HRB600鋼筋鋼纖維混凝土梁柱邊節(jié)點抗震性能試驗研究

張健新，張標(biāo)，丁傳林

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401)

隨著高性能結(jié)構(gòu)的發(fā)展，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)的要求，許多學(xué)者關(guān)注高強(qiáng)鋼筋高性能混凝土結(jié)構(gòu)的研究[1-2]。作為混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的梁柱節(jié)點，其抗震需求較高，因此，需要配置足夠數(shù)量的鋼筋，由此導(dǎo)致節(jié)點區(qū)域鋼筋密集。特別是梁柱邊節(jié)點，梁縱筋在節(jié)點區(qū)域彎折錨固致使節(jié)點區(qū)域鋼筋密集，澆筑混凝土容易擁堵而不容易密實[3-4]。采用HRB600高強(qiáng)鋼筋可以減少鋼筋用量，減少節(jié)點區(qū)域鋼筋擁堵。學(xué)者們進(jìn)行了配置HRB600高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點構(gòu)件的抗震性能試驗與理論分析[5-7]。張健新等[8]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用HRB600高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)混凝土節(jié)點具有良好的滯回性能。Hwang等[9]進(jìn)行配置600 MPa鋼筋的梁柱節(jié)點擬靜力試驗，發(fā)現(xiàn)梁底部鋼筋粘結(jié)滑移較為明顯。為了解決高強(qiáng)鋼筋梁筋粘結(jié)性能差的問題，可以采用纖維增強(qiáng)類混凝土。纖維增強(qiáng)類混凝土具有抑制裂縫發(fā)展、改善結(jié)構(gòu)開裂性能等優(yōu)勢[10-13]，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)者們進(jìn)行了纖維增強(qiáng)類混凝土梁柱節(jié)點的相關(guān)研究，取得了一定的研究成果[14-15]。韓建平等[16]對混雜纖維增強(qiáng)的梁柱節(jié)點進(jìn)行抗震性能試驗研究。Qureshi等[17]對摻加鋼纖維和玻璃纖維的混凝土梁柱節(jié)點的剪切性能進(jìn)行研究。以上纖維增強(qiáng)類混凝土梁柱節(jié)點中梁柱鋼筋采用普通鋼筋，梁筋在低應(yīng)力水平下表現(xiàn)出較好的粘結(jié)性能。當(dāng)梁縱筋采用HRB600高強(qiáng)鋼筋時，節(jié)點段梁筋的應(yīng)力水平會較高，與鋼纖維混凝土在核心區(qū)域的粘結(jié)性能方面的研究尚未涉及。

為研究HRB600高強(qiáng)鋼筋在高應(yīng)力水平下與鋼纖維混凝土在梁柱邊節(jié)點區(qū)域的粘結(jié)性能，筆者設(shè)計了改善HRB600梁筋粘結(jié)性能的鋼纖維整體增強(qiáng)或局部增強(qiáng)的梁柱邊節(jié)點。通過進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗，對比分析高強(qiáng)鋼筋、鋼纖維混凝土增強(qiáng)范圍以及剪壓比對梁柱邊節(jié)點抗震性能的影響。

1 構(gòu)件設(shè)計

共設(shè)計和制作4根梁柱邊節(jié)點，分別為配置HRB600高強(qiáng)鋼筋的普通混凝土梁柱邊節(jié)點BJ1、配置HRB400普通鋼筋的普通混凝土梁柱邊節(jié)點BJ2、配置HRB600高強(qiáng)鋼筋的鋼纖維整體增強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點BJ3和配置HRB600高強(qiáng)鋼筋的鋼纖維局部增強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點BJ4，構(gòu)件BJ3和BJ4主要是為了分析鋼纖維增強(qiáng)范圍對節(jié)點破壞形態(tài)的影響，鋼纖維體積百分含量為1.2%。整個試驗的主要參數(shù)變化為鋼筋的強(qiáng)度等級、混凝土的種類、鋼纖維混凝土的應(yīng)用范圍以及剪壓比，各試件試驗參數(shù)見表1。剪壓比γ為截面平均剪應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值之比，按式(1)計算[18]。

(1)

式中：Vj為節(jié)點剪力，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)中公式11.6.2-4計算；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；bj和hj為節(jié)點核心區(qū)截面寬度和高度。

表1 各試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

與構(gòu)件BJ4相比，配置HRB400普通鋼筋的邊節(jié)點構(gòu)件BJ2柱縱筋采用等面積代換以滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計原則，梁縱筋采用近似等強(qiáng)代換以實現(xiàn)梁端彎矩近似相等。各試件的配筋圖如圖1所示，圖中E代表HRB600鋼筋。

圖1 試件配筋詳圖Fig.1 Details of specimen reinforcement

混凝土強(qiáng)度等級為C55，普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度實測平均值為55.6 MPa，鋼纖維混凝土的為57.3 MPa。試件梁柱縱筋為HRB600/HRB400鋼筋，箍筋為HRB400鋼筋，各鋼筋的力學(xué)性能見表2。

表2 鋼筋力學(xué)性能實測平均值Table 2 Measured average mechanical properties of reinforcement bars

構(gòu)件采用梁端加載，加載裝置如圖2所示。先通過豎向千斤頂施加柱頂505 kN恒定荷載以模擬軸壓力，試件屈服之前通過拉壓千斤頂在梁端施加力，每級循環(huán)1次，屈服之后在梁端施加位移，每級循環(huán)3次，直至梁端荷載下降到極限荷載的85%時，認(rèn)定試件破壞。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test loading device

2 破壞形態(tài)

各試件的最終破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimens

配置HRB400普通鋼筋的普通混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ2和配置HRB600高強(qiáng)鋼筋的普通混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ1在破壞時，節(jié)點核心區(qū)均有大面積的混凝土剝落，試件BJ1核心區(qū)混凝土的剝落量稍高。這個結(jié)果在一定程度上與試件BJ1的剪壓比比試件BJ2的剪壓比大(約12.4%)有關(guān)，在一定程度上加重了節(jié)點核心區(qū)剪切破壞程度。與普通混凝土邊節(jié)點試件BJ1、BJ2相比，鋼纖維增強(qiáng)HRB600高強(qiáng)鋼筋混凝土試件BJ3和BJ4的裂縫數(shù)量多，破壞時核心區(qū)混凝土保護(hù)層未出現(xiàn)明顯脫落，這主要是由于鋼纖維限制了裂縫的開展與傳播，從而有效控制了核心區(qū)混凝土剝落。相對于剪壓比較小的鋼纖維局部增強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ4，剪壓比較大的鋼纖維整體增強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3的開裂形式和裂縫分布規(guī)律基本相同，同時，試件BJ3核心區(qū)混凝土保護(hù)層出現(xiàn)輕微脫落，而剪壓比較小的鋼纖維局部增強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ4混凝土脫落不明顯，表明在鋼纖維增強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點中，降低剪壓比更有利于減少核心區(qū)混凝土的損傷。

3 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線

各試件的實測荷載-位移滯回曲線如圖4所示。

圖4 荷載-位移滯回曲線Fig.4 Load-displacement hysteresis curve

對比邊節(jié)點試件BJ1和試件BJ2可以看出，采用HRB600高強(qiáng)鋼筋的試件BJ1滯回環(huán)更加飽滿，且極限承載力更高，說明應(yīng)用HRB600高強(qiáng)鋼筋可以提高試件的承載能力和耗能能力。對比邊節(jié)點試件BJ1、BJ3和BJ4可以看出，采用鋼纖維整體增強(qiáng)或局部增強(qiáng)的梁柱邊節(jié)點試件BJ3和BJ4，滯回環(huán)更為飽滿，捏縮效應(yīng)得到改善。相對于鋼纖維混凝土整體增強(qiáng)的試件BJ3，鋼纖維混凝土局部增強(qiáng)的試件BJ4承載力稍有下降，滯回曲線飽滿程度略差，說明鋼纖維混凝土整體增強(qiáng)試件的滯回效果更好。

3.2 剛度退化

剛度退化情況是分析節(jié)點抗震性能的另一個重要因素，剛度退化曲線如圖5所示。剛度退化率為割線剛度與初始割線剛度的比值,割線剛度Ki按式(2)計算。

(2)

式中：+Fi和-Fi為第i循環(huán)的正向和負(fù)向荷載，+Δi和-Δi為第i循環(huán)對應(yīng)的位移。

圖5 剛度退化曲線Fig.5 Stiffness degradation curve

試件的剛度退化經(jīng)歷陡降段、緩降段和近平臺段。配置HRB600鋼筋邊節(jié)點試件BJ1比配置HRB400鋼筋試件BJ2的剛度退化率較大，剛度退化較為緩慢，表明采用高強(qiáng)鋼筋能夠有效緩解節(jié)點的剛度退化。對比配置HRB600鋼筋普通混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ1和配置HRB600鋼筋鋼纖維整體增強(qiáng)混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3，試件BJ3的剛度退化曲線更加平緩，這主要是因為鋼纖維通過限制裂縫的發(fā)展最終保證了節(jié)點核心區(qū)的整體性，進(jìn)而緩解節(jié)點的剛度退化。與剪壓比較低的鋼纖維局部增強(qiáng)HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ4相比，剪壓比較高的鋼纖維整體增強(qiáng)HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3的剛度退化較為緩慢，表明增大鋼纖維混凝土的應(yīng)用范圍可以延緩節(jié)點的剛度退化。

3.3 耗能能力

結(jié)構(gòu)的耗能能力是評判結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素，取當(dāng)前循環(huán)之前每個滯回環(huán)的面積之和為累積耗能，各個構(gòu)件的累積耗能曲線如圖6所示。

圖6 累積耗能曲線Fig.6 Cumulative energy dissipation curve

配置HRB600鋼筋混凝土試件BJ1比配置HRB400鋼筋混凝土試件BJ2的累積耗能值高，表現(xiàn)出更高的耗能能力，表明提高鋼筋強(qiáng)度等級會增加結(jié)構(gòu)的能量耗散。與配置HRB600鋼筋普通混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ1相比，鋼纖維整體增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3在加載中后期具有較高的累積耗能值，表明其具有較高的耗能能力。鋼纖維局部增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ4，由于其梁筋的配筋率較小，破壞時節(jié)點相應(yīng)的承載能力較低，因此，滯回環(huán)的面積相對較小，致使其累積耗能值比未增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土邊節(jié)點的略低。

3.4 承載能力和位移延性

各邊節(jié)點荷載及位移見表3，邊節(jié)點的延性系數(shù)如圖7所示。延性系數(shù)為破壞位移與屈服位移的比值。

表3 各試件荷載及位移Table 3 Load and displacement of specimens

圖7 試件延性系數(shù)Fig.7 Ductility factor of specimens

相較于配置HRB400普通鋼筋的普通混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ2，配置HRB600鋼筋梁柱邊節(jié)點試件BJ1的屈服、極限和破壞荷載平均值分別比試件BJ2高4.7%、9.3%和9.4%，說明在普通混凝土結(jié)構(gòu)中，用HRB600鋼筋的試件承載能力得到提高。相比普通混凝土試件BJ1，鋼纖維整體增強(qiáng)的邊節(jié)點試件BJ3的開裂、屈服、極限和破壞荷載相差不明顯，鋼纖維對試件的承載力貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。與配置HRB600鋼筋普通混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ1相比，鋼纖維整體增強(qiáng)HRB600鋼筋的邊節(jié)點BJ3和鋼纖維局部增強(qiáng)HRB600鋼筋試件BJ4的開裂位移平均值分別提高約6.6%和24.8%，表明采用鋼纖維通過提高混凝土的抗拉性能和抗裂性能來提高節(jié)點的開裂位移。高強(qiáng)鋼筋試件BJ1、BJ3和BJ4分別比普通鋼筋混凝土試件BJ2的破壞位移平均值高14.4%、21.4%和3.7%，延性系數(shù)平均值分別比BJ2試件高5.4%、14.4%和4.5%，表明HRB600鋼筋可以提高邊節(jié)點的變形能力和延性性能。與鋼纖維局部增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ4相比，鋼纖維整體增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點BJ3的屈服位移、破壞位移和延性系數(shù)平均值分別高約5.2%、17.0%和9.3%，說明采用鋼纖維整體增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土邊節(jié)點具有較高的變形能力和延性性能。鋼纖維局部增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點BJ4的反向屈服位移略大，破壞位移略小，其反向延性系數(shù)為2.98，略小于3.0，但正反向平均位移延性系數(shù)為3.48，具有良好的延性性能。

3.5 節(jié)點核心區(qū)剪切變形

在梁柱邊節(jié)點的核心區(qū)沿對角線方向布置兩個位移計，通過測量變形來計算核心區(qū)的剪切變形[2]，各節(jié)點的剪切-轉(zhuǎn)角滯回曲線如圖8所示。

圖8 剪力-轉(zhuǎn)角滯回曲線Fig.8 Shear-rotational hysteresis curve

配置HRB600鋼筋的邊節(jié)點試件BJ1比配置HRB400鋼筋的試件BJ2的剪力高，節(jié)點核心區(qū)的剪切變形較大，這主要是由于配置HRB600鋼筋試件BJ1的剪壓比比配置HRB400鋼筋試件BJ2的剪壓比大約12.4%，試件BJ1采用HRB600高強(qiáng)鋼筋，試件的受剪承載力增加約9.3%，在一定程度上增加了節(jié)點核心區(qū)剪切破壞程度。

鋼纖維整體增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3和鋼纖維局部增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ4在整個試驗過程中核心區(qū)的剪切變形較小，說明應(yīng)用鋼纖維混凝土通過改善節(jié)點核心區(qū)的破壞形態(tài)，從而限制節(jié)點核心區(qū)的剪切變形。

3.6 節(jié)點段的梁筋粘結(jié)退化

通過梁端300 mm及核心區(qū)的梁縱筋每隔50 mm粘貼應(yīng)變片計算得到粘結(jié)應(yīng)力與極限粘結(jié)應(yīng)力比值[19]，繪制節(jié)點段的梁筋粘結(jié)退化曲線如圖9所示。粘結(jié)應(yīng)力τb按式(3)計算。

(3)

式中：Tbr、Csl分別為節(jié)點段梁筋所受的拉力和壓力；hc為水平錨固段長度；Sb為鋼筋周長。

圖9 梁筋粘結(jié)退化曲線Fig.9 Beam reinforcement bond degradation curve

配置HRB600高強(qiáng)鋼筋的邊節(jié)點試件BJ1比配置HRB400鋼筋的試件BJ2的節(jié)點段梁筋粘結(jié)退化快，主要是由于隨著節(jié)點變形的增加，HRB600梁筋的屈服滲透過快，從而導(dǎo)致梁筋粘結(jié)退化程度加快，這在一定程度上限制了HRB600高強(qiáng)鋼筋的優(yōu)良性能的發(fā)揮。

鋼纖維整體增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3和鋼纖維局部增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ4在加載中后期節(jié)點段梁筋的粘結(jié)應(yīng)力比較大，其粘結(jié)退化較為緩慢，主要是因為鋼纖維能夠有效限制裂縫的發(fā)展，在構(gòu)件破壞時，節(jié)點核心區(qū)混凝土較完整，因此，梁筋具有較好的粘結(jié)條件，其粘結(jié)退化較為緩慢，HRB600鋼筋與鋼纖維混凝土具有良好的協(xié)同工作能力。鋼纖維整體增強(qiáng)的HRB600鋼筋邊節(jié)點試件BJ3梁筋的粘結(jié)條件優(yōu)于鋼纖維局部增強(qiáng)的邊節(jié)點試件BJ4，其粘結(jié)應(yīng)力比較大，梁筋粘結(jié)退化程度較為緩慢。

4 結(jié)論

1)配置HRB600/HRB400鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的核心區(qū)剪切破壞，剪切變形較大，梁筋粘結(jié)退化較為嚴(yán)重。鋼纖維整體增強(qiáng)或局部增強(qiáng)的措施可以改善HRB600鋼筋邊節(jié)點的破壞形態(tài)，節(jié)點核心區(qū)完整性較好，節(jié)點核心區(qū)的剪切變形得到有效控制，節(jié)點段的梁筋粘結(jié)退化得到有效減緩。

2)配置HRB600鋼筋混凝土邊節(jié)點表現(xiàn)出較高的承載能力、耗能能力和延性性能，剛度退化得到有效減緩。鋼纖維整體增強(qiáng)或局部增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土邊節(jié)點比未增強(qiáng)的邊節(jié)點的耗能能力得到提高，剛度退化得到減緩。

3)鋼纖維混凝土與高強(qiáng)鋼筋協(xié)同工作能力優(yōu)于普通混凝土，采用鋼纖維整體增強(qiáng)的HRB600鋼筋混凝土邊節(jié)點表現(xiàn)出較高的延性性能和耗能能力，較為緩慢的剛度退化和梁筋粘結(jié)退化性能。綜合考慮抗震性能與施工的便捷性，建議對配置HRB600鋼筋邊節(jié)點整體采用1.2%體積百分含量的鋼纖維混凝土。