半刚性节点框架PEC柱在重复地震作用下的抗震性能试验研究

摘要： 实际震害中孤立型地震发生概率较低，主震发生后大部分伴随多次余震。考虑框架屈服顺序依次为梁翼缘、柱、节点角钢，设计制作3榀半刚性节点PEC柱-型钢梁框架，完成首次低周往复荷载试验，研究其抗震性能。对满足“强节点、弱构件”的KJ-3框架拆除钢梁后的两根PEC柱进行第2次低周往复荷载试验，展开PEC柱在重复地震作用下的抗震性能对比分析。试验结果表明：梁柱节点增设腹板连接角钢时，梁截面充分参与传力，可改善结构整体工作性能。PEC柱在经历重复地震作用时，承载能力有一定程度降低，但强度退化稳定，耗能性能良好，破坏层间位移角均大于“大震不倒”弹塑性层间位移角限值1/50的要求。研究成果可为梁柱半刚性节点性能优化及PEC组合柱的应用提供试验依据。

关键词： 半刚性节点；强节点弱构件；PEC柱；重复地震作用；低周往复加载试验；抗震性能

Abstract： The probability of isolated earthquakes in actual damage is lower， and most of the aftershocks are accompanied by multiple aftershocks. In this paper， considering that the yield compliance of the frame is the beam flange， column， and joint angle in sequence， a PEC column-section steel beam frame with three semi-rigid joints is designed and manufactured， and the first low-cycle reversed load test is conducted to study the seismic performance. The second low-cycle reversed load test is carried out on the second PEC columns after the steel beams are removed from the KJ-3 frame meeting the requirements of "strong joint weak component"， and the seismic performance comparison analysis of the PEC columns under the action of complex earthquakes is carried out. Experimental results indicate that adding web plate connection angle steel and beam cross-section to participate in transmission force can improve the overall performance of the structure to achieve the "strong joint weak component" seismic design goal. The PEC column experiences repeated seismic effect， the carrying capacity and initial stiffness are reduced， but the strength degradation is stable， and the energy dissipation performance is good， the damage between the inter-story drift is greater than the 1/50 limit of the elastic-plastic inter-story drift limit when "large earthquake does not fall." After repeated earthquakes， it still has good seismic performance. The research results can provide the experimental basis for the performance optimization of beam-column semi-rigid joints and the application of PEC composite columns.

Keywords： semi-rigid joint；strong joint weak component；PEC column；repeated earthquake action；low-cyclic reversed loading test；seismic performance

PEC（partially encased composite）柱指在H形钢翼缘间焊接横向系杆或抗剪件，并浇筑混凝土形成的构件，其预制化程度较高且具备良好的抗震性能，适合在预制装配式多、高层建筑结构中推广使用 ^[1] 。BRACONI等 ^[2-3] 关于PEC柱-型钢梁框架抗震性能的研究结果表明，试件强度退化稳定，延性性能优势明显。PEREIRA等 ^[4] 、JAMKHANEH等 ^[5] 针对单H形钢、正交H形钢PEC柱进行了压弯、压弯扭试验，研究了轴压比、截面形式等参数对试件破坏形态、延性及耗能能力等抗震性能指标的影响。CHEN等 ^[6] 、宋世明等 ^[7] 、方有珍等 ^[8-9] 研究团队对不同变量参数下的PEC柱抗震性能进行了大量研究，结果表明：1）PEC柱在单、双向压弯时具备较高的承载能力及抗弯刚度，延性及耗能性能良好。2）试件绕强轴受弯时，具有较好的变形能力和耗能能力；绕弱轴受弯时滞回曲线呈弓形，有一定的“捏缩”现象；设置横向系杆对混凝土的约束作用提高，试件承载力增加。3）浇筑高强混凝土PEC柱具备良好的抗震性能，降低混凝土工作系数对PEC柱的延性提升较为明显，混凝土工作系数达到一定数值后，对构件承载能力提升作用不突出等。

目前，国内外学者只考虑单一地震作用下的PEC柱抗震性能，而实际震害表明，孤立型地震发生概率较低，主震发生后大部分伴随多次余震，关于PEC柱在重复地震作用下的抗震性能研究还未见报道。本文拟从结构和构件两个层次，分别进行低周往复荷载试验。在PEC柱-型钢梁框节点连接设计时，依据欧洲规范 ^[10] 对半刚性节点分类标准，结合赵根田等 ^[11-12] 研究成果选用梁柱节点角钢半刚性连接，并考虑框架屈服顺序依次为梁翼缘、柱、节点角钢，设计制作3榀PEC柱-型钢梁框架，完成首次低周往复荷载试验，确定满足“强节点、弱构件”的半刚性节点连接要求。对满足“强节点、弱构件”的1榀PEC柱-钢梁框架拆除钢梁后的两根PEC柱进行第2次低周往复荷载试验，展开PEC柱在重复地震作用下抗震性能对比分析，以“大震不倒”弹塑性层间位移角限值为衡量标准，评价PEC柱在重复地震作用下的抗倒塌性能。本文研究成果可为梁柱半刚性节点性能优化及PEC组合柱的应用提供试验依据。

1　试验概况

1.1　试件设计

试件选自典型的钢框架结构底层，按1∶3比例制作试验模型，编号分别为KJ-1、KJ-2、KJ-3。梁柱节点采用角钢进行连接，连接螺栓为10.9级M20高强度螺栓，系杆采用8@100的HRB335钢筋，试件钢材牌号均为Q235B，PEC柱采用焊接H形截面，钢梁采用窄翼缘H形钢。试件设计与制作如图1所示，基本参数如表1所示。取自试件KJ-3拆除钢梁后的两根PEC柱子编号分别为PEC-1、PEC-2。试件钢材材性实测值如表2所示。系杆用8钢筋，屈服强度、抗拉强度、弹性模量及伸长率实测结果分别为385MPa、535MPa、2.00×10 ⁵ MPa和22.5%。混凝土立方体抗压强度实测平均值为30.5MPa。

图 1  试件设计与制作（单位：mm）

Fig. 1  Design and fabrication of specimens（Unit：mm）

1.2　加载装置及加载制度

1.2.1　加载装置

试件KJ-1、KJ-2、KJ-3及PEC-1、PEC-2试验加载装置如图2所示。水平荷载作用点位于距试件底部1,100mm处。为防止试件发生平面外侧移，在柱两侧布置了侧向支撑，同时用地脚螺栓和压梁对地梁加以固定。

图2　试验加载装置

Fig.2　Test loading setup

1.2.2　加载方案

采用竖向作动器在柱顶施加恒定竖向荷载至设计值，而后用水平作动器在柱顶施加往复荷载用以模拟地震作用。试件KJ-1、KJ-2、KJ-3采用荷载-位移双控制的加载方法进行水平方向往复加载，试件弹性阶段用荷载控制，每级荷载20kN循环1次；当滞回曲线出现明显拐点后以0.25倍屈服位移作为级差进行位移控制加载，每级循环3次。试件PEC-1、PEC-2在进行第2次低周往复荷载试验时，考虑到人为因素对屈服荷载值的影响，并获取试件在经历变幅大级差多次循环往复荷载后的承载力、耗能等变化情况，试验过程采用变幅位移控制加载方法，具体加载方案如表3所示，控制位移角θ及对应控制位移如表4所示，试验规定推向、拉向加载分别为正向和负向。达到下列条件之一时结束试验：1）节点核心区域的混凝土严重破坏或梁翼缘腹板严重屈曲；2）试件试验位移角达到1/15；3）试验承载力下降到最大承载力的85%以下。

1.3　测点布置

为获取试件KJ-1、KJ-2、KJ-3、PEC-1、PEC-2在低周往复荷载作用下的基础信息，得到试件的荷载-位移曲线等数据并展开抗震性能方面的分析，试件测点的具体布置如图3所示。

图3　测点布置

Fig.3　Layout of measuring points

2　试验现象分析

（1）本次试验3榀PEC柱-型钢梁框架破坏形态表现为两种：试件KJ-1及KJ-2柱根部混凝土存在斜裂缝及轻微脱落现象，两侧梁端翼缘存在轻微屈曲，上翼缘连接角钢圆角处完全断裂；试件KJ-3两侧梁端翼缘严重屈曲，形成梁端塑性铰区，在梁端形成塑性铰区前，上翼缘连接角钢存在微裂纹，未产生断裂裂缝。对比分析可知：试件KJ-1及KJ-2在低周往复荷载作用下，主要通过节点连接角钢转动来实现耗能，梁端未形成明显的塑性铰区，耗能贡献较少；而试件KJ-3节点连接方式合理地利用了节点转动刚度，优化了荷载作用下结构的弯矩分布，使梁截面形成塑性铰区充分发挥其耗能作用，实现了“强节点、弱构件”的抗震设计目标。

以试件KJ-1为例进行试验现象描述：试件柱顶位移加载至1.25Δ _y 第2次推时，加载侧的上角钢圆角处与柱翼缘脱离，出现约3mm空隙；加载至2.5Δ _y 第1次推时，柱脚加劲肋上方300mm处出现斜裂缝；加载至3.0Δ _y 第1次推时，加载侧梁翼缘出现屈曲，非加载侧的柱脚混凝土出现轻微脱落；当加载至3.25Δ _y 时加载侧上角钢出现裂缝并迅速贯通。试件KJ-1、KJ-2及试件KJ3试验现象分别如图4~图6所示。

图4　试件KJ-1破坏形态

Fig.4　Failure modes of specimen KJ-1

图5　试件KJ-2破坏形态

Fig.5　Failure modes of specimen KJ-2

图6　试件KJ-3破坏形态

Fig.6　Failure modes of specimen KJ-3

（2）取自试件KJ-3的两根PEC柱（试件PEC-1、PEC-2）破坏形态大体一致，均表现为混凝土开裂并大块脱落，柱根钢翼缘屈曲，部分系杆断裂。

以试件PEC-1为例进行试验现象描述：位移角增加至1/200第5次循环时，加劲肋上方200mm处出现细微斜裂缝；位移角增至1/50时，两侧裂缝延伸并且相连，贯穿整个截面；位移角增至1/30时，加劲肋附近混凝土鼓起，有脱落迹象；位移角增至1/20时，加劲肋上方200mm处混凝土大块脱落；位移角增至1/15时，加劲肋附近至上方200mm处的系杆断裂。试件PEC-1及PEC-2试验现象分别如图7、图8所示。

图7　试件PEC-1破坏形态

Fig.7　Failure modes of specimen PEC-1

图8　试件PEC-2破坏形态

Fig.8　Failure modes of specimen PEC-2

3　试验结果及分析

3.1　试件荷载-位移曲线及骨架曲线

位移控制加载方式的试件PEC-1、PEC-2，采用R.Park法确定其屈服位移及屈服荷载，如图9所示，C点对应的荷载与位移即为屈服荷载与屈服位移。

图9　屈服点计算简图

Fig.9　Calculation diagram of yield points

试件KJ-1、KJ-2、KJ-3及试件PEC-1、PEC-2的柱顶荷载-位移曲线及骨架曲线分别如图10~图12所示。试件各特征点试验结果如表5所示。

（1）试件KJ-1、KJ-2、KJ-3加载侧柱顶荷载-位移曲线呈对称饱满的梭形；非加载侧则随着荷载的增加，由于连接角钢刚度不足，导致其在循环加载过程中不断累积变形而断裂，失去对梁的有效约束，在拉荷载时无法有效传递拉力，致使非加载侧荷载-位移曲线出现不对称性。

（2）比较图10a）、b）、c）可知，随着翼缘连接角钢厚度的增加，结构整体工作性能变化不大，而增设腹板连接角钢后，结构整体工作性能显著提升。表明半刚性角钢连接梁柱节点宜通过增设腹板连接角钢，使其对梁产生有效约束，梁端形成塑性铰区，充分耗散能量。

（3）由图10d）、e）可知，试件的滞回曲线基本呈对称饱满的梭形，具有良好的塑性变形及耗能能力。试件破坏前无明显捏拢现象，试验过程中无明显黏结裂缝出现，表明型钢与混凝土间整体工作性能较好。

（4）由图11及表5可知，单纯提高连接角钢厚度并不能有效提高结构承载力，对结构初始刚度影响也不大，而增设腹板连接角钢后，结构承载力、初始刚度均得到一定程度的提升。

（5）取试件KJ-3各特征点荷载的一半与试件PEC-1、PEC-2进行比较，由图10d）、e）及图12、表5可知，PEC柱在经历两次低周往复荷载作用后，高轴压比试件PEC-2受重力二阶效应影响，达到峰值荷载后试件承载力衰减更明显，且达到破坏时循环次数较少。承载力均有一定程度降低。试件PEC-1屈服荷载、极限荷载分别降低38.1%、20.0%，试件PEC-2屈服荷载、极限荷载分别降低29.7%、8.4%，表明PEC柱在首次低周往复荷载作用下存在一定的损伤，在经历两次地震作用后仍具备稳定的承载力。

图10　试件荷载-位移曲线

Fig.10　Load-displacement curves of specimens

图11　试件KJ-1、KJ-2、KJ-3骨架曲线

Fig.11　Skeleton curves of specimens KJ-1，KJ-2，KJ-3

图12　试件KJ-3*、PEC-1、PEC-2骨架曲线

Fig.12　Skeleton curves of specimens KJ-3*，PEC-1，PEC-2

3.2　半刚性节点转角及初始转动刚度分析

试件整体延性可通过节点转角测量结果来衡量，百分表D5、D6分别测量加载端顶、底角钢转角，百分表D7、D8分别测量非加载端顶、底角钢转角，依据弯矩-转角结果计算得到节点初始转动刚度。试件各荷载特征点对应节点转角试验结果如表6所示，试件节点初始转动刚度试验结果如表7所示。

（1）由表6可知，试件KJ-1、KJ-2、KJ-3节点转角均大于0.03，表明节点均具备良好的延性。随着连接角钢肢厚度的增加，节点转角最大值有所降低，腹板增加连接角钢后，试件KJ-3节点转角最小，充分体现了腹板角钢的约束作用。

（2）对表7分析可知，试件KJ-1、KJ-2、KJ-3的节点初始转动刚度满足0.5i<K ₀ <25i，符合赵根田等 ^[11] 对框架梁柱节点关于半刚性节点分类标准要求。

3.3  构件应变分析

各试件控制截面的荷载-应变曲线如图13所示。

图13　试件荷载-应变曲线

Fig.13　Load-strain curves of specimens

通过分析可知：

（1）试验初期荷载-应变曲线基本呈线性关系增长；随着试验荷载的不断增加，试件KJ-1、KJ-2、KJ-3的屈服顺序基本为：梁翼缘→柱→节点连接角钢。

（2）试件KJ-1、KJ-2、KJ-3破坏荷载时，柱脚极限应变分别为4,604με、5,369με、5,821με，表明试件破坏时，柱脚翼缘已屈服进入弹塑性工作阶段。

（3）试件KJ-1、KJ-2由于连接角钢刚度有所不足，自身应变发展速率较快，梁端塑性发展不充分。

3.4　延性性能

本次试验试件KJ-3及试件PEC-1、PEC-2的层间位移角及位移延性系数如表8所示。

通过分析可知：

（1）试件KJ-3的破坏层间位移角取值范围在1/36~1/41，位移延性系数为3.20，表明框架试件具备良好的变形能力，抗震性能优越。

（2）取自试件KJ-3的试件PEC-1、PEC-2破坏层间位移角取值范围在1/15~1/30，均大于“大震不倒”时的弹塑性层间位移角限值1/50的要求，位移延性系数取值在5.16~5.77之间，说明PEC柱在重复地震作用后仍具备较强的抗倒塌能力。

3.5　耗能性能

试件等效黏滞阻尼系数如表9所示，屈服荷载、峰值荷载和破坏荷载时，等效黏滞阻尼系数分别用h _ey 、h _eu 、h _em 表示。由表9可知，等效黏滞阻尼系数位于0.46~0.50之间，耗能能力良好。框架试件KJ-3及拆除其钢梁后的柱试件PEC-1、PEC-2，各阶段等效黏滞阻尼系数h _e 大体相等，PEC柱在经历重复地震作用时仍具备与原有结构相近的抗震耗能能力。

3.6　强度退化

试件KJ-3及试件PEC-1、PEC-2强度退化情况如图14所示。随着试验加载位移的增加，强度退化存在逐渐加重的趋势。但总体而言，试件强度退化系数均大于0.95，表明PEC柱在经历重复地震作用后仍具备稳定的承载力；轴压比变化及等幅阶段多次循环对试件的强度退化影响不大。

图14　强度退化

Fig.14　Strength degradation

4　结  论

（1）在低周往复荷载作用下，试件KJ-1、KJ-2、KJ-3加载侧柱顶荷载-位移曲线呈对称饱满的梭形。试件KJ-1、KJ-2主要通过节点连接角钢转动来实现耗能，梁端未形成明显的塑性铰区，耗能贡献较少；试件KJ-3增设腹板连接角钢后，结构整体工作性能显著提升，梁端形成塑性铰区，充分耗散能量，可实现“强节点、弱构件”的抗震设计目标。

（2）单纯提高连接角钢厚度并不能有效提高结构的承载力，对结构初始刚度影响不大；而增设腹板连接角钢后，结构承载力、初始刚度均得到一定程度的提升，工程设计时建议增设腹板连接角钢。

（3）与KJ-3*相比，试件PEC-1屈服荷载、极限荷载分别降低38.1%、20.0%；试件PEC-2屈服荷载、极限荷载分别降低29.7%、8.4%，主要原因为PEC柱在经历首次低周往复荷载作用时，试件已进入弹塑性工作阶段，形成一定程度的损伤所致。

（4）取至KJ-3的试件PEC-1、PEC-2强度退化稳定、延性及耗能性能良好，破坏层间位移角均大于“大震不倒”弹塑性层间位移角限值1/50，在经历重复地震作用后PEC柱仍具备良好的抗震性能。

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