高強(qiáng)鋼筋高韌性混凝土框架中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

李艷艷++李明煬++蘇恒博

摘要：對(duì)4個(gè)高強(qiáng)鋼筋高韌性混凝土框架中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，對(duì)比不同范圍采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)與同條件下未增強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)的承載能力、變形能力、滯回特性、剛度退化、耗能能力等抗震性能指標(biāo)。結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)中采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)，可以改善節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)，提高試件的承載能力和變形能力，提高構(gòu)件的抗震性能，由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)延伸至1倍有效梁高范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)對(duì)變形性能、剛度退化、延性和耗能能力增強(qiáng)效果最佳。

關(guān)鍵詞：中節(jié)點(diǎn)；高強(qiáng)鋼筋；高韌性混凝土；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU375文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）01008607

收稿日期：20160304

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金（E2015202035）； 天津建委科技項(xiàng)目（20152）

作者簡(jiǎn)介：李艷艷（1979），女，教授，博士，主要從事工程抗震研究，（Email）nicole_820@163.com。

Received：20160304

Foundation item： Hebei Province Nature Found（No. E2015202035）； Science and Technology Project of Tianjin Construction（No.20152）

Author brief：Li Yanyan（1979）， professor， PhD， main research interest： engineering seismology， （Email）nicole_820@163.com.Experimental analysis of seismic behavior of interior joints with

highstrength reinforcement and hightoughness concrete

Li Yanyan1，2， Li Mingyang1， Su Hengbo1

（1. School of Civil Engineering and Transportation， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， P.R. China；

2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province， Tianjin 300401， P.R. China）

Abstract：Four interior joints with highstrength reinforcement and hightoughness concrete were investigated with low cyclic loading. Joints under different rage of hightoughness concrete and those without were compared in terms of seismic behavior indexes such as bearing capacity， deformability， hysteretic characteristics， stiffness degradation and energy dissipation capacity. The failure patterns， bearing capacity， deformability and seismic behavior of those frame interior joints with hightoughness concrete were improved， and the offective rarge of hightoughness concrete was from core area of joint to the one time adjacent height of beam to improve deformability and stiffness degradation.

Keywords：interior joints； highstrength reinforcement； hightoughness concrete； seismic behavior

節(jié)點(diǎn)區(qū)域是框架結(jié)構(gòu)主要傳力樞紐，由于其承受和傳遞左右梁端彎矩、剪力以及柱子的軸力，使其處于最不利的受力狀態(tài)，成為框架最薄弱的環(huán)節(jié)[12]。改善框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能已引起許多學(xué)者的關(guān)注。高韌性混凝土具有比普通混凝土更強(qiáng)的韌性、更大的延性、更高的抗拉強(qiáng)度和更好的耐久性，與高強(qiáng)鋼筋配合，可以有效解決高強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬以及延性差的問(wèn)題[34]，從而能夠充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢(shì)，形成高性能的結(jié)構(gòu)。迄今為止，許多學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究分析[514]，得出纖維增強(qiáng)混凝土可改善框架梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞特征、滯回性能等抗震性能指標(biāo)，但是對(duì)高強(qiáng)鋼筋與高韌性混凝土在節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用研究相對(duì)較少。因此，文中對(duì)高強(qiáng)鋼筋高韌性混凝土中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，研究高韌性混凝土對(duì)構(gòu)件抗震性能的增強(qiáng)作用以及確定高韌性混凝土的最佳摻入范圍。

1試驗(yàn)概況

設(shè)計(jì)4個(gè)構(gòu)件，柱高2.8 m，柱截面350 mm×350 mm，梁截面b×h=250 mm×400 mm。對(duì)比試件JZP1未進(jìn)行增強(qiáng)，試件JZQ1僅在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)，試件JZQ2在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及向梁延伸350 mm（1倍有效梁高）范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)，試件JZQ3在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及向梁延伸550 mm（1.5倍有效梁高）范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)。

試件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，高韌性混凝土是將一種端鉤形剪切鋼纖維按1.2%體積分?jǐn)?shù)摻入到混凝土配合比中，該鋼纖維長(zhǎng)度30 mm，長(zhǎng)徑比為60，抗拉強(qiáng)度約為1 000 MPa，高韌性混凝土的等效彎曲強(qiáng)度平均值為4.5 MPa，彎曲韌性比為082[15]。梁柱縱筋為600 MPa級(jí)鋼筋，符號(hào)用E來(lái)表示，柱中構(gòu)造短柱筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400級(jí)鋼筋，箍筋采用HRB400級(jí)鋼筋，具體混凝土力學(xué)性能實(shí)測(cè)平均值見(jiàn)表1，鋼筋力學(xué)性能實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2，試件配筋圖如圖1所示。表1節(jié)點(diǎn)混凝土性能指標(biāo)

Table 1Property indexes of concrete of joint強(qiáng)度

等級(jí)立方體抗壓

強(qiáng)度f(wàn)cu/MPa軸心抗壓強(qiáng)

度f(wàn)c/ MPa彈性模量

Ec/GPaC5555.435.435.4高韌性C5555.135.035.3

表2鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)

Table 2Mechanical indexes of steel鋼筋

等級(jí)鋼筋直徑

d/mm屈服強(qiáng)度

fy/MPa極限強(qiáng)度

fu/MPaHRB40010521.99696.39HRB40018471.81623.18HRB40020530.26638.54600 MPa18635.47785.04600 MPa25619.76784.03

圖1試件配筋圖

Fig. 1Reinforcement detailing of Specimen試驗(yàn)采用擬靜力加載，柱頂施加恒定軸力510 kN，梁端施加低周往復(fù)荷載，加載裝置如圖2。試驗(yàn)采用荷載位移聯(lián)合控制，即在試件屈服之前采用荷載控制，該階段每一級(jí)加載只循環(huán)1次，直至試件屈服；在試件屈服之后采用位移控制，每一級(jí)加載循環(huán)3次，直至加載至曾達(dá)到的最大荷載的85%時(shí)，宣告試件破壞。

圖2加載裝置

Fig.2Test loading device2破壞特征

4個(gè)節(jié)點(diǎn)的破壞特征如圖3所示，通過(guò)對(duì)比其破壞特征可以發(fā)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn)JZP1梁柱端以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫出現(xiàn)較早，裂縫數(shù)量較少，但裂縫寬度較大。當(dāng)加載至試件破壞時(shí)，梁柱交界處和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)大部分混凝土脫落，核心區(qū)出現(xiàn)交叉的X形混凝土脫落縫，且箍筋全部外露。而采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)JZQ1、JZQ2和JZQ3，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫出現(xiàn)較晚，裂縫數(shù)量多，但其裂縫寬度較小，與JZP1相比，減緩了斜裂縫的開(kāi)展，直至加載至試件破壞時(shí)，梁柱交界處混凝土保護(hù)層裂而不碎，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)交叉多條X形斜裂縫，幾乎沒(méi)有混凝土脫落。通過(guò)分析可知，采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)可以減小節(jié)點(diǎn)裂縫寬度，減緩裂縫發(fā)展速度，改善節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)。對(duì)比JZQ1、JZQ2和JZQ3，JZQ2節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大裂縫寬度最小，且其梁柱交界處破壞最輕，表明由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)延伸至1倍有效梁高范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的改善能力最佳。

圖3節(jié)點(diǎn)破壞特征

Fig.3Failure characteristics of joints3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1荷載位移滯回曲線

為實(shí)現(xiàn)梁兩端同步加載，通過(guò)三通將兩根油管分別連接在左右梁千斤頂上，由于導(dǎo)管與千斤頂?shù)姆忾]性不同，無(wú)法使左右梁端實(shí)現(xiàn)完全同步，數(shù)據(jù)存在一定偏差，試驗(yàn)規(guī)定左右梁端同時(shí)施加推力為正向加載，同時(shí)施加拉力為反向加載，4個(gè)構(gòu)件的荷載位移滯回曲線如圖4所示。

圖4荷載位移曲線

Fig.4Loadingdisplacement curves由圖4可知，滯回曲線由開(kāi)始的梭形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，破壞時(shí)呈反S形。試件屈服后，隨著循環(huán)次數(shù)增加，試件梁端變形不斷增大，但是試件梁端承載力提高效果并不顯著，加載曲線的斜率隨荷載增大而減小，表明試件屈服后，構(gòu)件剛度隨著控制位移的增大而減小。同位移控制下的3次循環(huán)加載曲線斜率在不斷減小，這是因?yàn)橥鶑?fù)加載作用下結(jié)構(gòu)的累積損傷。在卸載初期，滯回曲線斜率較大，卸載剛度較大。隨著荷載的不斷減小，曲線逐漸趨于平緩，在接近于0時(shí)，構(gòu)件有一定的不能恢復(fù)的殘余變形，且殘余變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

未增強(qiáng)的試件JZP1在加載前期滯回性能較好，但其在加載后期出現(xiàn)明顯的“捏縮”現(xiàn)象，且剛度退化較快。反觀采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的試件JZQ1、JZQ2和JZQ3，剛度退化更加緩慢，后期變形能力更大，可見(jiàn)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)可提高試件的耗能能力，改善試件的滯回性能。

3.2承載能力和變形能力

4個(gè)試件的骨架曲線如圖5所示。采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的試件與未增強(qiáng)的試件相比，其屈服后強(qiáng)化幅度更長(zhǎng)，變形能力更好，曲線包圍面積更大，有效的改善了節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度等脆性特征。

圖5骨架曲線

Fig.5Skeleton curves由表3可得出，中節(jié)點(diǎn)試件JZQ1、JZQ2、JZQ3分別比未增強(qiáng)中節(jié)點(diǎn)試件JZP1的開(kāi)裂荷載均值提高0%～4.52%，屈服荷載均值提高1.9%～4%，極限荷載均值高1%～7%，表明采用高韌性混凝土增強(qiáng)的中節(jié)點(diǎn)在一定程度上可提高試件的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載，但提高效果不顯著。

試件JZQ1、JZQ2、JZQ3的開(kāi)裂位移平均值比試件JZP1分別提高37%、46%、29%，可見(jiàn)高韌性混凝土增強(qiáng)對(duì)加載初期變形能力具有很好的改善作用。加載后期提高幅度有所下降，JZQ1、JZQ2與JZQ3破壞位移較JZP1提高0%～10.8%，其中JZQ2提高了10.8%，說(shuō)明采用高韌性混凝土增強(qiáng)的中節(jié)點(diǎn)可提高試件的變形能力，試件JZQ2增強(qiáng)效果最佳。

構(gòu)件的延性性能一般用位移延性系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。位移延性系數(shù)是試件破壞位移與試件屈服位移之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示。μu = Δ u Δ y （1）式中：μu為位移延性系數(shù)；Δu為破壞位移，即試件承載力下降到極限荷載85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移；Δy為屈服位移，試件屈服時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移。

為保證試件具有較高的曲率延性，位移延性系數(shù)取為3～5，表中所有試件的位移延性都大于3.5，且采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)試件較未增強(qiáng)的試件提高幅度為1.3%～4.4%，JZQ2提高幅度最大，表明所有摻加高韌性混凝土試件具有較好的延性，主要原因是由于高韌性混凝土提高了混凝土的致密性，改善了節(jié)點(diǎn)脆性破壞特征。綜合節(jié)點(diǎn)承載能力、變形能力、位移延性、強(qiáng)度和剛度可以看出，由節(jié)點(diǎn)延伸至梁中1倍有效梁高范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)效果最佳。

表3節(jié)點(diǎn)承載力、位移及延性系數(shù)

Table.3Bearing capacity， displacement and ductility coefficient of joints試件

編號(hào)加載

方向荷載/kN開(kāi)裂屈服極限破壞位移/mm開(kāi)裂屈服極限破壞延性

系數(shù)JZP1JZP1JZP1JZQ1JZQ1JZQ1JZQ2JZQ2JZQ2JZQ3JZQ3JZQ3正向61.3697.85114.9896.828.9226.8653.66107.424.00反向62.38101.07112.695.718.0522.1447.7979.283.58平均61.8799.46113.7996.278.4824.5050.7393.353.79正向62.6996.54113.6792.5111.9524.3152.81101.274.17反向66.65106.14116.2098.7711.2225.2251.2388.673.52平均64.67101.34114.9495.6411.5824.2752.0294.973.84正向64.5793.79111.5994.8512.2526.3846.1190.723.44反向63.58112.53126.62107.8312.5025.9051.50116.204.49平均64.07103.16119.11101.3412.3828.6448.81103.463.96正向63.30103.71122.0196.6310.4026.7639.3694.253.52反向60.13103.14121.14102.9711.4224.4441.1689.293.65平均61.72103.43121.5899.8010.9125.6040.2691.773.593.3剛度退化

框架中節(jié)點(diǎn)剛度指的是等效剛度，是骨架曲線原點(diǎn)與滯回環(huán)頂點(diǎn)連線的斜率。剛度退化率指試件在第i次循環(huán)加載時(shí)的剛度與初始剛度之比。具體試件正反向平均位移與平均剛度退化率曲線見(jiàn)圖6。試件總體上在加載前期剛度退化較快，在加載后期曲線趨于平緩，剛度退化較慢。采用高韌性混凝土增強(qiáng)的試件在各工況下的剛度均大于同條件下未增強(qiáng)的試件，且增強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線較為平緩，這是由于高韌性混凝土的加入能夠很好地減緩混凝土裂縫的發(fā)展，在裂縫出現(xiàn)以后還能保持較好的整體性，表明節(jié)點(diǎn)中采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)可降低剛度退化速率，提高節(jié)點(diǎn)抵抗變形的能力，且試件JZQ2曲線最為平緩，減緩剛度退化效果最佳。

圖6剛度退化曲線

Fig.6Curves of stiffness degradation3.4耗能能力

一般用等效粘滯阻尼系數(shù)he來(lái)評(píng)定試件耗能能力大小，he越大，耗能能力越大，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性越好。he定義為he=12π×SABCDSOCF+SOAE（2）式中：SABCD為滯回環(huán)ABCD的面積；SOCF、SOAE為理想狀況下彈性階段達(dá)到相同位移OF、OE時(shí)所吸收的能量。

圖7滯回環(huán)示意圖

Fig.7Hysteresis circle試件各級(jí)位移下最后一次循環(huán)時(shí)的等效粘滯阻尼系數(shù)與位移關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8等效粘滯阻尼系數(shù)

Fig.8Coefficient of equivalent viscous damping由圖8可知，采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)的試件等效粘滯阻尼系數(shù)在各個(gè)工況下均大于同條件下未增強(qiáng)的試件，表明采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)可提高試件的耗能能力，綜合來(lái)看，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)延伸至1倍有效梁高范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)效果最佳。

3.5剪力轉(zhuǎn)角滯回曲線

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)定框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力設(shè)計(jì)值計(jì)算出中間節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力，試驗(yàn)時(shí)剪切變形主要通過(guò)如圖9所示的布置在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)對(duì)角線上LVDT的伸縮量，通過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算出節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切角。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形如圖10所示，節(jié)點(diǎn)剪切變形可近似按式（3）計(jì)算，從而得到核心區(qū)剪力轉(zhuǎn)角滯回曲線，如圖11所示，JZP1試件在加載過(guò)程中量測(cè)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)變形的LVDT損壞未能測(cè)出數(shù)據(jù)。

圖9節(jié)點(diǎn)核心區(qū)

LVDT布置

Fig.9LVDT arrangement

of joints core area圖10梁柱節(jié)點(diǎn)

剪切變形

Fig.10Shear

deformation of joints

γ=a2+b2ab×|δ1+δ′1+δ2+δ′2|2 （3）式中：γ為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形； b、a為節(jié)點(diǎn)區(qū)寬度與高度；δ1+δ′1、δ2+δ′2LVDT1與LVDT2變形。

圖11剪力轉(zhuǎn)角滯回曲線

Fig.11Hysteretic curves of shearrotation由圖11可看出，試件JZQ1、JZQ2與JZQ3均有較大的抗剪承載能力，節(jié)點(diǎn)試件抗剪承載能力隨著高韌性混凝土摻加范圍的增大而增大，JZQ3抗剪承載能力最大。JZQ1、JZQ2破壞時(shí)剪切轉(zhuǎn)角均未超過(guò)0.01 rad，JZQ3剪切轉(zhuǎn)角超過(guò)0.01 rad，且JZQ3剪切剛度退化較小。

3.6節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋應(yīng)變

為了分析節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋垂直受力方向和平行受力方向箍肢在不同受力階段的狀態(tài)，在箍筋在平行受力方向和垂直受力方向上各取一肢，每肢中部粘貼應(yīng)變片，具體應(yīng)變片位置見(jiàn)圖12。

圖12節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋應(yīng)變片的位置

Fig.12Location of stirrup strain gauge為了消除實(shí)際混凝土強(qiáng)度不同對(duì)試件承載能力的影響，可以用承載力除以混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)面積的乘積來(lái)表征，即單位混凝土的受剪能力剪壓比。剪壓比定義為γ=Vfcbchc（4）式中：γ為剪壓比；V為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；bc為驗(yàn)算方向柱截面寬度；hc為驗(yàn)算方向柱截面高度。

節(jié)點(diǎn)的剪壓比箍筋應(yīng)變曲線如圖13所示，取平行于受力方向的橫向箍筋應(yīng)變片G3和垂直于受力方向縱向箍筋應(yīng)變片G4為例進(jìn)行說(shuō)明節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋應(yīng)變片的應(yīng)變變化情況。

圖13剪壓比箍筋應(yīng)變

Fig.13Shear compression ratiostirrup strain1）對(duì)比節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不同位置箍筋應(yīng)變變化，中節(jié)點(diǎn)平行于受力方向的箍筋應(yīng)變片G3在加載前期有較大應(yīng)變，且其隨著剪壓比的增大而迅速增大，表明中節(jié)點(diǎn)試件中與剪力平行方向位置的箍筋先承受剪力，且其承受的拉力較大。相比之下，與剪力垂直方向的箍筋拉力相對(duì)較小，且與剪力方向平行的箍筋承擔(dān)的拉力大于與剪力方向垂直的箍筋的拉力。

2）對(duì)比不同試件同一位置處箍筋應(yīng)變變化，JZQ1、JZQ2和JZQ3核心區(qū)箍筋屈服應(yīng)變發(fā)生推遲，且破壞時(shí)最大應(yīng)變較小，說(shuō)明采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)可提高核心區(qū)混凝土抗剪能力，且JZQ2核心區(qū)箍筋破壞應(yīng)變最小，能承受更大的剪力，故由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)延伸至梁中1倍有效梁高范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)效果最為顯著。

4結(jié)論

1）在中節(jié)點(diǎn)中采用高韌性混凝土進(jìn)行加強(qiáng)，可有效改善節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)，減少節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫數(shù)量，減小裂縫寬度。

2）采用高韌性混凝土增強(qiáng)的中節(jié)點(diǎn)可提高試件的承載能力和變形能力，且框架中節(jié)點(diǎn)組合體的位移延性系數(shù)處于3～5之間，具有較好的延性。

3）采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)可以減緩試件剛度的退化，提高試件耗能能力，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抵抗變形的能力。

4）采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)可提高核心區(qū)混凝土抗剪能力，推遲核心區(qū)箍筋屈服，能夠承受更大的剪力，且JZQ2增強(qiáng)效果最佳。

5）綜合考慮節(jié)點(diǎn)破壞特征、變形能力以及剛度退化等各項(xiàng)指標(biāo)，在由節(jié)點(diǎn)核心延伸至1倍有效梁高范圍內(nèi)采用高韌性混凝土進(jìn)行增強(qiáng)效果最佳。

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