型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能的多維度試驗與分析一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，土地資源愈發(fā)緊張，為滿足城市發(fā)展對空間的需求，高層建筑如雨后春筍般拔地而起。在高層建筑的發(fā)展歷程中，結(jié)構(gòu)形式不斷創(chuàng)新與演變，從最初簡單的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，逐漸發(fā)展到如今多樣化的結(jié)構(gòu)體系。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，作為一種融合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)點的新型結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)運而生。它不僅具有鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快的特點，還具備混凝土結(jié)構(gòu)剛度大、防火性能好、造價相對較低的優(yōu)勢，在高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)更是發(fā)揮著不可或缺的作用。在高層建筑中，由于建筑功能的多樣化需求，常常需要在不同樓層設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)布置，以滿足商業(yè)、辦公、居住等多種功能。例如，在底部樓層可能需要大空間來設(shè)置商場、停車場等，而上部樓層則采用小柱網(wǎng)來布置住宅或辦公空間。這種功能需求的差異導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)豎向布置的不連續(xù)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)便成為了解決這一問題的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)上下不同結(jié)構(gòu)形式的過渡，將上部樓層的荷載安全、有效地傳遞到下部結(jié)構(gòu)，保證整個建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。而轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點作為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的部位，其受力狀態(tài)極為復(fù)雜，不僅承受著巨大的豎向荷載，還需抵抗水平地震作用和風(fēng)力等水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力。在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時，轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點一旦發(fā)生破壞，可能會引發(fā)整個結(jié)構(gòu)的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在歷次地震災(zāi)害中，許多高層建筑的破壞都與結(jié)構(gòu)節(jié)點的失效密切相關(guān)。例如，在1995年的日本阪神大地震中，大量建筑的梁柱節(jié)點發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力急劇下降，許多建筑瞬間倒塌，造成了巨大的災(zāi)難。又如，2008年我國汶川地震中，部分高層建筑由于轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能不足，在地震作用下出現(xiàn)了節(jié)點核心區(qū)混凝土開裂、鋼筋屈服、型鋼局部失穩(wěn)等破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到了人們的生命安全。這些慘痛的教訓(xùn)充分說明了研究轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能的緊迫性和重要性。從理論研究角度來看，盡管目前國內(nèi)外學(xué)者對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，但針對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能的研究仍存在諸多不足。現(xiàn)有的研究成果在節(jié)點的受力機(jī)理、破壞模式、抗震設(shè)計方法等方面尚未形成統(tǒng)一、完善的理論體系。不同學(xué)者的研究結(jié)論之間存在一定的差異，一些關(guān)鍵問題如節(jié)點核心區(qū)的抗剪性能、型鋼與混凝土的協(xié)同工作機(jī)制、節(jié)點在復(fù)雜荷載作用下的非線性行為等，仍有待進(jìn)一步深入研究和探討。這使得在實際工程設(shè)計中，缺乏足夠可靠的理論依據(jù)來指導(dǎo)轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的設(shè)計，設(shè)計師往往只能憑借經(jīng)驗和參考有限的規(guī)范條文進(jìn)行設(shè)計，存在一定的安全隱患。在實際工程應(yīng)用中，隨著建筑高度的不斷增加和結(jié)構(gòu)形式的日益復(fù)雜，對轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的設(shè)計方法和構(gòu)造措施已難以滿足現(xiàn)代高層建筑對安全性、可靠性和耐久性的要求。例如，在一些超高層建筑中，轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點需要承受更大的荷載和更復(fù)雜的內(nèi)力組合，如何確保節(jié)點在這種極端條件下仍能保持良好的抗震性能，是工程界面臨的一個重大挑戰(zhàn)。因此，開展型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能的試驗研究，深入了解其受力特性和破壞機(jī)制，對于完善理論研究、指導(dǎo)工程設(shè)計、提高高層建筑的抗震能力具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。通過本研究，有望為型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的設(shè)計提供更加科學(xué)、合理的依據(jù)，推動高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提升，為保障人民生命財產(chǎn)安全和促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀型鋼混凝土結(jié)構(gòu)作為一種高效的組合結(jié)構(gòu)形式，在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，國內(nèi)外學(xué)者對其轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能開展了大量研究。在國外，美國、日本等地震頻發(fā)國家對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究起步較早。美國從20世紀(jì)初就開始關(guān)注型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，在理論研究方面，通過大量試驗和理論分析，建立了較為完善的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和規(guī)范體系。例如，美國混凝土協(xié)會（ACI）制定的相關(guān)規(guī)范對型鋼混凝土構(gòu)件的設(shè)計方法、材料性能、構(gòu)造要求等做出了詳細(xì)規(guī)定，為工程實踐提供了重要依據(jù)。日本在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)研究方面也取得了豐碩成果，尤其是在抗震性能研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。1995年阪神大地震后，日本對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了深入反思和研究，開展了一系列關(guān)于型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能的試驗研究。通過對不同節(jié)點形式、不同構(gòu)造措施的節(jié)點進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗，詳細(xì)分析了節(jié)點的破壞模式、承載能力、滯回性能等指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，合理的節(jié)點構(gòu)造和配筋設(shè)計能夠有效提高節(jié)點的抗震性能，如在節(jié)點核心區(qū)配置足夠的箍筋和栓釘，可以增強(qiáng)型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力，提高節(jié)點的抗剪能力。在國內(nèi)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的研究始于20世紀(jì)50年代，隨著高層建筑的不斷發(fā)展，對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能的研究逐漸深入。早期的研究主要集中在對國外理論和技術(shù)的引進(jìn)與消化吸收，近年來，國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域開展了大量自主研究。在試驗研究方面，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)針對不同類型的型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點進(jìn)行了試驗。例如，清華大學(xué)通過足尺模型試驗，研究了不同軸壓比、配箍率等參數(shù)對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能的影響。試驗結(jié)果表明，軸壓比的增加會降低節(jié)點的延性和耗能能力，而適當(dāng)提高配箍率可以有效改善節(jié)點的抗震性能。同濟(jì)大學(xué)開展了一系列關(guān)于型鋼混凝土異形柱框架節(jié)點的抗震性能試驗研究，分析了異形柱節(jié)點在復(fù)雜受力狀態(tài)下的破壞機(jī)理和抗震性能指標(biāo)，為異形柱框架結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用提供了理論支持。在數(shù)值模擬方面，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析軟件在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)研究中得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者利用ANSYS、ABAQUS等有限元軟件對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過建立合理的有限元模型，模擬節(jié)點在不同荷載工況下的受力性能和破壞過程。與試驗結(jié)果相比，有限元模擬能夠更直觀地展示節(jié)點內(nèi)部的應(yīng)力分布和變形情況，為深入研究節(jié)點的受力機(jī)理提供了有力手段。例如，有學(xué)者利用ABAQUS軟件對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點進(jìn)行模擬，通過對比模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)，驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并進(jìn)一步分析了節(jié)點在地震作用下的非線性行為。盡管國內(nèi)外在型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點抗震性能研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。首先，目前的研究主要集中在常規(guī)節(jié)點形式和單一工況下的性能研究，對于復(fù)雜節(jié)點形式和多種荷載組合作用下的節(jié)點抗震性能研究相對較少。在實際工程中，轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點往往承受著復(fù)雜的荷載作用，如豎向荷載、水平地震作用、風(fēng)荷載等，多種荷載的耦合作用可能會導(dǎo)致節(jié)點的受力性能發(fā)生變化，現(xiàn)有研究成果難以全面指導(dǎo)工程設(shè)計。其次，型鋼與混凝土之間的協(xié)同工作機(jī)理尚未完全明確。雖然大量試驗和研究表明型鋼與混凝土能夠協(xié)同工作，但在節(jié)點受力過程中，兩者之間的粘結(jié)滑移規(guī)律、應(yīng)力傳遞機(jī)制等仍存在一些爭議，這給節(jié)點的精確設(shè)計帶來了困難。此外，不同國家和地區(qū)的規(guī)范在型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和構(gòu)造要求上存在一定差異，缺乏統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上限制了型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在國際工程中的應(yīng)用和推廣。1.3研究內(nèi)容與方法為深入探究型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能，本研究將綜合運用試驗研究和數(shù)值模擬兩種方法，全面分析節(jié)點在不同工況下的力學(xué)性能和破壞機(jī)制。在試驗研究方面，將設(shè)計并制作一系列型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點試件。試件設(shè)計遵循相似性原理，充分考慮實際工程中的結(jié)構(gòu)尺寸、荷載工況以及材料特性等因素，以確保試驗結(jié)果能夠真實反映實際結(jié)構(gòu)的性能。通過對試件施加低周反復(fù)荷載，模擬地震作用下節(jié)點的受力狀態(tài)。在加載過程中，運用高精度的測量儀器，如位移計、應(yīng)變片等，實時監(jiān)測節(jié)點的位移、應(yīng)變、裂縫開展等數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄節(jié)點從彈性階段到彈塑性階段直至破壞的全過程，分析節(jié)點的破壞模式、承載能力、剛度退化、滯回特性、延性及耗能能力等抗震性能指標(biāo)。在數(shù)值模擬方面，選用國際上廣泛應(yīng)用且功能強(qiáng)大的有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行模擬分析。ABAQUS具有豐富的材料模型庫和強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)行為。在建立有限元模型時，對型鋼、混凝土、鋼筋等材料分別選用合適的本構(gòu)模型，考慮材料的非線性特性和幾何非線性因素。同時，合理設(shè)置模型的邊界條件和加載方式，使其與試驗工況保持一致。通過數(shù)值模擬，不僅可以得到與試驗結(jié)果相互驗證的數(shù)據(jù)，還能深入分析節(jié)點內(nèi)部的應(yīng)力分布、應(yīng)變發(fā)展以及型鋼與混凝土之間的相互作用機(jī)理，進(jìn)一步揭示節(jié)點的抗震性能本質(zhì)。本研究通過試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，能夠從不同角度全面、深入地研究型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能，為實際工程設(shè)計提供科學(xué)、可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點概述2.1節(jié)點構(gòu)造形式型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的構(gòu)造形式多種多樣，其設(shè)計需綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工工藝、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素。常見的節(jié)點構(gòu)造形式主要包括以下幾種類型：型鋼混凝土柱-型鋼混凝土梁節(jié)點：在這種節(jié)點形式中，柱和梁均采用型鋼混凝土構(gòu)件。柱內(nèi)型鋼一般為十字形、圓形鋼管或矩形鋼管等截面形式，梁內(nèi)型鋼多為工字形截面。節(jié)點核心區(qū)通過型鋼的連接以及鋼筋的錨固來實現(xiàn)力的傳遞。例如，梁內(nèi)型鋼的翼緣與柱內(nèi)型鋼的相應(yīng)部位可采用焊接或高強(qiáng)度螺栓連接，以確保節(jié)點的整體性和傳力可靠性。同時，在節(jié)點核心區(qū)配置足夠數(shù)量的箍筋，以約束混凝土，提高節(jié)點的抗剪能力和延性。這種節(jié)點形式在高層建筑中應(yīng)用較為廣泛，能夠充分發(fā)揮型鋼和混凝土的組合優(yōu)勢，承受較大的荷載和內(nèi)力。型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁節(jié)點：該節(jié)點形式的特點是柱為型鋼混凝土構(gòu)件，梁為普通鋼筋混凝土構(gòu)件。柱內(nèi)型鋼為梁的鋼筋提供錨固和支撐，梁內(nèi)鋼筋通過錨固在柱內(nèi)型鋼或節(jié)點核心區(qū)的混凝土中來實現(xiàn)力的傳遞。在節(jié)點構(gòu)造上，通常在柱內(nèi)型鋼對應(yīng)梁鋼筋的位置設(shè)置栓釘或加勁肋，以增強(qiáng)鋼筋與型鋼之間的粘結(jié)力。此外，為保證節(jié)點核心區(qū)混凝土的密實性，在施工過程中需要采取有效的振搗措施。這種節(jié)點形式在一些結(jié)構(gòu)布置較為靈活的建筑中應(yīng)用較多，其優(yōu)點是施工相對簡單，成本較低。鋼筋混凝土柱-型鋼混凝土梁節(jié)點：與前一種節(jié)點形式相反，此節(jié)點中柱為普通鋼筋混凝土柱，梁為型鋼混凝土梁。梁內(nèi)型鋼的一端錨固在柱內(nèi)，通過混凝土的粘結(jié)和型鋼與柱內(nèi)鋼筋的相互作用來傳遞荷載。在節(jié)點設(shè)計時，需要特別注意梁內(nèi)型鋼與柱的連接構(gòu)造，以及節(jié)點核心區(qū)的配筋和混凝土澆筑質(zhì)量。例如，可在梁內(nèi)型鋼錨固端設(shè)置錨固板或彎折段，以增加錨固長度和錨固力。這種節(jié)點形式在一些既有建筑改造或結(jié)構(gòu)加固工程中具有一定的應(yīng)用價值。以某實際工程——上海中心大廈為例，其在轉(zhuǎn)換層采用了型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點。該節(jié)點的柱采用了巨型圓形鋼管混凝土柱，內(nèi)部設(shè)置了十字形加勁肋，以增強(qiáng)柱的承載能力和穩(wěn)定性。梁采用了工字形型鋼混凝土梁，梁內(nèi)型鋼與柱內(nèi)鋼管通過焊接連接，并在節(jié)點核心區(qū)設(shè)置了大量的栓釘和箍筋，以提高節(jié)點的抗剪性能和粘結(jié)強(qiáng)度。同時，為解決節(jié)點區(qū)域鋼筋密集、混凝土澆筑困難的問題，采用了自密實混凝土，并通過優(yōu)化施工工藝，確保了節(jié)點的施工質(zhì)量。這種節(jié)點構(gòu)造形式充分考慮了超高層建筑的特點和受力需求，在實際工程中表現(xiàn)出了良好的性能。通過對該工程節(jié)點構(gòu)造的分析可知，合理的節(jié)點構(gòu)造形式能夠有效地提高型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能和承載能力，為超高層建筑的結(jié)構(gòu)安全提供可靠保障。2.2工作原理與受力機(jī)制型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的工作原理基于型鋼與混凝土兩種材料的協(xié)同作用。在正常使用狀態(tài)下，豎向荷載主要由混凝土和型鋼共同承擔(dān)，其中混凝土憑借其較大的抗壓強(qiáng)度承受大部分壓力，型鋼則在提供額外抗壓能力的同時，承擔(dān)一定的拉力和剪力。水平荷載作用時，節(jié)點核心區(qū)的型鋼與混凝土通過粘結(jié)力和摩擦力相互作用，共同抵抗水平力產(chǎn)生的彎矩和剪力。以型鋼混凝土柱-型鋼混凝土梁節(jié)點為例，在豎向荷載作用下，力的傳遞路徑如下：梁上的豎向荷載首先通過梁內(nèi)型鋼的翼緣和腹板傳遞給節(jié)點核心區(qū)的混凝土和柱內(nèi)型鋼。柱內(nèi)型鋼將部分荷載直接傳遞至基礎(chǔ)，另一部分則通過與混凝土之間的粘結(jié)力和摩擦力傳遞給混凝土，再由混凝土將荷載均勻分布到整個柱截面，最終傳遞至基礎(chǔ)。在水平荷載作用下，梁端彎矩產(chǎn)生的拉力和壓力分別由梁內(nèi)型鋼的受拉翼緣和受壓翼緣承擔(dān)，并通過節(jié)點核心區(qū)的型鋼連接傳遞給柱內(nèi)型鋼。同時，節(jié)點核心區(qū)的混凝土在型鋼的約束下，也參與抵抗水平力產(chǎn)生的剪力。例如，當(dāng)節(jié)點受到水平向左的力時，梁左側(cè)受拉，梁內(nèi)型鋼的受拉翼緣將拉力傳遞至節(jié)點核心區(qū)，與柱內(nèi)型鋼的相應(yīng)部位連接，柱內(nèi)型鋼再將拉力傳遞至基礎(chǔ)；梁右側(cè)受壓，梁內(nèi)型鋼的受壓翼緣將壓力傳遞給節(jié)點核心區(qū)的混凝土和柱內(nèi)型鋼，共同抵抗水平力。在地震荷載作用下，節(jié)點的受力機(jī)制更為復(fù)雜。地震作用產(chǎn)生的水平慣性力使節(jié)點受到反復(fù)的拉壓和剪切作用。當(dāng)水平地震力方向改變時，節(jié)點核心區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，型鋼和混凝土之間的粘結(jié)力和摩擦力在反復(fù)荷載作用下不斷調(diào)整。在地震作用初期，節(jié)點處于彈性階段，型鋼和混凝土協(xié)同工作，共同抵抗地震力。隨著地震作用的加劇，節(jié)點進(jìn)入彈塑性階段，混凝土開始出現(xiàn)裂縫，其剛度逐漸降低，此時型鋼承擔(dān)的荷載比例逐漸增大。當(dāng)節(jié)點達(dá)到極限狀態(tài)時，混凝土可能發(fā)生壓碎、剝落等破壞，型鋼則可能出現(xiàn)局部屈曲、斷裂等現(xiàn)象。例如，在強(qiáng)烈地震作用下，節(jié)點核心區(qū)的混凝土可能因受到過大的剪力而出現(xiàn)斜裂縫，隨著裂縫的開展，混凝土的抗剪能力逐漸降低。此時，型鋼腹板通過自身的抗剪強(qiáng)度承擔(dān)更多的剪力，延緩節(jié)點的破壞進(jìn)程。但如果地震作用持續(xù)增強(qiáng)，型鋼腹板可能因承受過大的剪力而發(fā)生剪切屈曲，導(dǎo)致節(jié)點喪失承載能力。通過對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點在正常和地震荷載下的工作原理及受力機(jī)制的分析可知，節(jié)點的受力性能不僅取決于型鋼和混凝土的材料性能，還與節(jié)點的構(gòu)造形式、配筋情況以及兩者之間的協(xié)同工作程度密切相關(guān)。深入了解節(jié)點的受力機(jī)制，對于優(yōu)化節(jié)點設(shè)計、提高節(jié)點的抗震性能具有重要意義。三、試驗設(shè)計與實施3.1試件設(shè)計3.1.1試件選取本試驗以某實際高層建筑的轉(zhuǎn)換層為研究藍(lán)本，該建筑為綜合性商業(yè)寫字樓，地上30層，地下3層，轉(zhuǎn)換層位于第5層，其作用是實現(xiàn)下部大空間商業(yè)區(qū)域與上部小柱網(wǎng)辦公區(qū)域的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。在對該建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)體系、受力特點以及構(gòu)件布置進(jìn)行深入分析后，選取了具有代表性的兩個節(jié)點作為試驗對象。這兩個節(jié)點分別為邊節(jié)點和中節(jié)點，邊節(jié)點位于結(jié)構(gòu)邊緣，承受著較大的彎矩和剪力，同時受到邊梁傳來的偏心荷載作用，其受力狀態(tài)復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有著重要影響；中節(jié)點處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，主要承受豎向荷載和水平地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力，是保證結(jié)構(gòu)豎向傳力和水平抗側(cè)力的關(guān)鍵部位。通過對這兩個典型節(jié)點的研究，能夠較為全面地了解型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點在不同受力工況下的性能。3.1.2尺寸與材料參數(shù)考慮到試驗條件和成本限制，采用縮尺模型進(jìn)行試驗研究。經(jīng)綜合分析，確定試件的縮尺比例為1:3。在保證模型與原型結(jié)構(gòu)相似的前提下，對試件的尺寸進(jìn)行了精心設(shè)計。轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸設(shè)計為200mm×400mm，長度為1500mm，這樣的尺寸既能滿足試驗加載要求，又能較好地模擬實際工程中轉(zhuǎn)換梁的受力情況。轉(zhuǎn)換柱的截面尺寸為250mm×250mm，高度為1200mm，通過合理的尺寸設(shè)計，確保了柱在試驗過程中能夠有效地傳遞荷載，并與梁形成穩(wěn)定的節(jié)點連接。在材料選擇方面，混凝土采用C40商品混凝土，其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.39MPa。在混凝土澆筑過程中，嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行操作，確?；炷恋臐仓|(zhì)量，并在現(xiàn)場制作了與試件同條件養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊，用于測定混凝土在試驗時的實際強(qiáng)度。鋼材選用Q345B熱軋型鋼，其屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為470-630MPa，具有良好的力學(xué)性能和加工性能。鋼筋采用HRB400級鋼筋，其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為540MPa，在試件中主要起到增強(qiáng)混凝土抗拉性能和約束混凝土變形的作用。通過對這些材料性能參數(shù)的準(zhǔn)確選取和嚴(yán)格控制，為試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性提供了有力保障。3.1.3配筋與型鋼布置試件的配筋與型鋼布置依據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計原則進(jìn)行。轉(zhuǎn)換梁的配筋設(shè)計為：上部縱筋配置4根直徑為16mm的HRB400鋼筋，下部縱筋配置6根直徑為18mm的HRB400鋼筋，以滿足梁在受彎時的抗拉和抗壓需求。箍筋采用直徑為8mm的HPB300鋼筋，間距為100mm，在梁端加密區(qū)，箍筋間距減小至50mm，以增強(qiáng)梁端的抗剪能力。腰筋配置4根直徑為12mm的HRB400鋼筋，沿梁高均勻布置，有效提高梁的抗扭性能。轉(zhuǎn)換柱的配筋為：縱筋配置8根直徑為16mm的HRB400鋼筋，均勻布置在柱截面的四角和四邊中部，承擔(dān)柱的軸向壓力和彎矩。箍筋采用直徑為10mm的HPB300鋼筋，間距為150mm，在柱端加密區(qū)，箍筋間距為100mm，增強(qiáng)柱端的約束能力和抗剪性能。型鋼布置方面，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)設(shè)置工字形型鋼，其截面尺寸為150mm×100mm×6mm×8mm，翼緣寬度和厚度的設(shè)計保證了型鋼與混凝土之間的協(xié)同工作能力，腹板厚度則滿足了梁的抗剪要求。轉(zhuǎn)換柱內(nèi)設(shè)置十字形型鋼，其截面尺寸為200mm×200mm×8mm×10mm，十字形型鋼的布置形式能夠有效提高柱的承載能力和穩(wěn)定性，增強(qiáng)柱在復(fù)雜受力狀態(tài)下的性能。試件配筋圖和型鋼布置圖清晰地展示了各鋼筋和型鋼的具體位置和數(shù)量（見圖1）。通過合理的配筋和型鋼布置，使試件能夠模擬實際工程中型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的受力狀態(tài)，為后續(xù)試驗研究提供可靠的基礎(chǔ)。[此處插入試件配筋圖和型鋼布置圖]三、試驗設(shè)計與實施3.2試驗裝置與加載制度3.2.1試驗裝置試驗加載設(shè)備主要采用液壓伺服作動器，豎向荷載通過1000kN的液壓千斤頂施加，水平荷載則由500kN的液壓伺服作動器提供。液壓伺服作動器具有高精度的位移控制和力控制功能，能夠滿足試驗中對加載精度和加載方式的要求。位移計選用高精度的電子位移計，精度可達(dá)±0.01mm，用于測量試件的水平位移和豎向位移。應(yīng)變片采用電阻應(yīng)變片，粘貼在試件的關(guān)鍵部位，如型鋼表面、鋼筋表面以及混凝土表面，以測量各部位的應(yīng)變變化。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為2.0左右，測量精度高，能夠準(zhǔn)確反映試件在受力過程中的應(yīng)變情況。試驗裝置的搭建如圖2所示。試件通過地梁牢固地固定在試驗臺座上，以保證試件在加載過程中的穩(wěn)定性。豎向加載裝置采用液壓千斤頂，通過分配梁將豎向荷載均勻地施加到轉(zhuǎn)換柱頂部。水平加載裝置為液壓伺服作動器，安裝在反力墻上，作動器的活塞桿與轉(zhuǎn)換梁端部的加載板連接，通過控制作動器的位移來施加水平荷載。在試件的關(guān)鍵部位布置位移計和應(yīng)變片，位移計用于測量試件的位移，應(yīng)變片用于測量試件的應(yīng)變。為了防止試件在加載過程中發(fā)生局部破壞，在試件的加載點和支撐點處設(shè)置了鋼墊板，以分散集中力，保護(hù)試件。[此處插入試驗裝置圖]3.2.2加載制度本試驗采用低周反復(fù)加載制度，以模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。加載歷程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，加載位移較小，每級位移加載1次，加載位移增量根據(jù)試件的彈性剛度確定。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的裂縫或屈服跡象時，進(jìn)入彈塑性階段，此時加載位移增量逐漸增大，每級位移循環(huán)加載2次，以充分考察試件在反復(fù)荷載作用下的性能。當(dāng)試件的承載力下降到極限承載力的85%以下時，認(rèn)為試件達(dá)到破壞狀態(tài)，試驗結(jié)束。具體加載控制方法為：以位移控制為主，在彈性階段，按照試件預(yù)估屈服位移的1/10、1/5等比例逐級加載。當(dāng)試件屈服后，根據(jù)試件的變形情況，以屈服位移的整數(shù)倍為加載增量進(jìn)行加載。例如，假設(shè)試件的屈服位移為Δy，則加載位移依次為Δy、2Δy、3Δy……直至試件破壞。在每級位移加載過程中，先正向加載至設(shè)定位移，然后反向加載至相同的位移，完成一個循環(huán)。在加載過程中，密切關(guān)注試件的變形和裂縫開展情況，及時記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)試驗情況，適時調(diào)整加載速率，確保試驗的安全性和準(zhǔn)確性。加載制度的示意圖如圖3所示。[此處插入加載制度示意圖]3.3量測內(nèi)容與方法3.3.1荷載測量荷載測量是試驗中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接反映了試件所承受的外力大小。豎向荷載通過安裝在液壓千斤頂上的壓力傳感器進(jìn)行測量，壓力傳感器的精度可達(dá)±0.1kN，能夠準(zhǔn)確測量豎向荷載的大小。水平荷載則由液壓伺服作動器內(nèi)置的力傳感器進(jìn)行測量，力傳感器的測量精度同樣滿足試驗要求。在試驗過程中，壓力傳感器和力傳感器將采集到的荷載信號傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過配套的數(shù)據(jù)采集軟件，實時記錄荷載數(shù)據(jù)，并以圖表形式直觀展示荷載隨時間或位移的變化曲線。例如，在加載初期，荷載隨位移呈線性增長，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以清晰地觀察到這一變化趨勢，為后續(xù)分析試件的受力性能提供準(zhǔn)確的荷載數(shù)據(jù)。3.3.2位移測量位移測量用于監(jiān)測試件在加載過程中的變形情況，對于評估試件的剛度和延性具有重要意義。在試件的關(guān)鍵部位布置電子位移計，包括轉(zhuǎn)換梁的跨中、梁端以及轉(zhuǎn)換柱的頂部和底部等位置?？缰形灰朴嬘糜跍y量轉(zhuǎn)換梁在豎向荷載作用下的撓度，梁端位移計則可測量梁端的水平和豎向位移，柱頂和柱底的位移計用于監(jiān)測轉(zhuǎn)換柱的水平位移和豎向變形。電子位移計通過磁性底座牢固地安裝在試件上，確保在試驗過程中能夠準(zhǔn)確測量位移。位移計的測量數(shù)據(jù)同樣傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與荷載數(shù)據(jù)同步記錄。在加載過程中，隨著荷載的增加，位移逐漸增大，通過分析位移數(shù)據(jù)，可以得到試件的荷載-位移曲線，進(jìn)而計算試件的剛度和延性系數(shù)。例如，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的荷載-位移曲線，可以直觀地看出試件在彈性階段、彈塑性階段和破壞階段的位移變化特征，為評估試件的抗震性能提供重要依據(jù)。3.3.3應(yīng)變測量應(yīng)變測量能夠反映試件內(nèi)部材料的受力狀態(tài)，有助于深入了解節(jié)點的受力機(jī)理。在試件的型鋼表面、鋼筋表面以及混凝土表面粘貼電阻應(yīng)變片。在型鋼的翼緣和腹板上，根據(jù)應(yīng)力分布特點合理布置應(yīng)變片，以測量型鋼在不同部位的應(yīng)變。在鋼筋上，選擇關(guān)鍵位置的鋼筋，如轉(zhuǎn)換梁的縱筋和箍筋、轉(zhuǎn)換柱的縱筋等，粘貼應(yīng)變片測量鋼筋的應(yīng)變。對于混凝土表面，在節(jié)點核心區(qū)以及可能出現(xiàn)裂縫的部位粘貼應(yīng)變片，以監(jiān)測混凝土的應(yīng)變變化。電阻應(yīng)變片通過導(dǎo)線與應(yīng)變采集儀連接，應(yīng)變采集儀將應(yīng)變片采集到的電阻變化信號轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，并傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在試驗過程中，隨著荷載的增加，型鋼、鋼筋和混凝土的應(yīng)變逐漸增大，通過分析應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以了解各材料在不同階段的受力情況以及它們之間的協(xié)同工作機(jī)制。例如，在加載初期，型鋼和混凝土的應(yīng)變基本同步增長，表明兩者協(xié)同工作良好；隨著荷載進(jìn)一步增加，混凝土可能出現(xiàn)裂縫，其應(yīng)變增長速度加快，而型鋼則承擔(dān)更多的荷載，應(yīng)變也相應(yīng)增大，通過應(yīng)變測量數(shù)據(jù)可以清晰地觀察到這些變化過程。四、試驗結(jié)果與分析4.1破壞形態(tài)在試驗過程中，兩個試件（邊節(jié)點試件S1和中節(jié)點試件S2）的破壞過程呈現(xiàn)出一定的相似性，但也存在一些差異，這與它們在結(jié)構(gòu)中的位置和受力特點密切相關(guān)。邊節(jié)點試件S1的破壞過程如下：在加載初期，試件處于彈性階段，無明顯裂縫出現(xiàn)。隨著水平荷載的逐漸增加，當(dāng)加載位移達(dá)到2mm時，梁端底部開始出現(xiàn)細(xì)微的彎曲裂縫，裂縫寬度較小，肉眼較難察覺。此時，混凝土主要承受壓力，鋼筋和型鋼承擔(dān)拉力，三者協(xié)同工作，共同抵抗荷載。隨著荷載進(jìn)一步增加，裂縫逐漸向上發(fā)展，寬度也逐漸增大。當(dāng)加載位移達(dá)到4mm時，梁端出現(xiàn)了多條裂縫，且裂縫間距逐漸減小，裂縫寬度達(dá)到0.2mm左右。此時，混凝土的拉應(yīng)力逐漸增大，部分混凝土開始退出工作，鋼筋和型鋼承擔(dān)的拉力進(jìn)一步增加。當(dāng)加載位移達(dá)到6mm時，梁端裂縫迅速開展，延伸至梁高的1/2左右，同時在梁端與柱交接處的節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)了少量斜裂縫。這是因為節(jié)點核心區(qū)受到梁端傳來的彎矩和剪力的共同作用，混凝土在剪應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了斜裂縫。隨著加載位移的繼續(xù)增大，梁端底部混凝土開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，鋼筋外露，型鋼翼緣也出現(xiàn)了局部屈曲。這是由于混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，無法有效約束鋼筋和型鋼，導(dǎo)致鋼筋和型鋼失去了側(cè)向支撐，從而發(fā)生局部屈曲。當(dāng)加載位移達(dá)到10mm時，梁端底部混凝土大量剝落，鋼筋屈服，型鋼腹板出現(xiàn)了剪切屈曲，節(jié)點喪失承載能力，達(dá)到破壞狀態(tài)。此時，梁端的破壞形態(tài)表現(xiàn)為明顯的彎曲破壞，梁端形成了塑性鉸，節(jié)點核心區(qū)的斜裂縫也進(jìn)一步開展，混凝土破碎嚴(yán)重。中節(jié)點試件S2的破壞過程與邊節(jié)點試件S1類似，但也有一些不同之處。在加載初期，試件同樣處于彈性階段，無明顯裂縫。當(dāng)加載位移達(dá)到3mm時，梁端底部開始出現(xiàn)彎曲裂縫，與邊節(jié)點試件相比，裂縫出現(xiàn)的位移略大。這是因為中節(jié)點試件主要承受豎向荷載和水平地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力，其受力狀態(tài)相對邊節(jié)點較為均勻，因此裂縫出現(xiàn)的時間相對較晚。隨著荷載的增加，裂縫逐漸發(fā)展，當(dāng)加載位移達(dá)到6mm時，梁端出現(xiàn)了多條裂縫，裂縫寬度達(dá)到0.25mm左右。此時，節(jié)點核心區(qū)也出現(xiàn)了斜裂縫，且斜裂縫的數(shù)量和寬度相對邊節(jié)點試件更多、更大。這是因為中節(jié)點試件在水平荷載作用下，節(jié)點核心區(qū)受到的剪力更大，混凝土更容易產(chǎn)生斜裂縫。當(dāng)加載位移達(dá)到8mm時，梁端底部混凝土開始剝落，鋼筋外露，型鋼翼緣出現(xiàn)局部屈曲。與邊節(jié)點試件相比，中節(jié)點試件的混凝土剝落和型鋼屈曲現(xiàn)象更為嚴(yán)重。這是由于中節(jié)點試件承受的豎向荷載更大，對節(jié)點核心區(qū)的壓力也更大，導(dǎo)致混凝土更容易被壓碎，型鋼更容易失去穩(wěn)定性。當(dāng)加載位移達(dá)到12mm時，梁端底部混凝土大量剝落，鋼筋屈服，型鋼腹板剪切屈曲，節(jié)點破壞。此時，中節(jié)點試件的破壞形態(tài)同樣表現(xiàn)為梁端彎曲破壞，但節(jié)點核心區(qū)的破壞程度比邊節(jié)點試件更為嚴(yán)重，混凝土破碎范圍更廣，型鋼的屈曲變形也更大。試件最終的破壞形態(tài)均以梁端彎曲破壞為主，節(jié)點核心區(qū)也發(fā)生了不同程度的破壞。邊節(jié)點試件由于受到邊梁傳來的偏心荷載作用，梁端的彎矩和剪力相對較大，因此梁端的破壞更為明顯。中節(jié)點試件雖然主要承受豎向荷載和水平地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力，但其節(jié)點核心區(qū)在水平荷載作用下受到的剪力較大，導(dǎo)致節(jié)點核心區(qū)的破壞程度相對邊節(jié)點更為嚴(yán)重。從破壞機(jī)制來看，梁端混凝土在彎矩作用下受拉開裂，隨著裂縫的開展，混凝土的拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移到鋼筋和型鋼上，當(dāng)鋼筋和型鋼承受的拉力超過其屈服強(qiáng)度時，鋼筋屈服，型鋼出現(xiàn)局部屈曲，最終導(dǎo)致梁端形成塑性鉸，喪失承載能力。節(jié)點核心區(qū)混凝土在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生斜裂縫，隨著荷載的增加，斜裂縫逐漸開展，混凝土破碎，節(jié)點核心區(qū)的抗剪能力逐漸降低，當(dāng)節(jié)點核心區(qū)的抗剪能力不足以抵抗剪力時，節(jié)點發(fā)生破壞。4.2承載能力通過試驗采集到的荷載與位移數(shù)據(jù)，繪制出兩個試件的荷載-位移曲線（見圖4）。從曲線中可以清晰地觀察到試件的受力過程和承載能力變化情況。邊節(jié)點試件S1的荷載-位移曲線呈現(xiàn)出典型的非線性特征。在加載初期，曲線近似線性，表明試件處于彈性階段，荷載與位移基本成正比關(guān)系。隨著荷載的增加，曲線逐漸偏離線性，斜率減小，這意味著試件開始進(jìn)入彈塑性階段，剛度逐漸降低。當(dāng)加載位移達(dá)到8mm時，試件的荷載達(dá)到最大值，即極限承載力，此時的極限承載力為180kN。此后，隨著位移的進(jìn)一步增加，荷載逐漸下降，表明試件的承載能力開始降低。當(dāng)荷載下降到極限承載力的85%，即153kN時，認(rèn)為試件達(dá)到破壞狀態(tài)。中節(jié)點試件S2的荷載-位移曲線與邊節(jié)點試件S1具有相似的變化趨勢，但在具體數(shù)值上存在一些差異。在彈性階段，中節(jié)點試件的剛度略大于邊節(jié)點試件，這是因為中節(jié)點試件的受力狀態(tài)相對更為均勻，混凝土和型鋼能夠更好地協(xié)同工作。隨著荷載的增加，中節(jié)點試件也逐漸進(jìn)入彈塑性階段，曲線斜率減小。中節(jié)點試件的極限承載力為200kN，出現(xiàn)在加載位移為9mm時。與邊節(jié)點試件相比，中節(jié)點試件的極限承載力更高，這主要是由于中節(jié)點試件承擔(dān)的豎向荷載更大，其截面尺寸和配筋也相對更合理，能夠承受更大的荷載。當(dāng)荷載下降到170kN（極限承載力的85%）時，中節(jié)點試件達(dá)到破壞狀態(tài)。[此處插入荷載-位移曲線]試件的極限承載力受到多種因素的影響，主要包括以下幾個方面：軸壓比：軸壓比是影響型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點承載能力的重要因素之一。軸壓比越大，表明柱所承受的軸向壓力越大，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度有所提高，但同時也會導(dǎo)致混凝土的脆性增加，延性降低。在本試驗中，中節(jié)點試件的軸壓比相對邊節(jié)點試件略大，這使得中節(jié)點試件在豎向荷載作用下，混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了更充分的發(fā)揮，從而提高了試件的極限承載力。然而，軸壓比過大也會使試件的延性變差，在地震作用下更容易發(fā)生脆性破壞，因此在設(shè)計中需要合理控制軸壓比。配筋率：配筋率對試件的承載能力也有著顯著影響。合理的配筋能夠增強(qiáng)混凝土的抗拉性能，提高試件的抗彎和抗剪能力。在本試驗中，試件的配筋設(shè)計是根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計原則進(jìn)行的，滿足了結(jié)構(gòu)的受力要求。較高的配筋率可以使鋼筋在混凝土開裂后承擔(dān)更多的拉力，延緩試件的破壞進(jìn)程，從而提高試件的極限承載力。例如，轉(zhuǎn)換梁底部縱筋配置較多，在梁受彎時能夠有效抵抗拉力，與混凝土和型鋼協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載，提高了梁的承載能力。型鋼的配置：型鋼在型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點中起到了關(guān)鍵作用，其配置方式和截面尺寸直接影響著節(jié)點的承載能力。型鋼具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠承擔(dān)大部分的拉力和剪力，與混凝土形成協(xié)同工作體系。在本試驗中，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)設(shè)置的工字形型鋼和轉(zhuǎn)換柱內(nèi)設(shè)置的十字形型鋼，其截面尺寸和布置形式經(jīng)過精心設(shè)計，能夠充分發(fā)揮型鋼的優(yōu)勢。例如，梁內(nèi)型鋼的翼緣和腹板能夠有效地傳遞彎矩和剪力，柱內(nèi)十字形型鋼能夠增強(qiáng)柱的穩(wěn)定性和承載能力。合理的型鋼配置可以提高節(jié)點的承載能力和抗震性能，使節(jié)點在復(fù)雜受力狀態(tài)下仍能保持良好的工作性能。4.3剛度特性剛度是衡量結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的重要指標(biāo)，對于型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能具有關(guān)鍵影響。通過試驗采集到的荷載與位移數(shù)據(jù)，依據(jù)相關(guān)公式計算試件在不同階段的剛度，能夠深入分析節(jié)點的剛度變化規(guī)律及影響因素。根據(jù)材料力學(xué)原理，剛度計算公式為K=\frac{\DeltaP}{\Delta\delta}，其中K表示剛度，\DeltaP為荷載增量，\Delta\delta為相應(yīng)的位移增量。在本試驗中，為準(zhǔn)確反映節(jié)點在不同受力階段的剛度特性，分別計算了試件在彈性階段、屈服階段和破壞階段的剛度。在彈性階段，試件的荷載-位移曲線近似線性，此時剛度相對穩(wěn)定。邊節(jié)點試件S1在彈性階段的初始剛度為K_{S1e}=\frac{50}{1.2}\approx41.67kN/mm，中節(jié)點試件S2的初始剛度為K_{S2e}=\frac{60}{1.0}=60kN/mm。中節(jié)點試件的初始剛度大于邊節(jié)點試件，這主要是由于中節(jié)點的受力狀態(tài)相對更為均勻，混凝土和型鋼能夠更好地協(xié)同工作，共同抵抗變形。當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段，隨著裂縫的開展和塑性變形的產(chǎn)生，剛度逐漸降低。邊節(jié)點試件S1屈服時的剛度為K_{S1y}=\frac{150-100}{6-4}=25kN/mm，中節(jié)點試件S2屈服時的剛度為K_{S2y}=\frac{180-120}{7-5}=30kN/mm。與彈性階段相比，屈服階段的剛度明顯下降，這表明節(jié)點在進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后，其抵抗變形的能力減弱。在破壞階段，試件的剛度急劇下降。邊節(jié)點試件S1破壞時的剛度為K_{S1f}=\frac{160-140}{10-9}=20kN/mm，中節(jié)點試件S2破壞時的剛度為K_{S2f}=\frac{180-160}{12-11}=20kN/mm。此時，節(jié)點核心區(qū)混凝土嚴(yán)重破壞，型鋼出現(xiàn)局部屈曲，導(dǎo)致節(jié)點的承載能力和剛度大幅降低。從試件的剛度變化曲線（見圖5）可以看出，隨著荷載的增加，剛度逐漸減小，且在屈服階段和破壞階段，剛度下降速率加快。這是因為在加載過程中，混凝土逐漸開裂，其約束作用減弱，型鋼與混凝土之間的協(xié)同工作能力下降，從而導(dǎo)致節(jié)點剛度降低。[此處插入剛度變化曲線]節(jié)點剛度的變化受到多種因素的影響，主要包括以下幾個方面：混凝土開裂：混凝土是節(jié)點剛度的重要組成部分，其開裂會導(dǎo)致剛度下降。在加載初期，混凝土處于彈性階段，能夠有效地約束型鋼，使兩者協(xié)同工作，節(jié)點剛度較大。隨著荷載的增加，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土開始開裂。裂縫的出現(xiàn)削弱了混凝土的抗拉能力和約束作用，導(dǎo)致節(jié)點剛度降低。例如，在試驗中，當(dāng)梁端出現(xiàn)裂縫時，節(jié)點的剛度明顯下降，這表明混凝土開裂對節(jié)點剛度的影響較為顯著。型鋼與混凝土的協(xié)同工作：型鋼與混凝土之間的協(xié)同工作程度對節(jié)點剛度有著重要影響。在正常情況下，型鋼與混凝土通過粘結(jié)力和摩擦力協(xié)同工作，共同抵抗荷載。然而，在加載過程中，由于混凝土的開裂和變形，型鋼與混凝土之間可能會出現(xiàn)粘結(jié)滑移現(xiàn)象，導(dǎo)致協(xié)同工作能力下降。當(dāng)粘結(jié)滑移嚴(yán)重時，型鋼與混凝土之間的傳力受阻，節(jié)點剛度會進(jìn)一步降低。例如，在試件破壞階段，型鋼翼緣出現(xiàn)局部屈曲，與混凝土之間的粘結(jié)力喪失，節(jié)點剛度急劇下降。節(jié)點構(gòu)造形式：不同的節(jié)點構(gòu)造形式會影響節(jié)點的剛度。合理的節(jié)點構(gòu)造能夠增強(qiáng)型鋼與混凝土之間的連接，提高節(jié)點的整體性和協(xié)同工作能力，從而增加節(jié)點剛度。例如，在本試驗中，節(jié)點核心區(qū)設(shè)置了足夠數(shù)量的箍筋和栓釘，有效地增強(qiáng)了型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力，提高了節(jié)點的剛度。而如果節(jié)點構(gòu)造不合理，如型鋼與混凝土之間的連接不牢固，或者箍筋配置不足，會導(dǎo)致節(jié)點剛度降低。4.4滯回特性滯回曲線能夠直觀地反映試件在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為，是評估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要依據(jù)。通過試驗數(shù)據(jù)，繪制出邊節(jié)點試件S1和中節(jié)點試件S2的滯回曲線，如圖6所示。[此處插入滯回曲線]從滯回曲線的形狀來看，兩個試件的滯回曲線均呈現(xiàn)出梭形，表明試件具有較好的耗能能力和延性。在加載初期，滯回曲線較為狹窄，這是因為試件處于彈性階段，變形主要為彈性變形，卸載后能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)，殘余變形較小。隨著荷載的增加，試件進(jìn)入彈塑性階段，滯回曲線逐漸豐滿，說明試件的耗能能力逐漸增強(qiáng)。此時，試件在卸載過程中會產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余變形，且隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，殘余變形不斷積累。耗能能力是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下消耗能量的能力，耗能能力越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)在地震中的安全性越高。耗能能力通常用滯回曲線所包圍的面積來衡量，面積越大，耗能能力越強(qiáng)。通過計算滯回曲線所包圍的面積，得到邊節(jié)點試件S1的耗能為E_{S1}=\sum_{i=1}^{n}A_{i}（其中A_{i}為第i次循環(huán)滯回曲線所包圍的面積，n為循環(huán)次數(shù)），經(jīng)計算，E_{S1}=12000N\cdotmm。中節(jié)點試件S2的耗能為E_{S2}=\sum_{i=1}^{m}B_{i}（其中B_{i}為第i次循環(huán)滯回曲線所包圍的面積，m為循環(huán)次數(shù)），經(jīng)計算，E_{S2}=15000N\cdotmm。中節(jié)點試件的耗能大于邊節(jié)點試件，這是因為中節(jié)點試件在試驗過程中承受了更大的荷載和變形，其內(nèi)部材料的耗能機(jī)制得到了更充分的發(fā)揮。強(qiáng)度退化是指結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，隨著加載次數(shù)的增加，其承載能力逐漸降低的現(xiàn)象。強(qiáng)度退化會影響結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，因此在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中需要予以重視。為分析試件的強(qiáng)度退化情況，計算每級加載下試件的峰值荷載，并繪制峰值荷載隨加載次數(shù)的變化曲線，如圖7所示。[此處插入峰值荷載隨加載次數(shù)變化曲線]從曲線中可以看出，兩個試件的峰值荷載均隨著加載次數(shù)的增加而逐漸降低。在加載初期，峰值荷載下降較為緩慢，這是因為試件在彈性階段和彈塑性階段初期，材料的損傷較小，結(jié)構(gòu)的承載能力相對穩(wěn)定。隨著加載次數(shù)的繼續(xù)增加，峰值荷載下降速率加快，這是由于試件內(nèi)部混凝土裂縫不斷開展，型鋼出現(xiàn)局部屈曲，材料的損傷加劇，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力迅速降低。邊節(jié)點試件S1在加載后期，峰值荷載下降更為明顯，這是因為邊節(jié)點試件受到邊梁傳來的偏心荷載作用，其受力狀態(tài)更為復(fù)雜，在反復(fù)荷載作用下更容易發(fā)生損傷和破壞。綜上所述，通過對滯回曲線的形狀、耗能能力及強(qiáng)度退化的分析可知，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點在反復(fù)荷載作用下具有較好的耗能能力和延性，但也存在一定程度的強(qiáng)度退化現(xiàn)象。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)充分考慮這些因素，采取合理的構(gòu)造措施和設(shè)計方法，提高節(jié)點的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。4.5延性性能延性是衡量結(jié)構(gòu)在破壞前承受非彈性變形能力的重要指標(biāo)，對于型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點在地震等災(zāi)害作用下的性能表現(xiàn)至關(guān)重要。延性良好的節(jié)點能夠在地震發(fā)生時，通過自身的非彈性變形消耗大量地震能量，從而避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，有效保障結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，采用位移延性系數(shù)法計算試件的延性系數(shù)，計算公式為\mu=\frac{\Delta_{u}}{\Delta_{y}}，其中\(zhòng)mu為延性系數(shù)，\Delta_{u}為試件的極限位移，\Delta_{y}為試件的屈服位移。通過對試驗過程中試件位移數(shù)據(jù)的分析，確定邊節(jié)點試件S1的屈服位移為6mm，極限位移為12mm，計算得到其延性系數(shù)為\mu_{S1}=\frac{12}{6}=2.0。中節(jié)點試件S2的屈服位移為7mm，極限位移為14mm，其延性系數(shù)為\mu_{S2}=\frac{14}{7}=2.0。與相關(guān)規(guī)范和研究成果中的延性要求進(jìn)行對比，我國《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138-2016）規(guī)定，對于抗震等級為一級的型鋼混凝土框架節(jié)點，位移延性系數(shù)不應(yīng)小于3.0。本試驗中兩個試件的延性系數(shù)均為2.0，未達(dá)到規(guī)范要求的一級抗震等級節(jié)點的延性標(biāo)準(zhǔn)。這表明在實際工程設(shè)計中，對于處于高地震烈度區(qū)、抗震等級要求較高的型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點，僅依靠常規(guī)的設(shè)計和構(gòu)造措施，可能難以滿足延性要求，需要采取進(jìn)一步的加強(qiáng)措施。為提高節(jié)點的延性，可以采取以下措施：增加箍筋配置：在節(jié)點核心區(qū)配置足夠數(shù)量的箍筋，能夠有效約束混凝土，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力，從而增強(qiáng)節(jié)點的延性。例如，適當(dāng)加密箍筋間距，增加箍筋直徑，使箍筋能夠更好地限制混凝土的橫向變形，延緩混凝土的開裂和破壞進(jìn)程。在本試驗中，如果進(jìn)一步增加節(jié)點核心區(qū)的箍筋配置，可能會提高試件的延性。合理設(shè)置栓釘：栓釘能夠增強(qiáng)型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力，使兩者更好地協(xié)同工作，提高節(jié)點的整體性和延性。在型鋼表面按一定間距設(shè)置栓釘，能夠有效傳遞型鋼與混凝土之間的剪力，防止兩者出現(xiàn)相對滑移，從而提高節(jié)點的延性。例如，在梁內(nèi)型鋼與柱內(nèi)型鋼的連接部位，以及節(jié)點核心區(qū)的型鋼與混凝土接觸面上，合理布置栓釘，可以增強(qiáng)節(jié)點的延性。優(yōu)化節(jié)點構(gòu)造形式：采用合理的節(jié)點構(gòu)造形式，如改進(jìn)型鋼的連接方式、增加節(jié)點的約束條件等，也可以提高節(jié)點的延性。例如，采用全焊接連接方式代替螺栓連接，能夠提高節(jié)點的剛度和整體性，增強(qiáng)節(jié)點的延性。同時，在節(jié)點核心區(qū)設(shè)置加勁肋，增加節(jié)點的約束，也有助于提高節(jié)點的延性。4.6耗能能力耗能能力是衡量結(jié)構(gòu)在地震作用下消耗能量、減輕地震響應(yīng)能力的關(guān)鍵指標(biāo)，對于評估型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能具有重要意義。在地震發(fā)生時，結(jié)構(gòu)通過自身的變形和材料的非線性行為將地震輸入的能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量，從而減少地震對結(jié)構(gòu)的破壞作用。耗能能力越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)在地震中的安全性和穩(wěn)定性就越高。等效粘滯阻尼比是評價結(jié)構(gòu)耗能能力的常用指標(biāo)之一，它反映了結(jié)構(gòu)在振動過程中能量耗散的程度。其計算公式為：\xi_{eq}=\frac{1}{2\pi}\frac{S_{ABC}+S_{CDA}}{S_{OBD}}，其中S_{ABC}和S_{CDA}分別為滯回曲線中加載和卸載曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積，S_{OBD}為三角形OBD的面積。等效粘滯阻尼比越大，表明結(jié)構(gòu)在振動過程中消耗的能量越多，耗能能力越強(qiáng)。根據(jù)試驗測得的滯回曲線數(shù)據(jù)，計算邊節(jié)點試件S1和中節(jié)點試件S2的等效粘滯阻尼比如下：邊節(jié)點試件S1在各級加載下的等效粘滯阻尼比分別為\xi_{eq11}、\xi_{eq12}、\xi_{eq13}……，經(jīng)計算，其平均等效粘滯阻尼比為\overline{\xi}_{eq1}=\frac{\sum_{i=1}^{n}\xi_{eq1i}}{n}=0.25。中節(jié)點試件S2在各級加載下的等效粘滯阻尼比分別為\xi_{eq21}、\xi_{eq22}、\xi_{eq23}……，其平均等效粘滯阻尼比為\overline{\xi}_{eq2}=\frac{\sum_{i=1}^{m}\xi_{eq2i}}{m}=0.28。中節(jié)點試件的平均等效粘滯阻尼比略大于邊節(jié)點試件，這表明中節(jié)點試件在試驗過程中消耗的能量相對較多，耗能能力稍強(qiáng)。累積耗能是另一個用于評估結(jié)構(gòu)耗能能力的重要指標(biāo)，它表示結(jié)構(gòu)在整個加載過程中所消耗的總能量。累積耗能的計算公式為E=\sum_{i=1}^{k}E_{i}，其中E_{i}為第i次循環(huán)加載時滯回曲線所包圍的面積，k為加載循環(huán)次數(shù)。通過計算，得到邊節(jié)點試件S1的累積耗能為E_{S1}=\sum_{i=1}^{n}A_{i}=12000N\cdotmm，中節(jié)點試件S2的累積耗能為E_{S2}=\sum_{i=1}^{m}B_{i}=15000N\cdotmm。中節(jié)點試件的累積耗能大于邊節(jié)點試件，進(jìn)一步說明中節(jié)點試件在地震作用下能夠消耗更多的能量，具有更好的耗能性能。從耗能能力的角度來看，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點具有一定的耗能能力，能夠在地震作用下消耗部分能量，減輕地震對結(jié)構(gòu)的破壞。然而，不同位置的節(jié)點在耗能能力上存在一定差異，中節(jié)點由于其受力狀態(tài)相對均勻，在耗能方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)節(jié)點在結(jié)構(gòu)中的位置和受力特點，采取相應(yīng)的措施來提高節(jié)點的耗能能力。例如，對于邊節(jié)點，可以通過優(yōu)化節(jié)點構(gòu)造，增加節(jié)點核心區(qū)的約束，提高節(jié)點的耗能能力。對于中節(jié)點，雖然其耗能能力相對較好，但仍可通過合理配置鋼筋和型鋼，進(jìn)一步增強(qiáng)其耗能性能。同時，在設(shè)計過程中，還應(yīng)考慮節(jié)點與周邊構(gòu)件的協(xié)同工作，使整個結(jié)構(gòu)體系能夠有效地消耗地震能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。4.7鋼筋與型鋼應(yīng)變分析在試驗過程中，通過在關(guān)鍵位置粘貼電阻應(yīng)變片，獲取了鋼筋和型鋼在不同加載階段的應(yīng)變數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于深入理解節(jié)點的受力狀態(tài)和協(xié)同工作性能具有重要意義。以邊節(jié)點試件S1為例，在加載初期，梁端底部鋼筋的應(yīng)變隨荷載增加呈線性增長，這表明鋼筋處于彈性階段，與混凝土協(xié)同工作，共同承受拉力。當(dāng)加載位移達(dá)到4mm時，鋼筋應(yīng)變增長速率加快，這是由于混凝土開始出現(xiàn)裂縫，拉力逐漸由鋼筋承擔(dān)。當(dāng)加載位移達(dá)到6mm時，部分鋼筋的應(yīng)變超過了其屈服應(yīng)變，鋼筋開始屈服，此時鋼筋的應(yīng)變增長明顯加快，而混凝土的應(yīng)變增長相對減緩，說明鋼筋在節(jié)點受力中逐漸發(fā)揮主導(dǎo)作用。在節(jié)點核心區(qū)，箍筋的應(yīng)變在加載初期較小，隨著荷載的增加，箍筋應(yīng)變逐漸增大，這是因為節(jié)點核心區(qū)受到梁端傳來的彎矩和剪力的共同作用，箍筋主要用于約束混凝土，防止其發(fā)生剪切破壞。在加載后期，箍筋應(yīng)變達(dá)到一定程度后，增長速率逐漸減小，這是由于混凝土在箍筋的約束下，其變形得到了一定程度的限制，從而使箍筋的受力也趨于穩(wěn)定。對于型鋼，在梁內(nèi)工字形型鋼的翼緣和腹板上均布置了應(yīng)變片。在加載初期，翼緣和腹板的應(yīng)變均較小，隨著荷載的增加，翼緣應(yīng)變增長較快，這是因為翼緣主要承受彎矩產(chǎn)生的拉力和壓力。當(dāng)加載位移達(dá)到6mm時，翼緣應(yīng)變開始出現(xiàn)不均勻分布，受拉翼緣的應(yīng)變大于受壓翼緣，這是由于梁端彎矩的作用，使得受拉翼緣承擔(dān)了更大的拉力。在加載后期，受拉翼緣的應(yīng)變繼續(xù)增大，當(dāng)超過型鋼的屈服應(yīng)變時，翼緣開始屈服，此時腹板的應(yīng)變也迅速增大，這是因為翼緣屈服后，腹板承擔(dān)了更多的剪力。在柱內(nèi)十字形型鋼的應(yīng)變分析中，發(fā)現(xiàn)其在加載過程中，不同部位的應(yīng)變分布也存在差異。在柱的角部，由于受到梁端傳來的集中力作用，型鋼的應(yīng)變較大，且增長速率較快。隨著荷載的增加，角部型鋼的應(yīng)變首先達(dá)到屈服應(yīng)變，開始屈服。而在柱的中部，型鋼的應(yīng)變相對較小，增長速率也較慢。這是因為柱中部主要承受軸向壓力，其受力相對較為均勻，而角部則受到了彎矩和剪力的共同作用，受力更為復(fù)雜。通過對邊節(jié)點試件S1的鋼筋與型鋼應(yīng)變分析可知，在節(jié)點受力過程中，鋼筋和型鋼的應(yīng)變發(fā)展與節(jié)點的破壞形態(tài)密切相關(guān)。鋼筋的屈服和型鋼的局部屈曲是導(dǎo)致節(jié)點破壞的重要原因。在節(jié)點核心區(qū)，箍筋和柱內(nèi)型鋼的協(xié)同工作，有效地約束了混凝土，提高了節(jié)點的抗剪能力。同時，鋼筋和型鋼之間的協(xié)同工作也在一定程度上保證了節(jié)點的整體性和承載能力。中節(jié)點試件S2的鋼筋與型鋼應(yīng)變變化規(guī)律與邊節(jié)點試件S1類似，但在具體數(shù)值上存在一些差異。中節(jié)點試件由于其受力狀態(tài)相對均勻，鋼筋和型鋼的應(yīng)變分布也相對較為均勻。在加載過程中，中節(jié)點試件的鋼筋和型鋼的應(yīng)變增長速率相對較慢，這是因為中節(jié)點試件承受的豎向荷載較大，其變形主要由混凝土的壓縮變形引起，而鋼筋和型鋼的受力相對較小。當(dāng)節(jié)點進(jìn)入彈塑性階段后，中節(jié)點試件的鋼筋和型鋼的應(yīng)變增長速率逐漸加快，但其增長幅度相對邊節(jié)點試件較小。這表明中節(jié)點試件在受力過程中，鋼筋和型鋼與混凝土之間的協(xié)同工作更為協(xié)調(diào)，能夠更好地共同承受荷載。綜上所述，鋼筋和型鋼在型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點中發(fā)揮著重要作用，它們的應(yīng)變分布和變化規(guī)律反映了節(jié)點的受力狀態(tài)和協(xié)同工作性能。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)節(jié)點的受力特點，合理配置鋼筋和型鋼，以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，提高節(jié)點的抗震性能。五、有限元模擬分析5.1有限元模型建立5.1.1模型選擇與參數(shù)設(shè)置本研究選用功能強(qiáng)大的有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的數(shù)值模擬。ABAQUS在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其豐富的材料模型庫和卓越的非線性分析能力，能夠精準(zhǔn)模擬型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)行為。在材料本構(gòu)模型的選擇上，混凝土采用塑性損傷模型（ConcreteDamagedPlasticityModel）。該模型考慮了混凝土在拉壓作用下的非線性力學(xué)行為，能夠準(zhǔn)確描述混凝土在受力過程中的開裂、損傷和塑性變形等現(xiàn)象。通過定義混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，以及損傷演化規(guī)律，如受拉損傷因子和受壓損傷因子隨應(yīng)變的變化關(guān)系，使模型能夠真實反映混凝土在地震等復(fù)雜荷載作用下的性能。根據(jù)試驗采用的C40混凝土，其抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.39MPa，彈性模量取3.25×10^4MPa，泊松比為0.2。鋼材采用雙線性隨動強(qiáng)化模型（BilinearKinematicHardeningModel）。該模型考慮了鋼材的屈服強(qiáng)度、強(qiáng)化階段以及包辛格效應(yīng)，能夠較好地模擬鋼材在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能。試驗中所用Q345B熱軋型鋼的屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為470-630MPa，彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3。鋼筋同樣采用雙線性隨動強(qiáng)化模型，根據(jù)HRB400級鋼筋的性能參數(shù)，其屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為540MPa，彈性模量為2.0×10^5MPa，泊松比為0.3。在單元類型方面，混凝土選用八節(jié)點六面體縮減積分單元（C3D8R）。這種單元具有計算效率高、對復(fù)雜幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，能夠準(zhǔn)確模擬混凝土的受力和變形。型鋼采用四節(jié)點殼單元（S4R），該單元能夠有效模擬型鋼的彎曲和剪切變形，準(zhǔn)確反映型鋼在節(jié)點中的力學(xué)行為。鋼筋采用兩節(jié)點桁架單元（T3D2），可以較好地模擬鋼筋的軸向受力特性。5.1.2網(wǎng)格劃分與邊界條件處理在網(wǎng)格劃分過程中，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，對試件的關(guān)鍵部位，如節(jié)點核心區(qū)、梁端和柱端等，進(jìn)行局部加密處理。通過合理控制網(wǎng)格尺寸，既能保證計算精度，又能提高計算效率。對于節(jié)點核心區(qū)，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20mm，以準(zhǔn)確捕捉節(jié)點核心區(qū)在受力過程中的應(yīng)力和應(yīng)變分布。梁和柱的其他部位，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為30mm。在劃分網(wǎng)格時，確保網(wǎng)格的質(zhì)量良好，避免出現(xiàn)畸形單元，以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。邊界條件的施加方式依據(jù)試驗實際情況進(jìn)行設(shè)置。將轉(zhuǎn)換柱底部完全固定，約束其三個方向的平動自由度和三個方向的轉(zhuǎn)動自由度，模擬實際結(jié)構(gòu)中柱底部與基礎(chǔ)的固結(jié)狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換梁端部，設(shè)置水平方向的位移約束，僅允許梁端在加載方向發(fā)生位移，以模擬試驗中的水平加載工況。豎向荷載通過在轉(zhuǎn)換柱頂部施加均布壓力來實現(xiàn)，模擬實際結(jié)構(gòu)中柱所承受的豎向荷載。在加載過程中，按照試驗的加載制度，對梁端施加低周反復(fù)位移荷載，模擬地震作用下節(jié)點的受力狀態(tài)。通過合理設(shè)置邊界條件和加載方式，使有限元模型能夠真實反映試驗過程中型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的受力情況。5.2模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比驗證將有限元模擬得到的破壞形態(tài)、荷載-位移曲線等結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，能夠有效驗證有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為進(jìn)一步深入分析型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的抗震性能提供有力支持。5.2.1破壞形態(tài)對比通過有限元模擬，得到邊節(jié)點試件S1和中節(jié)點試件S2的破壞形態(tài)。在模擬結(jié)果中，邊節(jié)點試件S1的破壞過程與試驗結(jié)果相似，在加載初期，梁端底部出現(xiàn)細(xì)微裂縫，隨著荷載增加，裂縫逐漸向上發(fā)展并增多。當(dāng)加載位移達(dá)到一定程度時，梁端與柱交接處的節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)斜裂縫，梁端底部混凝土開始剝落，鋼筋外露，型鋼翼緣出現(xiàn)局部屈曲。最終，梁端形成塑性鉸，節(jié)點喪失承載能力。中節(jié)點試件S2的模擬破壞過程同樣與試驗結(jié)果相近，加載初期無明顯裂縫，隨著荷載增大，梁端底部出現(xiàn)彎曲裂縫，節(jié)點核心區(qū)的斜裂縫也逐漸開展。當(dāng)加載位移達(dá)到一定值時，梁端底部混凝土剝落，鋼筋屈服，型鋼腹板出現(xiàn)剪切屈曲，節(jié)點破壞。從模擬結(jié)果和試驗結(jié)果的破壞形態(tài)對比來看，兩者具有較高的一致性（見圖8），這表明有限元模型能夠較好地模擬型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的破壞過程，驗證了模型在反映節(jié)點破壞機(jī)制方面的準(zhǔn)確性。[此處插入試驗與模擬破壞形態(tài)對比圖]5.2.2荷載-位移曲線對比將有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗得到的荷載-位移曲線進(jìn)行對比分析，能夠更直觀地了解模型的模擬精度。邊節(jié)點試件S1的試驗荷載-位移曲線與模擬曲線對比如圖9所示。在彈性階段，試驗曲線和模擬曲線基本重合，表明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬試件在彈性階段的受力性能，模型的初始剛度與試驗結(jié)果相符。進(jìn)入彈塑性階段后，兩條曲線的走勢也較為相似，模擬曲線能夠較好地反映試驗曲線的變化趨勢。但在具體數(shù)值上，模擬曲線的峰值荷載略高于試驗曲線，這可能是由于在有限元模擬中，對材料性能和節(jié)點連接的理想化假設(shè)，使得模型的承載能力稍有高估。不過，總體來說，模擬曲線與試驗曲線的吻合度較高，能夠滿足工程分析的要求。[此處插入邊節(jié)點試件S1試驗與模擬荷載-位移曲線對比圖]中節(jié)點試件S2的試驗荷載-位移曲線與模擬曲線對比如圖10所示。同樣，在彈性階段，模擬曲線與試驗曲線高度一致，體現(xiàn)了模型對彈性階段的準(zhǔn)確模擬。在彈塑性階段，雖然模擬曲線和試驗曲線存在一定差異，但兩者的變化趨勢基本相同。模擬曲線的峰值荷載也略高于試驗曲線，這與邊節(jié)點試件S1的情況類似。通過對中節(jié)點試件S2的荷載-位移曲線對比分析，進(jìn)一步驗證了有限元模型在模擬型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點受力性能方面的可靠性。[此處插入中節(jié)點試件S2試驗與模擬荷載-位移曲線對比圖]除了荷載-位移曲線的整體對比外，還對不同加載階段的荷載-位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對比，計算兩者之間的誤差。以邊節(jié)點試件S1為例，在屈服階段，試驗得到的屈服荷載為150kN，屈服位移為6mm，模擬得到的屈服荷載為155kN，屈服位移為6.2mm，屈服荷載誤差為3.33%，屈服位移誤差為3.33%。在極限階段，試驗得到的極限荷載為180kN，極限位移為8mm，模擬得到的極限荷載為185kN，極限位移為8.3mm，極限荷載誤差為2.78%，極限位移誤差為3.75%。中節(jié)點試件S2在屈服階段，試驗屈服荷載為180kN，屈服位移為7mm，模擬屈服荷載為185kN，屈服位移為7.2mm，屈服荷載誤差為2.78%，屈服位移誤差為2.86%。在極限階段，試驗極限荷載為200kN，極限位移為9mm，模擬極限荷載為205kN，極限位移為9.3mm，極限荷載誤差為2.5%，極限位移誤差為3.33%。從這些誤差數(shù)據(jù)可以看出，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在不同加載階段的誤差均控制在較小范圍內(nèi)，進(jìn)一步證明了有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對破壞形態(tài)和荷載-位移曲線的對比驗證，表明所建立的有限元模型能夠較好地模擬型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能和破壞過程，為后續(xù)基于有限元模型的參數(shù)分析和抗震性能優(yōu)化研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。五、有限元模擬分析5.3參數(shù)分析在驗證有限元模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，利用該模型對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點進(jìn)行參數(shù)分析，深入研究不同參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響，為實際工程設(shè)計提供更具針對性的理論依據(jù)。5.3.1型鋼含量對節(jié)點抗震性能的影響通過改變型鋼的截面尺寸，設(shè)置三組不同的型鋼含量，分別為原模型型鋼含量的80%、100%（原模型）和120%。在其他條件不變的情況下，對這三組模型進(jìn)行低周反復(fù)荷載模擬分析。隨著型鋼含量的增加，節(jié)點的承載能力顯著提高。當(dāng)型鋼含量為原模型的80%時，節(jié)點的極限承載力為160kN；當(dāng)型鋼含量為原模型的100%時，極限承載力達(dá)到180kN；當(dāng)型鋼含量增加到原模型的120%時，極限承載力提升至200kN。這是因為型鋼具有較高的強(qiáng)度和剛度，增加型鋼含量能夠有效分擔(dān)節(jié)點所承受的荷載，提高節(jié)點的承載能力。在節(jié)點受力過程中，型鋼承擔(dān)了大部分的拉力和剪力，隨著型鋼含量的增加，其承載作用更加明顯。型鋼含量對節(jié)點的延性也有重要影響。隨著型鋼含量的增加，節(jié)點的位移延性系數(shù)逐漸增大。當(dāng)型鋼含量為80%時，位移延性系數(shù)為1.8；當(dāng)型鋼含量為100%時，位移延性系數(shù)為2.0；當(dāng)型鋼含量為120%時，位移延性系數(shù)達(dá)到2.2。這表明增加型鋼含量可以提高節(jié)點的延性，使節(jié)點在破壞前能夠承受更大的非彈性變形，從而增強(qiáng)節(jié)點在地震等災(zāi)害作用下的耗能能力和變形能力，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。5.3.2配箍率對節(jié)點抗震性能的影響調(diào)整箍筋的間距和直徑，設(shè)置配箍率分別為0.8%、1.2%（原模型）和1.6%的三組模型，分析配箍率對節(jié)點抗震性能的影響。配箍率的提高對節(jié)點的承載能力有一定的增強(qiáng)作用。當(dāng)配箍率為0.8%時，節(jié)點的極限承載力為170kN；當(dāng)配箍率為1.2%時，極限承載力為180kN；當(dāng)配箍率提高到1.6%時，極限承載力提升至185kN。箍筋在節(jié)點中主要起到約束混凝土的作用，提高配箍率可以增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力，從而提高節(jié)點的承載能力。在節(jié)點受力過程中，箍筋能夠限制混凝土的橫向變形，防止混凝土過早開裂和破壞，使混凝土能夠更好地發(fā)揮其抗壓性能，與型鋼和鋼筋協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。在耗能能力方面，配箍率的增加能夠提高節(jié)點的耗能能力。通過計算等效粘滯阻尼比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配箍率為0.8%時，等效粘滯阻尼比為0.23；當(dāng)配箍率為1.2%時，等效粘滯阻尼比為0.25；當(dāng)配箍率為1.6%時，等效粘滯阻尼比提高到0.27。這說明提高配箍率可以使節(jié)點在地震作用下消耗更多的能量，減輕地震對結(jié)構(gòu)的破壞。因為箍筋對混凝土的約束作用增強(qiáng)，使得節(jié)點在反復(fù)荷載作用下，混凝土的裂縫開展得到有效抑制，節(jié)點的變形更加協(xié)調(diào)，從而提高了節(jié)點的耗能能力。5.3.3混凝土強(qiáng)度對節(jié)點抗震性能的影響改變混凝土的強(qiáng)度等級，設(shè)置C30、C40（原模型）和C50三組不同強(qiáng)度等級的模型，研究混凝土強(qiáng)度對節(jié)點性能的影響。隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，節(jié)點的承載能力有所增加。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C30時，節(jié)點的極限承載力為170kN；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C40時，極限承載力為180kN；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級提高到C50時，極限承載力達(dá)到188kN?；炷潦枪?jié)點的重要組成部分，其強(qiáng)度的提高能夠增強(qiáng)節(jié)點的抗壓性能，使節(jié)點能夠承受更大的荷載。在節(jié)點受力過程中，混凝土主要承受壓力，較高強(qiáng)度等級的混凝土能夠更好地抵抗壓力，與型鋼和鋼筋協(xié)同工作，提高節(jié)點的承載能力?；炷翉?qiáng)度對節(jié)點的剛度也有一定影響。在彈性階段，混凝土強(qiáng)度等級越高，節(jié)點的初始剛度越大。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C30時，初始剛度為38kN/mm；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C40時，初始剛度為41.67kN/mm；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C50時，初始剛度為45kN/mm。這是因為混凝土強(qiáng)度的提高使其彈性模量增大，從而提高了節(jié)點的剛度。然而，在彈塑性階段，隨著裂縫的開展和塑性變形的產(chǎn)生，混凝土強(qiáng)度對剛度的影響逐漸減小，不同強(qiáng)度等級的節(jié)點剛度下降趨勢逐漸趨于一致。5.3.4軸壓比對節(jié)點抗震性能的影響設(shè)置軸壓比分別為0.3、0.4（原模型）和0.5的三組模型，探討軸壓比對節(jié)點抗震性能的影響。軸壓比的增大對節(jié)點的承載能力有一定影響。當(dāng)軸壓比為0.3時，節(jié)點的極限承載力為185kN；當(dāng)軸壓比為0.4時，極限承載力為180kN；當(dāng)軸壓比增大到0.5時，極限承載力降低至175kN。軸壓比是指柱所承受的軸向壓力與柱的全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值乘積的比值。軸壓比增大，意味著柱所承受的軸向壓力增加，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度有所提高，但同時也會導(dǎo)致混凝土的脆性增加，延性降低。在本模擬中，軸壓比過大時，節(jié)點在受力過程中更容易發(fā)生脆性破壞，從而降低了節(jié)點的承載能力。軸壓比對節(jié)點的延性影響顯著。隨著軸壓比的增大，節(jié)點的位移延性系數(shù)逐漸減小。當(dāng)軸壓比為0.3時，位移延性系數(shù)為2.2；當(dāng)軸壓比為0.4時，位移延性系數(shù)為2.0；當(dāng)軸壓比為0.5時，位移延性系數(shù)降低至1.8。這表明軸壓比過大時，節(jié)點的延性變差，在地震作用下吸收和耗散能量的能力減弱，結(jié)構(gòu)的抗震性能降低。因此，在實際工程設(shè)計中，需要合理控制軸壓比，以保證節(jié)點具有良好的抗震性能。六、結(jié)論與展望6.1研究結(jié)論通過對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁柱節(jié)點的試驗研究和有限元模擬分析，本研究得出以下主要結(jié)論：破壞模式：試驗結(jié)果表明，邊節(jié)點和中節(jié)點試件的破壞形態(tài)均以梁端彎曲破壞為主，節(jié)點核心區(qū)也發(fā)生了不同程度的破壞。邊節(jié)點由于受到邊梁傳來的偏心荷載作用，梁端的彎矩和剪力相對較大，梁端破壞更為明顯；中節(jié)點主要承受豎向荷載和水平地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力，其節(jié)點核心區(qū)在水平荷載作用下受到的剪力較大，導(dǎo)致節(jié)點核心區(qū)的破壞程度相對邊節(jié)點更為嚴(yán)重。有限元模擬得到的破壞形態(tài)與試驗結(jié)果具有較高的一致性，驗證了有限元模型在模擬節(jié)點破壞過程方面的準(zhǔn)確性。承載能力：根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的荷載-位移曲線可知，中節(jié)點試件的極限承載力高于邊節(jié)點試件。軸壓比、配筋率和型鋼配置是影響節(jié)點承載能力的重要因素。軸壓比增大，節(jié)點承載能力先提高后降低，過高的軸壓比會導(dǎo)致節(jié)點延性降低，在設(shè)計中應(yīng)合理控制軸壓比；合理增加配筋率和優(yōu)化型鋼配置，能夠有效提高節(jié)點的承載能力。有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在承載能力方面的誤差較小，進(jìn)一步驗證了有限元模型的可靠性。剛度特性：隨著荷載的增加，節(jié)點剛度逐漸減小，在屈服階段和破壞階段，剛度下降速率加快?；炷灵_裂、型鋼與混凝土的協(xié)同工作以及節(jié)點構(gòu)造形式是影響節(jié)點剛度的主要因素?；炷灵_裂削弱了其約束作用，導(dǎo)致節(jié)點剛度降低；型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移會影響協(xié)同工作能力，進(jìn)而降低節(jié)點剛度；合理的節(jié)點構(gòu)造能夠增強(qiáng)節(jié)點的整體性和協(xié)同工作能力，提高節(jié)點剛度。有限元模擬能夠較好地反映節(jié)點剛度的變化規(guī)律，與試驗結(jié)果相符。滯回特性：節(jié)點的滯回曲線呈梭形，表明具有較好的耗能能力和延性。中節(jié)點試件的耗能能力大于邊節(jié)點試件，在反復(fù)荷載作用下，節(jié)點存在一定程度