新型装配式混凝土框架型钢节点试验
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摘要：针对目前装配式混凝土节点连接复杂、湿连接多等问题，设计了3类（工字型钢、双腹板工字型钢、组合角钢）6个利用型钢连接的预制装配式混凝土梁柱节点，并开展了拟静力试验研究。通过试验现象及数据分析了各节点的破坏形态、抗震性能，研究了焊接连接形式、梁截面尺寸、截面形式对型钢节点力学性能的影响。研究结果表明：预制梁型钢与梁纵筋采用搭焊或预制板塞焊对节点性能影响不大；与标准现浇混凝土节点相比，工字型钢节点极限承载力显著提高，组合角钢与之相当，双腹板工字型钢略有降低；3类型钢节点均表现出良好的延性及耗能性能，能量耗散系数比现浇标准节点提高1倍以上；3类节点不同的破坏形态验证了提出的通过有意识地弱化节点临近区域刚度而改善节点抗震性能的装配式节点设计理念。
关键词：预制装配式节点；混凝土结构；型钢连接；拟静力试验
中图分类号：TU375.4文献标志码：A
Abstract： In view of the problems of present prefabricated concrete joints such as complex connection and many wet connections， 3 types （Itype， IItype， combined angel Steel） including 6 kinds of prefabricated concrete beamcolumn joints connected by section steel were designed and quasistatic experiments were carried out. Based on the phenomenon and data of tests， the failure modes and seismic performance of joints were analyzed. The influences of welding connection type， section dimension and section shape on mechanical properties were studied. The results indicate that the influences of Prefabricatedsectionsteel and longitudinal reinforcement by lap welding or Prefabricated board plug welding on properties of joints are little. Compared with the standard castinsitu joint， the bearing capacity of the Itypejoints is much higher， and the Ltype one is similar， the IItype one is slightly lower.All the three kinds of shape steel joints present much better ductility and energy dissipation characteristics， the coefficient of energy dissipation of these joints is twice as high as the standard castinsitu joint. The failure modes of the three kinds of joints validate that the design idea is beneficial to improve the seismic performance of the jointsthrough weakening the stiffness of the adjacent area of the joint.
Key words： prefabricated joint； concrete structure； shape steel connection； quasistatic test
0引言
对于预制装配式混凝土结构体系而言，预制构件之间的连接方式是装配式混凝土结构研究的核心问题之一。历史震害（如发生于1994年的Northridge地震）资料表明，在整体倒塌的装配式建筑中，预制梁柱构件破坏较轻，而主要的倒塌原因是框架结构内各个构件间的连接破坏[14]。因此，预制构件的节点是装配式结构的薄弱环节，也是装配式结构抗震研究的重点及结构整体抗震研究的前提和基础。一般而言，装配式混凝土结构预制构件连接大体可以分为干连接和湿连接2种[5]。为了保证装配式建筑的整体性，目前预制构件的连接方式主要采用湿连接[6]，即在构件连接时在节点连接处浇筑混凝土或水泥浆与其锚固，形成了多种节点类型[7]。干连接即干作业的连接方式，连接时不浇筑混凝土，而是通过在连接的构件内植入钢板或其他钢部件，通过螺栓连接或焊接以达到连接的目的，应用相对较少[7]。对于装配式建筑，不仅需要考虑装配式建筑节点的安全性和可靠性，也同时需要考虑建造的便利性。基于此认识，研发高效便捷的干连接节点具有重要意义，而发展型钢混凝土（SRC）节点是一条有利的途径。历史上各国很多学者对型钢混凝土节点做了多方面的研究[812]，一些学者提出了混凝土柱与含部分型钢混凝土梁结合的装配式节点并进行了试验研究[1315]。遗憾的是以前研究采用的型钢节点连接方式是焊接，难以真正改善装配便利性。因此，本文采用将型钢植入混凝土梁端，研发基于螺栓连接方式的3类预制装配式混凝土结构新型梁柱节点。为了考察这些节点的力学特征、抗震性能，进行拟静力试验研究，根据试件破坏形态、极限承载力及滞回曲线等，对各类节点进行比较分析，并优选出适合进一步推广应用及深入研究的节点类型。
1试验梁柱节点
本文试验共对1个标准现浇节点和6个新型装配式混凝土节点进行拟静力试验研究，并通过与现浇节点对比，研究了各类装配式节点的力学特征。本文试验构件尺寸、现浇柱及预制梁配筋如图1所示。在6种装配式节点构件中，预制梁有2种截面，分别为250 mm×400 mm，250 mm×550 mm。梁截面250 mm ×400 mm的箍筋为8@100/200（2），钢筋为320；截面250 mm ×550 mm的箍筋为8@100/200（2），钢筋为322。试验构件中，柱和梁纵筋均为HRB400，箍筋为HPB300。混凝土保护层厚度为25 mm。根据材性试验结果，混凝土等级为C40，标准养护条件下3组150 mm×150 mm×150 mm立方体混凝土试块强度平均值为50.1 MPa。3组直径20 mm的HRB400钢筋屈服强度平均值为394 MPa，极限强度平均值为515 MPa，直径8 mm的HPB300钢筋屈服强度平均值为283 MPa，极限强度平均值为433 MPa。预制梁端及现浇柱预埋型钢均为Q235B，型钢连接为高强螺栓M16。
本文试验各装配式节点试件按梁柱节点预埋钢骨分为3种类型，分别为工字型钢、组合角钢和双腹板工字型钢。装配式节点具体连接形式以及型钢与预制梁连接方式见表1及图2～4。2节点拟静力试验方案
本文试验对上述3类6个装配式梁柱节点及1个标准现浇节点进行拟静力试验研究，模拟在地震等水复荷载作用下节点的受力性能，通过与标准现浇节点对比分析，以把握装配式混凝土梁柱节点的力学特征以及该类节点在地震作用下的抗震性能。
2.1加载装置
2.2加载方案
本文试验采用力和位移联合控制方式加载，加载过程分为预加载、荷载控制及位移控制3个阶段。荷载控制阶段预先加载1次10 kN的循环，以检查设备和加载装置工作情况，此后进行1次0.5Py（Py为纵筋屈服荷载，约35 kN）的循环。根据标准现浇节点试验结果，梁端加载点纵筋屈服位移Δy约为30 mm，故在位移加载阶段，以μ=Δ/Δy=1，2，3（Δ为加载位移）进行低周反复加载，每级加载进行3次反复循环（图6，其中P为荷载）。
J0节点J1（I400D）和节点J2（I400S）呈现出相同的破坏形态，即进行位移加载时，核心区出现沿对角方向的主斜裂缝，裂缝随着加载位移的增大而逐渐扩展，当位移加载到90 mm时，裂缝扩展至梁柱连接处的梁端，此处及型钢连接处部分混凝土脱落，最终核心区混凝土发生剪切破坏（图8，9）。对于节点J3（I550D），主要破坏区域集中在梁柱节点核心区，当位移加载到90 mm时，核心区靠梁侧的斜裂缝明显变宽、延长并连通，在反复荷载作用下，最终核心区靠侧梁的混凝土继续发生破坏脱落，荷载峰值略有降低，除梁后浇段弯裂缝和核心区斜裂缝外，其余部位裂缝均已停止发展且基本闭合（图10）。
呈现出相类似的破坏形态，即节点的开裂首先出现在梁端，并随着加载位移的增大，裂缝逐渐扩展，最后在梁柱节点连接处混凝土脱落，核心区仅出现少量斜裂缝。对于节点J4（L400S），当位移加载到90 mm时，荷载随着位移增加而提高的趋势明显变缓，因拼装区发生受弯破坏，承载力相对较低，但保护层厚度不大，故承载力下降不明显。节点最后为梁端弯曲破坏，节点核心区只产生了少量斜裂缝（图11）。对于节点J5（II400D）和节点J6（II400S），当位移加载到90 mm时，荷载降低到最大承载力的85%以下，在距西侧梁根部850 mm的截面弯剪斜裂缝明显，而核心区裂缝基本闭合。节点最后破坏为拼装处型钢翼缘钢板外侧混凝土脱落，节点核心区只存在少量斜裂缝（图12，13）。
在对6个装配式节点试件的拟静力试验过程中，记录了包括节点受弯开裂荷载、核心区斜裂缝开裂荷载、极限承载力以及主要破坏形态等宏观试验结果，见表2。
根据各节点在不同破坏阶段的力学特征和最终破坏形态并结合各节点试验过程中的现象，分别对型钢连接类型、梁截面高度、滞回曲线特征、极限承载力及最终破坏形态等进行对比分析，研究不同节点类型的力学性能。
4.1型钢与梁纵筋连接方式影响
对于节点J1（I400D）和节点J2（I400S），除了预制梁端型钢与梁纵筋的连接方式不同外，其他构造均相同。节点J1梁端与型钢的连接采用梁纵筋直接搭焊到工字型钢上翼缘板，而节点J2则通过将梁纵筋与预埋钢板塞焊连接。试验结果表明，除了试验过程中初始裂缝出现区域及裂缝前期扩展方式有所差异外，两试件无论是在最终的破坏形态、极限承载力，还是在滞回曲线上，差异并不明显。同样，对于节点J5（II400D）和节点J6（II400S），也存在相同的特征。
由此可见，无论采用何种梁端连接方式，只要保证施工质量，均能保证梁端良好的连接性能。相比而言，梁纵筋直接搭焊施工简单，用材少，更具有推广应用价值。
4.2梁截面高度的影响
预制节点J3（I550D）采用与节点J1，J2相同的工字型钢连接，并在型钢上下翼缘增加栓钉，同时梁截面高度增加到550 mm。由表2和图10可见，由于梁截面高度的增加，梁刚度明显增大，节点的极限承载力有所增加，并且试验过程中，梁柱节点核心区呈现剪切破坏。尽管节点J3的梁截面高度明显大于节点J1，J2，但承载力提高不到10%，因此，通过增大截面高度的方式提高节点承载力的意义不大。
4.3滞回曲线
滞回曲线即一个构件在往复荷载作用下的荷载位移曲线，是评价该构件抗震性能的重要指标，它不仅能描述出构件在往复荷载作用下的力位移路径，也能反映出该构件的耗能特征。图14为本文试验7个试件的滞回曲线。
4.4耗能性能分析
取最大位移幅值第1次循环时的荷载位移曲线进行分析，由此计算各节点对应的耗能系数，具体数据见表3。由表3可知，节点J1～J6的能量耗散系数E均远大于标准现浇节点能量耗散系数E0。由此可见，本文提出的型钢节点耗能性能优于传统的钢筋混凝土节点，有利于节点抗震设计。
4.5各阶段破坏形态分析
4.6极限承载力分析
由表2可知：装配式节点J1～J3的极限承载力明显大于现浇标准节点，其中节点J1，J2的承载力增长超过30%，节点J3承载力增长最大值超过40%，说明梁柱节点处采用工字型钢代替钢筋能够显著提高节点的极限承载力；节点J4的极限承载力与标准现浇节点相当，说明采用角钢构架连接梁柱节点至少在极限承载力上能够达到与标准现浇节点相当的效果；节点J5，J6的极限承载力在拉、压2个阶段表现出明显的差异，受拉极限承载力略低于现浇节点，而受压极限承载力则有明显下降，最大降幅达30%。
当加载过程中位移值达90 mm时，由节点J1～J3的荷载位移滞回曲线可知：各节点均基本达到最大承载力，因发生核心区混凝土剪切破坏，承载力相对较高；节点J4，J5，J6滞回曲线滑移段更长，因拼装区发生受压破坏，承载力相对较低，荷载均降低到最大承载力的85%以下。5结语
（1）本文采用的2种预制梁端型钢与梁纵筋连接方式（搭焊和预制板塞焊）对节点性能影响不大，相比而言，搭焊施工更为简单，更节省材料。试验结果表明，通过增大梁截面高度的方式来改进节点的力学性能十分有限。
（2）400（500） mm高工字型钢节点（J1，J2，J3）破坏形态为核心区混凝土（靠近梁端）因缺少有效约束而发生的剪切破坏，这对结构整体抗震十分不利。由于此类节点的极限承载力有明显提高，可考虑通过调整型钢刚度改善节点性能。
（3）400 mm高双腹板工字型钢节点（J5，J6）破坏形态均为拼装处型钢翼缘钢板与其外侧混凝土发生粘结和受压破坏而脱落，承载力有所下降，为标准现浇节点的80%左右。由于考虑到此类节点破坏形态主要发生在梁端，对节点抗震有利，因此，节点有改进及应用价值。
（4）组合角钢连接节点（J4）的破坏主要发生在梁端，滞回曲线较为饱满，并且承载力降低不明显，是十分具有深入研究和应用价值的节点类型。
（5）通过比较研究各节点的耗能性能可以发现，预制装配式型钢节点耗能系数明显大于标准现浇节点，有效展示了通过有意识地弱化节点邻近区域刚度而改善节点抗震性能的装配式节点设计理念。
（6）在本文试验的6个装配式节点中，节点J1，J4，J5更具有进一步深入研究和推广应用潜力，只需在其基础上进一步优化设计即可形成安全、经济、适用的新型装配式节点。
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