探究高层建筑结构边节点抗震性能

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1试验概况

1.1试验构件设计和制作

边节点试验构件取用承重框架梁柱反弯点之间的一个平面组合体，即“T字形”试件。为有效保证试件的浇筑质量和垂直度，并与工程实际相符，全部试件均采用钢模板、立模浇筑。边节点构件柱子的截面尺寸为200mm×200mm，梁的截面尺寸为150mm×250mm，纵向受力钢筋采用HRB400级，箍筋采用HPB235级。柱子的配筋率为1.13%，梁的配筋率为0.9%，所有构件配筋率和钢筋的强度相同。为防止柱头破坏，柱上、下两端箍筋加密；节点核心区按照抗震要求对箍筋进行了加密处理。本次试验共包括7根试件，详细的试验构件概况如表1所示，构件的尺寸和配筋图示，节点核心区采用柱混凝土的构件，施工缝留设在梁下部；节点核心区采用梁混凝土的构件，分别在梁上和梁下留设两道施工缝，施工缝处浇筑时间间隔为2天（48小时）。

1.2试验方法和加载装置

采用低周反复试验方法进行研究，加载制度为力—位移混合控制加载，在开始加载到构件屈服前采用力控制；构件屈服后，改用屈服位移的整数倍为级差作为回载控制点，每一位移下循环3次。在实际框架结构中，当作用水平荷载时，上柱反弯点可视为水平可移动铰，相应的下柱反弯点可视为固定铰；而节点两侧梁的反弯点可视为水平可移动铰。这样可以有两种加载方案：一种是在柱端施加水平荷载或位移，这时梁能够左右移动而上下受到约束，产生剪力和弯矩。这种边界条件比较符合实际结构中的受力状态；另一种是将柱保持垂直状态，在梁的自由端施加反复荷载或位移，此时边界条件变为上下柱反弯点为不动铰，梁反弯点为自由端。本次试验采用的是柱端加载的方式，即采用在柱顶施加轴向力和水平力的方式进行试本次试验在东北电力大学结构试验室进行，采用美国MTS公司生产的MTS液压式伺服加载系统进行试验，采用MTS动态数据采集系统进行数据采集。试验自行设计了加载装置，竖向加载装置由反力架和1000kN数控电动液压伺服作动器组成，水平加载装置由反力墙和500kN数控电动液压伺服作动器组成。试件垂直安放，为了保证柱的上、下两端为理想的球铰，在柱端设置了带有滚动轴的垫板，垫板上部为可转动的油压千斤顶，柱下端为固定铰支座；梁端由刚性连杆与地面铰支座相连，保证梁端可以水平移动但是不能垂直移动。试验加载装置示意图如图2所示。

2边节点试验结果与分析

2.1破坏现象

边节点构件BZ1为节点核心区采用梁中混凝土强度的构件，构件破坏图片如图3所示。构件初始裂缝出现在梁端第一箍筋处，正向开裂荷载为10kN；反向开裂荷载为20kN；裂缝扩展速度较快，裂缝区域主要集中在梁的端部范围内，节点核心区只有少量细小的裂缝出现，没有明显破坏。构件最后在梁端形成塑性铰，塑性铰发展充分构件BZ1的柱子和梁的实际配合比相差2个强度等级，说明当梁柱强度等级相差较小时，节点能够满足抗震设计要求。当延伸长度为0.5h时，出现裂缝的范围较小；当延伸长度为1.5h时，出现裂缝的范围较大；延伸长度为h时，裂缝的范围居两者之间；同时，只有延伸长度为0.5h时，在梁的根部出现了破坏裂缝。从开裂荷载上看，延伸长度为1.5h的构件开裂荷载最大，说明延伸长度对梁的开裂荷载有一定的影响。节点核心区均未产生明显的破坏，这是由于所有构件均采用了“强节点，弱构件”的设计原则，节点核心区的箍筋做了加密，采用了柱子的混凝土强度浇筑节点核心区；与梁和柱子相比较，节点具有更好的抵抗低周反复荷载的能力。

2.2骨架曲线和滞回曲线不同轴压比和不同延伸长度下，边节点核心区采用柱子混凝土强度的构件骨架曲线对比。轴压比越大，滞回曲线的刚度也越大。在0.3和0.5轴压比下，延伸长度对骨架曲线的形态、屈服荷载和最大荷载都没有显著影响，而延伸长度为0.5h的试件，下降段更陡峭一些。光滑；轴压比越大，滞回曲线的刚度也越大；从卸载曲线上看，主筋在节点存在一定量的滑移。其余边节点构件的滞回曲线，均呈较光滑的梭形。

2.3承载力和延性性能分析边节点构件的试验结果，延性系数取用最大位移（即构件的最大承载力对应的位移）与屈服位移的比值，屈服位移由图解法确定。从表2可以看出，在0.3轴压比下，延伸长度为1.5h时的延性性能最好，为3.26；延伸长度为h时的延性性能稍差，为3.11；延伸长度为0.5h时的延性性能最小，为2.53；延伸长度对屈服荷载和最大荷载没有显著影响。在0.5轴压比下，延伸长度为h时的构件延性性能最好，为2.73；为1.5h时的延性性能稍差，为2.41；为0.5h时的延性性能最小，为2.38。从试验结果可见，延伸长度为0.5h时，延性性能最差，随着延伸长度的增加，延性性能增大。延伸长度为1.5h时的试件最大荷载略高于其他构件，延伸长度对屈服荷载没有显著影响。从试验结果可以看出，当构件所承受的轴压比较低时，即使梁柱边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土，其承载能力仍能满足要求，但是延性性能弱于节点核心区采用柱子混凝土强度的构件。

3结论

（1）从破坏现象上看，试验构件的破坏均为梁端的受弯破坏。当构件所承受的轴压比较低时，即使边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土，其破坏形态仍为梁端受弯破坏，但是延性性能略有下降。

（2）从试验结果上看，柱子中高强混凝土在梁中的延伸长度为1.5h时的承载能力和开裂荷载最大，延伸长度对屈服荷载没有显著影响。

（3）从延性性能上看，在0.3轴压比下，延伸长度为1.5h时的延性最好，为h时的延性稍差，为0.5h时的延性最小。在0.5轴压比下，延伸长度为h时的构件延性最好，为1.5h时的延性稍差，为0.5h时的延性最小。从试验结果可见，延伸长度为0.5h时，延性性能最差，随着延伸长度的增加，延性性能增大。

作者：魏春明 马潇潇 赵星海 赵强 陈建华 单位：北电力大学建筑工程学院 东北电力大学能源与动力工程学院