混凝土框架梁柱節(jié)點抗震試驗研究進展

張 祥，蘇 捷

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

地震造成大量傷亡和損失的最主要原因有兩點：一是在地震中有大量建筑物倒塌；二是地震的發(fā)生就目前技術手段而言尚無法做出準確預測，無法給居民提供一個合適的避難時間。雖然近些年來在地震預測模型、地震的前兆異常研究等其它研究計劃上取得了重要成果，但就目前而言，提高結構建筑物的抗震性能仍是最有效避免或降低地震中的人員傷亡和財產(chǎn)損失的關鍵措施[1-3]。在進行結構設計時應考慮滿足社會經(jīng)濟效益最大化的要求，即性能化抗震設計，需要對各種構件在地震作用下的抗震機理和抗震性能進行充分研究。

框架結構在國際上一直被廣泛使用。震害觀測表明，起到連接作用的節(jié)點部分破壞是引起框架結構倒塌的主要原因(見圖1)，一方面，節(jié)點部分受力復雜，在水平地震荷載作用下會受到多種力共同作用，為應力集中區(qū)域。另一方面，在水平地震荷載作用下，節(jié)點會受到極大剪力作用，通常能達到3～6倍柱端所受剪力，是結構中典型薄弱部位，實際工程中常采取密集配筋的形式來保證節(jié)點質量，這帶來了節(jié)點施工困難的問題，導致質量難以保證。土木工程新材料方面的不斷突破，給框架節(jié)點的發(fā)展帶來了巨大變革，混凝土框架梁柱節(jié)點得到了飛速發(fā)展。本文綜述了近些年來在框架梁柱節(jié)點方面的試驗研究工作，并給當下發(fā)展方向給予了建議。

圖1 節(jié)點破壞引起建筑物倒塌

1 對普通混凝土框架節(jié)點研究

1.1 國外對普通混凝土框架節(jié)點研究

國外對節(jié)點抗震性能試驗起步較早，1969年HANSON等[4]發(fā)表了波特蘭協(xié)會進行的第一批梁柱節(jié)點試驗的結果，提出在節(jié)點中配置封閉的環(huán)向箍筋對于節(jié)點延性的發(fā)展與保持節(jié)點強度具有重要意義。此后MEINHEIT、TRAN、KIM、PARK等[5-8]就混凝土混凝土框架梁柱節(jié)點抗剪承載力方面進行了系統(tǒng)研究。ASAKUSA、DURRANI、EHSANI等[9-11]研究了框架梁柱中節(jié)點和邊節(jié)點的節(jié)點抗震性能，并探討了軸壓比、節(jié)點核心區(qū)配箍率、直交梁、柱內非角部鋼筋等因素對其綜合抗震性能的影響規(guī)律。針對梁柱節(jié)點核心區(qū)梁縱筋與混凝土之間的粘結能力問題，WOODWARD、KITAYAMA等[12-13]進行了節(jié)點抗震相關試驗，研究指出梁縱筋黏結滑移能力對梁柱節(jié)點的抗震性能具有很大影響。

PARK和PAULAY等[14-15]對混凝土框架節(jié)點傳利機理進行了研究，于19世紀70年代首次提出節(jié)點傳力由斜壓桿機制與桁架機制兩種傳力機制共同作用(見圖2)，就其傳力機制進行了深入探討。HWANG等[16-18]提出了拉-壓桿模型，并對該模型進行了不斷修正得到了簡化拉-壓桿模型(見圖3)，為混凝土節(jié)點承載力計算模型發(fā)展做出了重要貢獻。

(a)混凝土壓桿模型

(a)斜向機構

HENAGER[19]研究了鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點的抗震性能，證實了纖維混凝土用于梁柱節(jié)點抗震的可行性。隨后，F(xiàn)ILATRAULT等[20-21]通過試驗驗證了HENAGER等提出的鋼纖維可以有效替代節(jié)點核心區(qū)內水平箍筋的結論。GANESAN、ROHM、SHAKYA等[22-24]研究了纖維體積摻量對混凝土節(jié)點抗震性能的影響，并與2個普通鋼筋混凝土節(jié)點試件進行了對比。BAYASI等[25]分析了鋼纖維摻量與配箍減少率的關系，并提出相應的纖維混凝土節(jié)點抗剪承載力計算公式。

1.2 國內對普通混凝土框架節(jié)點研究

唐山大地震后，框架節(jié)點專題研究組[26-27]對鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點在低周反復荷載作用下的抗震性能進行了系統(tǒng)試驗，研究了軸壓比、節(jié)點核心區(qū)配箍率、混凝土強度等因素對節(jié)點抗震性能的影響，并提出了相應的框架節(jié)點抗震設計建議。后來徐云扉等[28]通過對試驗驗證了所提出的框架節(jié)點抗震設計方法的可行性。唐九如、李忠獻等[29-31]研究了框架節(jié)點在水平循環(huán)荷載作用下的抗剪承載力。呂西林、鐘易村、武秀瑩、莫林輝等[32-35]對往復荷載下節(jié)點核心區(qū)內縱筋粘結滑移進行了研究，指出貫穿節(jié)點的梁縱筋滑移引起的梁外端附加撓度占梁柱組合體外端總撓度的30%以上。傅劍平、白紹良等[36-37]按節(jié)點的受力特征將節(jié)點破壞分為斜拉型、斜壓型和斜拉-斜壓復合型3類，并指出除斜壓桿機制和桁架機制外節(jié)點核心區(qū)內還存在約束機制，見圖4。

圖4 約束機制

章文綱等[38]進行了鋼筋混凝土梁柱邊節(jié)點和鋼筋鋼纖維梁柱邊節(jié)點試件的對比試驗，試驗中，鋼纖維混凝土節(jié)點的耗能能力提高了27%，梁縱筋粘結滑移量減少了60%～78%。王宗澤等[39]通過試驗指出鋼纖維可以有效提高節(jié)點的受剪承載力和延性，但在節(jié)點中配置必要的水平箍筋仍是十分必要的。唐九如、鄭七振等[40-41]提出了考慮鋼纖維含量特征值的鋼筋鋼纖維混凝土梁柱節(jié)點受剪承載力計算公式。

2 高強混凝土框架節(jié)點研究進展

纖維的摻入有效提高了普通混凝土的延性能力，但其應變軟化特性使鋼纖維普通混凝土并不適用于節(jié)點抗震。為減小構件截面尺寸，降低箍筋用量，國內外學者開始試圖采用更高強度的混凝土來進行節(jié)點制作，對高性能混凝土框架梁柱節(jié)點的研究工作得到了相應開展。

史科[42]通過13個高強混凝土梁柱節(jié)點試驗，系統(tǒng)性地研究了軸壓比、混凝土強度、節(jié)點核心區(qū)配箍率、鋼纖維體積摻量等因素對節(jié)點抗震性能的影響。肖良麗等[43]對四榀高強混凝土框架節(jié)點進行了擬靜力試驗，指出高強混凝土節(jié)點中可適當減少箍筋用量。KANG等[44]研究了配置高強縱筋的高強混凝土節(jié)點的抗震性能，試驗中層間位移角達到5%時未見試件承載力發(fā)生退化，另外摻入1%的纖維減少了30%的節(jié)點核心區(qū)水平箍筋用量。史慶軒[45]研究了高強箍筋對高強混凝土節(jié)點抗震性能的影響，試驗中，配高強箍筋的試件延性系數(shù)高出普通箍筋試件9%，總耗散能量要高出57%，配置高強箍筋的試件表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗震性能。

SHANNAG等[46]通過試驗指出高性能纖維混凝土框架節(jié)點極限承載力可達到普通混凝土試件的3倍，耗能能力為普通混凝土節(jié)點試件的20倍，剛度退化能力僅是普通混凝土的1/2。蔣永生等[47]制作了5榀RC-HPC復合節(jié)點試件，試驗指出C60等級鋼纖維混凝土與鋼筋的黏結強度比C30等級纖維混凝土提高了47%，初裂強度提高40%。SAGHAFI等[48]采用HPC替代節(jié)點核心區(qū)和梁柱塑性鉸區(qū)域的普通混凝土，制作了2個復合節(jié)點試件與普通混凝土節(jié)點試件進行了對比，試驗中RC-HPC復合節(jié)點試件延性系數(shù)比普通混凝土試件高出了15%左右，且高強混凝土節(jié)點的使用，改變了構件原有破壞模式。MANTESINOS等[49]取消了節(jié)點核心區(qū)域中箍筋的配置，且將梁塑性鉸區(qū)域箍筋間距放大了一倍，進行了相關擬靜力試驗，試驗中試件在較大剪切荷載作用下仍能正常工作。

3 超高性能混凝土框架節(jié)點研究

UHPC是一種新型建筑材料，其超高的強度和優(yōu)異的延性變形能力使得UHPC在結構抗震領域中具有廣闊應用前景，目前對于UHPC框架節(jié)點抗震主要有王德弘、鞠彥忠、崔建華等[50-53]開展了研究工作。

研究成果主要有以下幾點：

a.研究了纖維摻量為1.3%的UHPC框架梁柱節(jié)點試件的破壞特征和破壞形式。研究結果表明：UHPC框架梁柱節(jié)點的破壞特征和破壞形式與普通混凝土相似，但UHPC節(jié)點開裂強度更高，可達到極限強度的70%，通裂階段UHPC試件裂縫開展較慢，裂縫分布呈密而廣的趨勢，進入破壞階段后UHPC試件能很好地保持構件的完整性，并未出現(xiàn)普通混凝土框架節(jié)點常出現(xiàn)的混凝土大面積剝落現(xiàn)象，損傷控制能力優(yōu)異。

b.系統(tǒng)性地研究了節(jié)點類型、縱筋強度和縱筋配筋率、軸壓比、節(jié)點核心區(qū)配箍率、梁內腰筋與柱內非角部鋼筋等因素對UHPC節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律。并通過Opensees和Abaqus等有限元軟件對其影響規(guī)律進行了驗證。

c.對UHPC框架節(jié)點抗裂性能進行了系統(tǒng)研究，探討了軸壓比、纖維摻量、節(jié)點核心區(qū)配箍量等因素對UHPC框架節(jié)點抗裂性能的影響。并考慮纖維抗拉拔阻力的有利作用，在簡化拉-壓桿模型基礎上建立了UHPC框架邊節(jié)點在復合作用下的初裂承載力計算公式，見式(1)。

(1)

d.對UHPC節(jié)點的傳力機制進行了探討并建立了UHPC框架邊節(jié)點在復合作用下的受剪承載力計算模型，提出了相應的UHPC框架節(jié)點在地震荷載下的抗剪承載力計算公式，見式(2)。

(2)

4 節(jié)點破壞過程

混凝土框架梁柱節(jié)點的破壞過程主要可分為以下幾個階段(破壞現(xiàn)象見圖5)：

(a)普通混凝土框架節(jié)點

a.彈性階段：該階段主要在節(jié)點出現(xiàn)裂縫之前，此時構件基本處于彈性階段，承載力和剛度基本不發(fā)生退化。在彈性階段中，構件主要依靠混凝土基體來承載，鋼筋作用很小，故高強混凝土和超高性能混凝土的彈性階段要長于普通混凝土構件。

b.彈塑性階段：此階段中，隨裂縫不斷發(fā)展，構件剛度出現(xiàn)退化，梁縱筋屈服過后并隨著變形向節(jié)點核心區(qū)滲透，剛度退化速度開始增快，節(jié)點核心區(qū)箍筋應變不斷增長，節(jié)點殘余位移累積增大，直至達到構件峰值強度。

c.退化階段：進入退化階段后，核心區(qū)裂縫寬度不斷增長，節(jié)點變形明顯加大，殘余位移已經(jīng)積累到非常大的程度，構件承載力和剛度退化加劇，隨后發(fā)生破壞。不同材料在退化階段呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)，傳統(tǒng)混凝土框架梁柱節(jié)點常出現(xiàn)混凝土大面積剝落現(xiàn)象，而高強混凝土脆性較大，其破壞相對會更為突然，UHPC框架節(jié)點具有很好的損傷控制能力，能很好地保持構件的完整性。

5 節(jié)點抗震性能主要影響因素

節(jié)點抗震性能主要受以下幾個方面因素影響：

a.混凝土強度。

強度的增加會提高框架梁柱節(jié)點受剪承載力和初始剛度，但同時會導致脆性加大，降低節(jié)點構件的延性和耗能能力，對構件承載力和剛度退化也會有不利影響。高強混凝土與超高性能混凝土節(jié)點中一般都會通過添加纖維或密集配筋來對構件延性進行補償。

b.節(jié)點核心區(qū)水平箍筋。

節(jié)點核心區(qū)水平箍筋對混凝土框架節(jié)點抗震有著積極作用。水平箍筋可以對節(jié)點核心區(qū)混凝土起到約束作用，從而提高節(jié)點延性和耗能能力。此外，還能直接參與節(jié)點核心區(qū)剪力的承擔工作，提高構件抗剪承載力。雖然纖維的摻入可以有效減少構件中水平箍筋的用量，但無論是在普通混凝土、高強混凝土還是超高性能混凝土節(jié)點中配置適量的箍筋仍是十分必要的。

c.柱端軸壓力。

軸壓力對于混凝土節(jié)點抗震性能的影響是一個極為復雜的問題，其對節(jié)點核心區(qū)域的綜合抗震性能的影響尚未形成共識。如在KITAYAMA等[13]、MEINHEIT等[5]和KIM等[7]學者的研究中發(fā)現(xiàn)柱端軸壓力對節(jié)點延性和極限承載力影響很小。趙成文、胡慶昌等[55-56]提出一定范圍內增大節(jié)點核心區(qū)作用的軸壓力在提高節(jié)點開裂強度和極限強度的同時，會加劇節(jié)點的承載能力退化，降低構件延性；而傅建平等[57]根據(jù)試驗結果認為軸壓比對于節(jié)點核心區(qū)的抗震性能影響需要結合構件所受剪壓比的大小進行綜合考慮。

d.纖維摻量。

適量摻入纖維可以顯著提高構件延性和耗能能力，同時降低構件承載力和剛度降低速度，并提高構件的損傷控制能力。一方面，纖維的橋架作用可以有效抑制核心區(qū)裂縫的發(fā)展，對核心區(qū)混凝土起到了約束作用；另一方面，纖維受力時的脫粘、被拔出或被拉斷需要消耗很大的能量，提高了構件的耗能能力。由于纖維提高了鋼筋周圍混凝土基體的完整性，令鋼筋與混凝土的粘結能力得到強化，提高了構件的強度和剛度保持能力。

e.梁縱筋與混凝土之間的粘結性能。

錨固破壞是一種常見的節(jié)點破壞模式，在地震力的反復作用下，傳統(tǒng)混凝土與鋼筋的粘結性能在通裂階段會迅速惡化，導致鋼筋與混凝土的粘結發(fā)生失效，節(jié)點區(qū)域可能提前發(fā)生錨固破壞。通過增加限制梁縱筋相對貫穿長度、鋼筋錨固形式、短梁頭、轉移梁端塑性鉸等措施均可有效增大梁縱筋與混凝土之間的粘結性能，提高節(jié)點構件的綜合抗震性能。

f.貫通節(jié)點的柱內非角部縱筋和梁內腰筋。

貫通節(jié)點的柱內非角部縱筋和梁部腰筋柱內非角部縱筋可以提高節(jié)點構件初始剛度與抗剪強度，增大節(jié)點延性和耗能能力。一方面，貫通節(jié)點的柱內非角部鋼筋和梁內腰筋可以給核心區(qū)混凝土提供有效約束，抑制裂縫的發(fā)展；另一方面，它還參與了桁架機構中主拉應力的承擔工作，起到一分部抗剪作用。

6 框架節(jié)點受剪計算公式

各國學者對節(jié)點的傳力機理理解不同，各自相關規(guī)范中所提出的對混凝土節(jié)點設計控制標準也并不統(tǒng)一。部分國家認為節(jié)點中所需箍筋用量與節(jié)點作用剪力的大小有關，首先計算出節(jié)點中的剪力大小，然后利用所提出的抗剪公式推導出節(jié)點的箍筋用量。采用這類控制體系的有代表性規(guī)范主要有中國GB50010、新西蘭NZS3101、歐州Eurocode8等[58-60]規(guī)范。還有部分國家則強調對節(jié)點中的最大剪壓比進行控制，然后按照最小配箍量控制條件確定箍筋用量。美國ACI318-14[61]和日本AIJ—1990[62]規(guī)范采用該類控制。公式列表見表1。

材料構成上的差異使得普通混凝土結構抗震設計規(guī)范并不適用于超高性能混凝土結構，一方面，超高性能混凝土并不存在粗骨料，節(jié)點核心區(qū)裂縫兩側的骨料咬合力對抗震受剪能力的貢獻將極大弱化，另一方面，纖維的橋架作用在提供節(jié)點受剪能力的同時減小了斜裂縫間混凝土的受壓計算長度。

王德宏[63]認為UHPC節(jié)點受剪承載力主要由混凝土、水平箍筋和鋼纖維三部分提供，基于試驗結果，提出了UHPC節(jié)點受剪承載力計算，相對于湖南省地方規(guī)程[64]提出的UHPC框架梁柱節(jié)點抗剪承載力計算公式[見式(3)]，王德弘所提式中忽略了軸壓力對節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力的影響[見式(2)]，主要是考慮到粗骨料消失導致裂縫兩側骨料咬合力和摩擦力貢獻的弱化，致使軸壓力對節(jié)點核心區(qū)裂縫的抑制能力無法轉化為節(jié)點承剪能力。對比節(jié)點抗剪承載力試驗值與DBJ 43/T 325—2017、王德弘所提公式計算結果，如表2所示。由表2可見，兩種關于UHPC框架梁柱節(jié)點承載力計算公式均能很好預測UHPC框架梁柱節(jié)點的實際抗剪承載能力。

表1 普通混凝土框架節(jié)點抗剪承載力計算公式Table 1 Calculation formula of shear bearing capacity of concrete frame joints規(guī)范計算公式計算模型ACI318Vn=0.083φγf′c bjhj壓桿-拉桿模型AIJ-1990Vju≤k? Fj bj hj壓桿-拉桿模型NZS3101Vjh=f′c fyhAsh6 fyAsb(1.4-1.6Pu/(bjhj f′c))桁架-斜壓桿機構GB50010Vj=1γRE(1.1ηj ft hj bj+0.05ηjNbjbc+fyvAsvjho-a′ss)基于桁架-斜壓桿模型的半經(jīng)驗公式EC8Vjbj hjc=λγRd(12 τRd+vd fcd)+Ash fydbjhjw壓桿-拉桿模型注: 表中規(guī)范所提公式針對一般情況下。

DBJ 43/T 325—2017規(guī)程所提公式：

(3)

表2 UHPC節(jié)點抗剪承載力計算公式對比Table 2 Comparison of calculation formulas for shear bearing capacity of UHPC nodes節(jié)點試件編號試驗值承載力計算值V王德宏VDBJ43/T325V王/V試驗VDB/V試驗EJ-1271.2245.56305.120.911.12邊節(jié)點EJ-2302.63224.02287.410.740.94EJH-1232.88200.51245.960.861.05J-1374.82299.88305.440.800.81中節(jié)點J-3380.91279.51311.200.730.82LJ-31 128.09833.62920.910.740.82LJ-8967.21710.40787.800.730.81

7 發(fā)展趨勢和展

普通混凝土框架節(jié)點雖已發(fā)展較為成熟，但為順應現(xiàn)今建筑結構向高層、大跨發(fā)展的趨勢，滿足建筑結構高強、減重的要求，國內外學者開始研究強度更高、延性更加優(yōu)異的新型節(jié)點以解決當下建筑結構所遇瓶頸。合理設計的HPC和UHPC框架節(jié)點具有更加優(yōu)異的綜合抗震性能，可有效解決當前工程結構中普遍存在如結構自重大、配筋過多、耗能能力不足等關鍵問題。研究新材料框架節(jié)點抗震性能，對促進其在結構抗震領域中的發(fā)展和應用，推進抗震設計規(guī)范和條款等標準體系的建立，具有十分重要的意義。結合前人關于節(jié)點方面的研究成果，本文作者綜合考慮之下，提出了以下幾點發(fā)展方向：

a.目前關于HPC與UHPC框架節(jié)點傳力機制、承載能力設計等方面研究工作較匱乏，僅見國內東南大學蔣永生教授、鄭州大學高丹盈教授和國外首爾大學KANG教授等相關團隊就HPC框架節(jié)點傳力機制、抗剪承載力計算公式方面開展了相關研究工作，而UHPC框架節(jié)點方面僅哈爾濱工業(yè)大學鄭文忠教授和日本廣島大學SUNGANO教授等[65]相關團隊開展了此方面研究工作，當前研究成果并不足以支撐相關部分的抗震設計規(guī)范的編制，還需深入研究。

b.現(xiàn)今關于HPC與UHPC節(jié)點抗震相關研究尚不具備普適性。材料材性上的突破必然導致新型節(jié)點抗震性能受如軸壓比、混凝土強度等相關因素影響呈現(xiàn)出與普通混凝土節(jié)點不同的規(guī)律。有研究指出提高UHPC梁縱筋配筋率可以增大其彎曲延性，表現(xiàn)出與普通混凝土梁構件截然相反的趨勢[66]和在0.71的軸壓比下，UHPC柱在強震下位移延性系數(shù)仍達到了5.31[67]。這都表明材料材性上的差異使得部分傳統(tǒng)因素對新型節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律出現(xiàn)變化，需進一步研究。

c.傳統(tǒng)混凝土由于變性能力差，無法充分發(fā)揮高性能鋼筋的工作能力。研究表明UHPC與高強鋼筋和高強材料能夠充分發(fā)揮彼此的高強特性，保持構件高延性變形能力的同時能有效減少構件中的鋼筋用量，具有非常現(xiàn)實的經(jīng)濟意義與工程意義。對配置高強鋼筋或高性能材料如FRP的UHPC構件的研究工作還有待進一步開展。

d.傳統(tǒng)混凝土耐腐蝕能力和抗凍融循環(huán)特性差，并不適用于在如海洋環(huán)境等極端環(huán)境條件下工作。研究表明UHPC節(jié)點在循環(huán)荷載作用下具有更加優(yōu)異的抗裂性能，且其材料本身耐腐蝕性和抗凍融循環(huán)特性優(yōu)異，在極端環(huán)境下對其抗震性能進行研究很有實際工程意義。

e.實際震害后，普通混凝土節(jié)點破壞嚴重，震后修復工作困難。配置適量纖維后的HPC節(jié)點與UHPC節(jié)點在損傷控制能力方面具有明顯優(yōu)勢，破壞時基體完整性保持更好。對HPC和UHPC框架節(jié)點在震后修補，以及修復后結構二次受震方面研究工作有待開展。另外，UHPC本身是很好的混凝土加固材料，法赫德國王石油與礦業(yè)大學的KHAN教授團隊曾就采用UHPC加固后的傳統(tǒng)混凝土節(jié)點進行了擬靜力試驗，結果表明采用UHPC對傳統(tǒng)混凝土框架節(jié)點進行加固，可以有效提高原結構的綜合抗震性能，不同材料對混凝土框架節(jié)點加固效果具體參數(shù)見表3。

表3 不同材料對混凝土框架節(jié)點加固效果對比Table 3 Comparison of the reinforcement effect of different materials on concrete frame joints研究者加固材料加固層厚度/mm提高程度/%強度剛度耗能KHAN[68]UHPC Cast in-suit30125179210KHAN[68]Prefabricated UHPFRC Plates30144120160ESMAEELI[69]GFRP Strengthened SHCC2546.7Restored95ESMAEELI[70]Prefabricated HCP2551.422.584TSONOS[71]Ferrocement Jacket3016.634171TSONOS[72]Shotcrete Jacketing7011575120

f.當下制約HPC和UHPC在實際工程中應用除尚無成體系的設計規(guī)范以外，其造價較高也是一主要原因。有學者已經(jīng)開展了關于框架梁柱組合構件中節(jié)點核心區(qū)域采用HPC或UHPC制成的復合節(jié)點構件抗震性能的研究工作，已驗證其可行性，對此方面的研究有助于推動HPC和UHPC框架節(jié)點在實際工程中的推廣應用。