鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂性能試驗(yàn)研究

史 科，高丹盈，趙 軍

(鄭州大學(xué)新型建材與結(jié)構(gòu)研究中心，河南鄭州450002)

梁柱節(jié)點(diǎn)作為傳力樞紐是框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件.由于節(jié)點(diǎn)部位裂縫出現(xiàn)后修復(fù)困難，應(yīng)該重視對(duì)某些處于特殊環(huán)境和特別重要的建筑物進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂驗(yàn)算.高強(qiáng)混凝土同普通強(qiáng)度混凝土相比，致密堅(jiān)實(shí)，具有較好的抗?jié)B性能，摻入鋼纖維還能有效抑制高強(qiáng)混凝土早期開裂與延性差的弱點(diǎn)，采用鋼纖維高強(qiáng)混凝土是提高節(jié)點(diǎn)抗裂性能的有效方法.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂性能的研究主要集中在普通強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)上［1－4］，而對(duì)于鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂性能的研究較少.

筆者通過(guò)8個(gè)鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，分析了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、軸壓比、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)抗裂性能的影響，提出了鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好.

1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)假定梁柱反彎點(diǎn)位于跨中及柱中，共制作了8個(gè)框架中間層端部梁柱節(jié)點(diǎn)組合體，模型的縮尺比為1/2.試件按照《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2002)［5］和《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS 38∶93)［6］進(jìn)行設(shè)計(jì)，試件尺寸及配筋如圖1所示.

圖1 試件尺寸和配筋圖

試驗(yàn)參數(shù)為:鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、軸壓比、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率.試件制作時(shí)，采用的鋼纖維類型為鋼錠銑削型纖維(AMI 04－32－600)，長(zhǎng)徑比(L/d)為34.24，等效直徑為0.943 mm，抗拉強(qiáng)度≥700 MPa，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60.根據(jù)《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13∶89)［7］和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)［8］規(guī)定，試件成型時(shí)每個(gè)試件用于立方體抗壓、軸心抗壓、劈拉、彈性模量試驗(yàn)的試塊各預(yù)留3個(gè)，實(shí)測(cè)材料性能見表1.

表1 試驗(yàn)材料性能 MPa

試驗(yàn)在鄭州大學(xué)新型建材和結(jié)構(gòu)研究中心試驗(yàn)室進(jìn)行，采用多通道電液伺服動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行梁端低周反復(fù)加載.試驗(yàn)開始時(shí)，首先使用液壓千斤頂在柱頂施加設(shè)定的軸向力并保持恒定，之后由電液伺服作動(dòng)器在梁端施加低周反復(fù)荷載.根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ 101—96)［9］，梁端的加載制度采取荷載－位移混合控制的方法.荷載控制階段主要為了確定梁的屈服荷載，分兩個(gè)循環(huán)，第一循環(huán)加載至計(jì)算屈服值的75%，第二循環(huán)加載至屈服;之后是位移控制階段，以屈服位移的倍數(shù)為級(jí)差進(jìn)行加載，每級(jí)反復(fù)循環(huán)兩次，直到荷載值降低至最大承載力的85%左右時(shí)認(rèn)為試件破壞.試驗(yàn)過(guò)程中，梁端荷載－位移滯回曲線由加載系統(tǒng)自動(dòng)采集;鋼筋應(yīng)變、混凝土應(yīng)變及電測(cè)百分表數(shù)據(jù)由試驗(yàn)室CM－2B靜態(tài)應(yīng)變儀采集;每級(jí)循環(huán)峰值時(shí)使用DJCK－2裂縫寬度測(cè)量?jī)x觀察裂縫寬度，主要試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)主要試驗(yàn)結(jié)果

其中，試件在梁端荷載P作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)初裂剪力(Vj)按下式［3］計(jì)算:

式中符號(hào)意義如圖2所示.

圖2 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)初裂剪力計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的主要影響因素與計(jì)算方法

2.1 節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的主要影響因素

影響鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的因素是多方面的.國(guó)內(nèi)外對(duì)普通混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的研究認(rèn)為，梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的主要影響因素有混凝土抗拉強(qiáng)度、配箍率與軸壓比等［1－4］.在此根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、軸壓比和配箍率對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的影響.

2.1.1 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)

鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)比系列，分別包含核心區(qū)配置相同箍筋的BJ－2和BJ－3試件的對(duì)比，以及核心區(qū)均無(wú)箍筋的BJ－4和BJ－5試件的對(duì)比.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)初裂剪力與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖3所示.

圖3 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出，相同條件下增加鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂強(qiáng)度有較明顯的效果.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)摻入鋼纖維后，初裂剪力提高主要是由于鋼纖維的阻裂作用，鋼纖維在混凝土內(nèi)部形成“橋架”［10］，調(diào)節(jié)了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)，有效抑制節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)部微裂縫的發(fā)展.隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，跨越微裂縫的鋼纖維數(shù)目也增多，但是有研究［11］表明，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于1.5%時(shí)，增強(qiáng)效果較小，這是由于鋼纖維摻量過(guò)多，使得混凝土的和易性較差，從而引起混凝土內(nèi)部微裂縫增多.

2.1.2 配箍率

配箍率對(duì)比系列，分別包含核心區(qū)無(wú)鋼纖維的BJ－1和BJ－2試件的對(duì)比，以及核心區(qū)鋼纖維體積率相同的BJ－4和BJ－8試件的對(duì)比.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)初裂剪力與配箍率的關(guān)系如圖4所示.

圖4 配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，隨著配箍率的增加，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂強(qiáng)度略有提高，影響不顯著.這一點(diǎn)與趙鴻鐵［3－4］所做的鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)以及魏林，鄭七振等［11］所做的普通強(qiáng)度等級(jí)的鋼纖維混凝土節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)論一致.試驗(yàn)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土開裂前，測(cè)得的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋應(yīng)變變化較小，開裂時(shí)箍筋承擔(dān)的剪力約為全部剪力的6%左右.配置適量箍筋使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)初裂剪力提高的原因是，一方面箍筋直接承擔(dān)了少量的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力，另一方面是由于箍筋對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的約束作用，提高了混凝土抗裂強(qiáng)度.

2.1.3 軸壓比

軸壓比對(duì)比系列為 BJ－4，BJ－6和 BJ－7試件.節(jié)點(diǎn)核心區(qū)初裂剪力與軸壓比關(guān)系如圖5所示.

圖5 軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出，隨著軸壓比增大，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂強(qiáng)度也有所提高.軸壓比的影響可以解釋為:在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土開裂前，軸壓比的增加促使柱截面受壓區(qū)面積加大，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜壓桿作用得到提高.文獻(xiàn)［12］所做的鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn).需要指出的是，本文和文獻(xiàn)［12］試驗(yàn)設(shè)計(jì)的軸壓比變化范圍為0.0～0.4，在此范圍內(nèi)隨著軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)抗裂性能有所提高，但是軸壓比較大時(shí)，是否能夠提高節(jié)點(diǎn)的抗裂性能目前尚無(wú)統(tǒng)一觀點(diǎn).

2.2 鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的計(jì)算方法

2.2.1 基本假定

試驗(yàn)表明，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜裂縫首先出現(xiàn)在核心區(qū)中心處，之后向?qū)欠较蜓由?節(jié)點(diǎn)開裂前，核心區(qū)基本處于彈性階段，箍筋應(yīng)力很小，剪力主要由核心區(qū)混凝土承擔(dān).因此，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，并參照普通鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度計(jì)算方法［3－4］作如下假定:①節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)斜裂縫前，處于彈性工作狀態(tài);②節(jié)點(diǎn)核心區(qū)開裂前剪力主要由混凝土承擔(dān)，箍筋的作用采用系數(shù)α考慮;③節(jié)點(diǎn)核心區(qū)中心點(diǎn)處主拉應(yīng)力最大.

依據(jù)上述假定，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)中心點(diǎn)處斜截面上的主拉應(yīng)力達(dá)到鋼纖維高強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，節(jié)點(diǎn)即開裂.

2.2.2 鋼纖維高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度計(jì)算方法

在地震荷載作用下，鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)受力情況和核心區(qū)中心點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示.

圖6 節(jié)點(diǎn)受力及核心區(qū)中心點(diǎn)應(yīng)力圖

根據(jù)材料力學(xué)主拉應(yīng)力σ1計(jì)算公式得:

由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪應(yīng)力分布的不均勻性［3－4］以及彎矩的存在，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)并非完全處于剪切狀態(tài)，所以本文采用綜合影響系數(shù)β來(lái)反映這些影響，即

式中:bj，hj為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的有效寬度和高度，計(jì)算時(shí)可取柱的寬度和高度;Vj，cr為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂強(qiáng)度.

將 σy，σ1，σx，τxy表達(dá)式代入式(1)，得到鋼纖維高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)抗裂度計(jì)算公式為

式中:α為箍筋影響系數(shù);β為剪應(yīng)力綜合影響系數(shù).

2.2.3 鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗拉初裂強(qiáng)度f(wàn)ftcr的確定

鋼纖維混凝土出現(xiàn)裂縫后，跨越裂縫的鋼纖維可以繼續(xù)承擔(dān)拉力，因此抗拉強(qiáng)度會(huì)比初裂強(qiáng)度高，鋼纖維混凝土的抗拉初裂強(qiáng)度為其抗拉強(qiáng)度f(wàn)ft的87%［13］，取 fftcr=0.87fft.

文獻(xiàn)［14］通過(guò)試驗(yàn)研究指出，在一定范圍內(nèi)鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度隨著鋼纖維體積率與長(zhǎng)徑比的增大而提高，并且在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式:

式中:ft為高強(qiáng)混凝土基體的抗拉強(qiáng)度，l/d為鋼纖維長(zhǎng)徑比，νf為鋼纖維體積分?jǐn)?shù).

利用公式(4)計(jì)算本文試件的鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3.實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之比的平均值為0.993，標(biāo)準(zhǔn)差為0.031，變異系數(shù)為0.031，吻合較好，因此采用此公式.

表3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比

2.2.4 影響系數(shù)α和β的確定

根據(jù)本文和文獻(xiàn)［11］試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)同等條件下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配置箍筋與未配箍筋試件初裂強(qiáng)度試驗(yàn)值的對(duì)比分析，得到配置箍筋試件相對(duì)于未配置箍筋的試件，初裂強(qiáng)度平均提高了6%左右.由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋因素對(duì)抗裂度影響較小，因此文中α取為常數(shù)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配置箍筋時(shí)α=1.06，未配箍筋時(shí)α=1.0.由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，α的具體取值還有待進(jìn)一步研究.

利用文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)線性回歸分析得到β=0.645.因此，建議鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂強(qiáng)度的計(jì)算公式如下.

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未配箍筋

其中fft

cr=0.87fft.將文中數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)［15］的數(shù)據(jù)，按照建議的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值對(duì)比情況見表4.試驗(yàn)值和計(jì)算值之比的平均值為0.993，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.069，變異系數(shù)為 0.069.

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配置箍筋

表4 節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

1)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、軸壓比和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配箍率影響鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的抗裂性能，其中鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的影響更為顯著.

2)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)初裂階段，剪力主要由核心區(qū)混凝土承擔(dān).核心區(qū)配置箍筋，對(duì)節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的提高有一定效果.

3)在試驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，提出的鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度計(jì)算方法，與普通強(qiáng)度鋼筋混凝土和鋼筋鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗裂度計(jì)算公式相銜接，并與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

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