壓彎構(gòu)件及其節(jié)點承載力的計算，并基于該結(jié)果分析了鋼筋混凝土管架節(jié)點的穩(wěn)定性[2]；設(shè)計的斜縫式預(yù)壓的混凝土預(yù)制構(gòu)件連接技術(shù)，能夠顯著強化裝配式混凝土管架連接節(jié)點的抗剪性能，這一技術(shù)在實踐中得以檢驗[3]。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前鋼筋混凝土管架穩(wěn)定性分析主要集中在節(jié)點穩(wěn)定性評估方法上，僅有少量研究提出了通過設(shè)計新型的鋼筋混凝土管架連接節(jié)點來提高鋼筋混凝土管架的穩(wěn)定性。因此，為彌補在這一方面的不足，進(jìn)一步提高鋼筋混凝土管架穩(wěn)定性，本文設(shè)計了一種新型鋼筋混凝土梁柱連接節(jié)點。

1 試驗方案

1.1 主要原材料

1.1.1 混凝土

預(yù)制試件的混凝土強度為C40，試驗中進(jìn)行3次澆筑動作，用以制得預(yù)制柱、預(yù)制梁及梁柱拼接件。針對各預(yù)制件進(jìn)行取樣，樣品定型為立方塊：其大小150 mm×150 mm×150 mm。為了模擬出預(yù)制試件的真實性能，試驗將以《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》作為試驗依據(jù)，在特定的養(yǎng)護(hù)條件下，對樣品進(jìn)行試驗[4]。

1.1.2 鋼筋

本次試驗在制備預(yù)制試件時均采用的是 HRB400規(guī)格的鋼筋，其差別在于鋼筋直徑有Φ10 mm 和Φ20 mm2種規(guī)格，其他參量如表1所示。

1.1.3 鋼板

預(yù)制試件用鋼板包括2種：一種是厚度為8 mm 和12 mm 的Φ235B 鋼板，另外一種是壁厚為12 mm 的Φ235B 螺旋焊管。本次試驗中，從母材相應(yīng)位置割取并制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，每種厚度制作3個試件，試驗所得鋼板材料的力學(xué)性能如表2所示。

1.2 試驗步驟

1.2.1 新型梁柱連接節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

本試驗的目的是提出一種新型梁柱連接節(jié)點，它是由節(jié)點連接區(qū)、預(yù)制預(yù)應(yīng)力疊合梁以及預(yù)制組合柱等3部分構(gòu)成，并驗證了這種梁柱連接方法的可行性。其中，預(yù)制組合柱設(shè)計成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，在預(yù)制疊合梁的端部加裝了H 型鋼接頭，梁柱通過栓焊混合連接或全螺栓連接方式進(jìn)行搭接，由此構(gòu)造出了節(jié)點連接區(qū)[5]。

為了客觀評估本文所提梁柱節(jié)點連接的整體性能，以實際應(yīng)用為準(zhǔn)設(shè)定試件形態(tài)規(guī)格，具體為[6]：

（1）梁350 mm×450 mm，柱550 mm×550 mm；

（2）預(yù)制柱自身長度為2865 mm，增加底端的鉸支座以及頂端的加載點的長度，其整體長度為2940 mm；

（3）預(yù)制梁自身長度為2000 mm，增加2端鉸支座長度，其整體長度為4250 mm。

1.2.2 預(yù)制試件設(shè)計

新型預(yù)制組合框架結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點表現(xiàn)出優(yōu)良的抗震能力，這主要得益于2點設(shè)計：（1）腹板開洞以及狗骨式連接；（2）僅為邊節(jié)點連接區(qū)域配置箍筋[7]。為了檢驗不同設(shè)計部件的實效性能，本文預(yù)制了4種不同結(jié)構(gòu)特點的梁柱連接節(jié)點試件，分別為中節(jié)點狗骨式連接（編號A1）、中節(jié)點腹板開洞（編號A2）和邊節(jié)點為狗骨式連接（編號B1）和腹板開洞（編號B2）。

1.3 性能測試

1.3.1 承載力測試

1）試驗加載設(shè)計

試驗加載采用擬靜力試驗方式，其具體表現(xiàn)為對荷載進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對構(gòu)建的正向循環(huán)加載，同時通過地震結(jié)構(gòu)模擬的方式對特征進(jìn)行響應(yīng)。在擬靜力試驗中，保持較低的加載速率，不會對構(gòu)件的應(yīng)變量、應(yīng)變速率產(chǎn)生重大影響。此外，這一加載過程的可控性好，能夠動態(tài)監(jiān)控結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞程度，由此建立起構(gòu)件的荷載-位移滯回曲線，從中提取出強度、變形、耗能等數(shù)據(jù)結(jié)果，用于評估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能。通過以上分析，利用擬靜力試驗來檢驗前文提到的4個預(yù)制試件的抗震能力。

2）加載裝置

基于以上試驗加載設(shè)計，采用鉸支座作為加載裝置，其主要安裝在梁柱各端。然后在柱頂位置進(jìn)行加載設(shè)置，即軸向荷載加載和水平荷載控制，將其以反復(fù)方式進(jìn)行作用，從而使該荷載趨于固定。

3）加載制度

本次試驗采取的加載制度是位移角控制，在試驗過程中，逐級加載構(gòu)建的位移角，從而實現(xiàn)分級加載的效果；加載制度如圖1所示。

在正式加載前，首先執(zhí)行3級預(yù)加載，各級預(yù)加載的位移量依次是3、4和5 mm，預(yù)加載的目的在于驗證試驗所用相關(guān)儀器處于正常工作狀態(tài)。隨后進(jìn)行加載試驗，位移角控制區(qū)間是0.2%～5%，每一級的加載動作都反復(fù)3次，如果在完成某一次加載動作后，試件發(fā)生了不可恢復(fù)的較大變形或者最大荷載小于同級加載動作荷載峰值的80%，此時應(yīng)當(dāng)終止繼續(xù)加載；具體加載明細(xì)如表3所示。

4）計算方法

旨在模擬實際的軸壓，在柱頂加載適當(dāng)軸壓比的豎向荷載。考慮到圓形鋼管混凝土具有優(yōu)良的延性，因此可以根據(jù)試驗需求來設(shè)定適當(dāng)?shù)妮S壓比（n），具體計算為[8]：

式中：N0表示柱頂豎向荷載；Nu 表示柱軸心受壓承載力。雖然組合柱是有外包鋼筋混凝土和內(nèi)部鋼管混凝土兩部分構(gòu)成的，但前者的軸向承載能力可忽略不計，這也就意味著內(nèi)部鋼管混凝土的軸心承壓能力（NCPST）等效為 Nu 。

依據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，忽略柱長細(xì)比對柱軸心受N（壓）承載力的影響則NCPST 計算公式為：

式中：Ac 表示鋼管的橫截面面積；f 表示鋼管的抗拉、抗壓強度；Ac 表示鋼管內(nèi)核心混凝土橫截面面積；fc 表示鋼管內(nèi)核心混凝土的抗壓強度；9表示鋼管混凝土構(gòu)件的套箍系數(shù)。

1.3.2 試驗量測內(nèi)容

（1）荷載-位移曲線：荷載-位移曲線顯示了試件在低周反復(fù)荷載的驅(qū)動下而表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，據(jù)此能夠?qū)υ嚰目拐鹉芰ψ龀龉烙?。在前文布設(shè)的加載裝置基礎(chǔ)上，配套MTS 系統(tǒng)來動態(tài)測算荷載量、位移量等參量，并將測繪數(shù)據(jù)整合為荷載-位移曲線；

（2）柱頂軸壓：在加載試驗中需根據(jù)柱頂軸壓來平穩(wěn)進(jìn)行軸壓比控制。受到千斤頂油泵性能的影響，柱頂軸壓控制可能發(fā)生突變，所以在試驗過程中應(yīng)當(dāng)頻繁檢查油泵工作狀態(tài)，必要時可以增大或減小油壓，確保柱頂軸壓保持平穩(wěn)；

（3）鋼筋和鋼接頭應(yīng)變：為了監(jiān)測加載過程中的鋼筋和鋼接頭的應(yīng)變情況，需要在制作試件的過程中，在易發(fā)生形變的鋼筋、箍筋、鋼接頭處貼服高靈敏度的電阻應(yīng)變片，并與DH3817靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行連接，從而獲取關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)變信息；

（4）裂縫開展情況：在觀察裂縫開展程度之前，需要對試件進(jìn)行預(yù)處理，及利用乳膠漆對試件表面進(jìn)行涂抹，并且利用墨盒將試件表面細(xì)分為規(guī)整方格。在完成一級加載以后，觀察試件表面的新增裂縫以及原有裂縫的延伸情況，并將觀測結(jié)果詳細(xì)記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 荷載-位移滯回曲線

以柱端位移量為橫坐標(biāo)，以柱端加載荷載為縱坐標(biāo)，設(shè)定前向推動試件的荷載和位移為正方向，由此描繪出新型梁柱連接節(jié)點的荷載-位移滯回曲線，具體如圖2所示。

從圖2可以看出，從滯回曲線的整體形態(tài)來看，構(gòu)件A1、A2與構(gòu)件B1、B2具有顯著地一致性，這說明它們擁有相近的破壞過程，即鋼接頭和附加U 形鋼筋梁底混凝土因應(yīng)力過大而遭破裂。需要說明的是，構(gòu)件A1的翼緣焊接不達(dá)標(biāo)而在加載過程中被提前破壞；試件A2、B1、B2都達(dá)到了同一加載等級，即位移角2.75%、位移量80.9 mm。

在4個構(gòu)件中的B1構(gòu)件擁有完整的滯回曲線，以此為樣本進(jìn)行研討。在加載的起始階段，構(gòu)件B1只發(fā)生彈性形變，對其性能影響幾乎為零，這時的滯回環(huán)狹窄，加載過程和卸載過程的滯回曲線近乎重合，在負(fù)荷卸載以后，試件形變量很小。在進(jìn)入后續(xù)等級的加載階段后，構(gòu)件B1外表面開始出現(xiàn)小裂縫，其抗震性能開始削弱，在完成單次加載后的形變量不可恢復(fù)，此時的滯回環(huán)更加飽滿。在位移角1.50%的加載等級下，首次加載動作就造成構(gòu)件陷入屈服，此時的滯回環(huán)較為飽滿，反向加載動作使得構(gòu)件裂縫閉合，為零區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)少量滑移。在位移角1.50%層級上繼續(xù)執(zhí)行2次加載動作，此時除了滯回環(huán)表現(xiàn)出捏縮現(xiàn)象以外，荷載峰值也明顯降低，這主要是因為混凝土受壓出現(xiàn)縱向開裂的問題。在位移角2.00%層級上，受到更大的加載荷載，在鋼接頭、鋼筋混凝土梁段部位，均出現(xiàn)了不同程度的變形，且變形等級明顯存在差異。此位置的變形差異使得試件承載力的作用力增強，尤其末尾2次循環(huán)的峰值荷載降幅較大，此時的滯回曲線變得形如“S”。在位移角2.75%層級下，構(gòu)件B1在強大荷載作用下已然發(fā)生不可恢復(fù)地破壞，尤其梁底混凝土發(fā)生嚴(yán)重脫落問題，此時的滯回曲線出現(xiàn)嚴(yán)重捏縮現(xiàn)象，零區(qū)間的滑移量繼續(xù)擴大，整體呈現(xiàn)出“Z”形。

2.2 延性分析

延性展示了某一構(gòu)件從開始屈服到遭受破壞所呈現(xiàn)出的塑性變形能力，延性系數(shù)較大的構(gòu)件擁有更強地抗震能力。為了量化評估前文所提4個試件的延性，需要界定位移延性系數(shù)概念，其算式如下：

式中，試件極限位移△u 等于試件破壞時的位移量。

通過求解出4個試件的位移延性系數(shù)，具體如表4所示。

由表4可知，構(gòu)件A1，A2的位移延性系數(shù)均在4以上，由此說明這2個構(gòu)件受低周反復(fù)荷載的影響較大，從而產(chǎn)生了延性破壞，通過構(gòu)造塑性鉸的方式可以顯著提高構(gòu)件最終破壞時的極限位移。構(gòu)件B1、B2的位移延性系數(shù)介于2.48～2.81，相較于試件A1、A2明顯更差，主要原因是由于B1，B2受荷載壓力破壞，在加載初期即已發(fā)生了局部破壞現(xiàn)象，隨著位移角的進(jìn)一步增大，試件承載力嚴(yán)重降低。

2.3 剛度退化分析

在逐步加大加載位移角的過程中，試件的損傷累積會使得試件剛度隨循環(huán)周次的增加而逐漸降低，這一現(xiàn)象稱作剛度退化，該指標(biāo)表征了反復(fù)荷載對于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件造成的累計損傷。本文采用割線剛度來量化表征各次循環(huán)時試件的剛度退化程度，算式如下：

式中：+Xi 、-Xi 分別表示第i次循環(huán)中的正、負(fù)向峰值位移；+Fi 、-Fi 分別表示第i次循環(huán)中的正、負(fù)向峰值荷載。基于試驗加載制度，4個試件在39次加載循環(huán)中的剛度如圖3所示。

從圖3可以看出，這4個構(gòu)件的剛度退化曲線存在較大相似度。在逐步增大荷載的過程中，4個構(gòu)件的剛度因混凝土裂縫、鋼材屈服等問題而同步降低。在第1～21次加載過程中，4個構(gòu)件的剛度退化曲線相對平緩，但是在第22次加載動作以后，4個構(gòu)件的剛度退化曲線變得陡峭。有所差別的是，構(gòu)件A1、A2在同一層級中的3次加載循環(huán)中的剛度退化量較小，因而剛度退化曲線呈階梯狀；而構(gòu)件B1，B2在同一層級中的3次加載循環(huán)中的剛度退化量較大，因而在整個加載過程中，試件剛度下降趨勢呈直線型，這說明試件因循環(huán)加載而受到嚴(yán)重的累計損傷，這嚴(yán)重?fù)p害了試件的結(jié)構(gòu)動力特性。

3 結(jié)語

所設(shè)計的鋼筋混凝土管架節(jié)點可滿足穩(wěn)定性要求，正向和負(fù)向加載下的屈服位移介于27～34 mm，且可通過在梁端設(shè)置狗骨而構(gòu)造塑性鉸，有效增大試件破壞時的極限位移。此外，所設(shè)計節(jié)點的剛度退化較為平穩(wěn)，可提高混凝土鋼架穩(wěn)定性。但由于條件限制，在試驗未對所設(shè)計的梁柱節(jié)點進(jìn)行抗沖擊性實驗，其穩(wěn)定性還存在進(jìn)一步驗證。

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