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

摘要：為減小配置HRB600鋼筋梁柱邊節(jié)點的梁筋粘結(jié)退化，設(shè)計鋼纖維整體增強或局部增強的梁柱邊節(jié)點，進(jìn)行兩個配置HRB600/HRB400鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點和2個配置HRB600高強鋼筋的鋼纖維整體增強或局部增強的混凝土梁柱邊節(jié)點的低周往復(fù)荷載試驗，得到試件的破壞形態(tài)和滯回曲線，對比分析邊節(jié)點的耗能能力、延性性能、核心區(qū)剪切變形和梁筋粘結(jié)退化。結(jié)果表明：往復(fù)荷載下HRB600鋼筋混凝土節(jié)點具有較高的承載能力、耗能能力和延性性能，但HRB600鋼筋與普通混凝土粘結(jié)退化過快;鋼纖維整體增強或局部增強混凝土的措施可以減緩HRB600梁筋粘結(jié)退化，改善邊節(jié)點的破壞形態(tài)，減小核心區(qū)的剪切變形，提高耗能能力;鋼纖維整體增強的梁柱邊節(jié)點具有更高的延性性能和耗能能力，其HRB600梁筋粘結(jié)退化更為緩慢。

關(guān)鍵詞：梁柱邊節(jié)點;HRB600鋼筋;鋼纖維混凝土;抗震性能

中圖分類號：TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：20966717（2020）04010508

收稿日期：20191014

基金項目：河北省自然科學(xué)基金（E2018202290、E2019202064）;河北省高層次人才資助項目（B2017003003）

作者簡介：張健新（1986 ），女，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震研究，Email： zhangjianxin505@126.com。

Received：20191014

Foundation items：Natural Science Foundation of Hebei Province （No. E2018202290，E2019202064）; HighLevel Talents Project of Hebei Province （B2017003003）

Author brief：Zhang Jianxin （1986 ）， PhD， main research interest： structure seismic， Email： zhangjianxin505@126.com.

Experimental analysis on seismic behavior of steel fiber concrete beamcolumn exterior joints with HRB600 reinforcement bars

Zhang Jianxin， Zhang Biao， Ding Chuanlin

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

Abstract： In order to reduce the bond degradation of beam reinforcement bars in beamcolumn exterior joints with HRB600 reinforcement bars， the beamcolumn exterior joints with overall or local steel fiber concrete were designed. The lowcycle loading tests were carried out on two ordinary concrete beamcolumn exterior joint with HRB600/HRB400 reinforcement bars， and two steel fiber concrete beamcolumn exterior joints with overall or local steel fiber concrete and HRB600 reinforcement bars. The failure modes， hysteresis curves， energy dissipation， ductility， shear deformation in the core zone and bond degradation of beam reinforcement bars were analyzed. The research results showed that the joints with HRB600 reinforcement bars exhibited higher bearing capacity， energy dissipation capacity and ductility under lowcycle loading， but the bond degradation between HRB600 reinforcement bar and ordinary concrete degraded too quickly. The exterior joint reinforced by overall or local steel fiber concrete exhibited slower bond degradation of HRB600 beam reinforcement bars， slighter failure mode， smaller shear deformation in the joint core area， and larger energy dissipation capacity. The beamcolumn exterior joint with overall steel fiber concrete had higher ductility and energy dissipation capacity compared with the beamcolumn exterior joint with local steel fiber concrete， and the bond degradation of HRB600 beam bars was slower.

Keywords：exterior beamcolumn joint; HRB600 reinforcement bars; steel fiber concrete; seismic behavior

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)注高強鋼筋高性能混凝土結(jié)構(gòu)的研究[12]。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[34]。采用HRB600高強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[57]。張健新等[8]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用HRB600高強鋼筋高強混凝土節(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。為了解決高強鋼筋梁筋粘結(jié)性能差的問題，可以采用纖維增強類混凝土。纖維增強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[1013]，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)者們進(jìn)行了纖維增強類混凝土梁柱節(jié)點的相關(guān)研究，取得了一定的研究成果[1415]。韓建平等[16]對混雜纖維增強的梁柱節(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或局部增強的梁柱邊節(jié)點。通過進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗，對比分析高強鋼筋、鋼纖維混凝土增強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高強鋼筋的鋼纖維整體增強混凝土梁柱邊節(jié)點BJ3和配置HRB600高強鋼筋的鋼纖維局部增強混凝土梁柱邊節(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度設(shè)計值之比，按式（1）計算[18]。

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11.6.24計算;fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值;bj和hj為節(jié)點核心區(qū)截面寬度和高度。

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“強柱弱梁”的設(shè)計原則，梁縱筋采用近似等強代換以實現(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。

混凝土強度等級為C55，普通混凝土立方體抗壓強度實測平均值為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。

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。

2破壞形態(tài)

各試件的最終破壞形態(tài)如圖3所示。

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HRB600高強鋼筋混凝土試件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。

對比邊節(jié)點試件BJ1和試件BJ2可以看出，采用HRB600高強鋼筋的試件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或局部增強的梁柱邊節(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的試件BJ3，鋼纖維混凝土局部增強的試件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。

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。

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。

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。

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HRB600鋼筋的邊節(jié)點BJ3和鋼纖維局部增強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。

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。

鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3和鋼纖維局部增強的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。

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。

配置HRB600高強鋼筋的邊節(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高強鋼筋的優(yōu)良性能的發(fā)揮。

鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點試件BJ3和鋼纖維局部增強的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。鋼纖維整體增強或局部增強的措施可以改善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。鋼纖維整體增強或局部增強的HRB600鋼筋混凝土邊節(jié)點比未增強的邊節(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。參考文獻(xiàn)：

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（編輯胡玲）