鋼纖維高強混凝土框架節(jié)點梁截面曲率延性的試驗研究

尚宏偉， 楊 勇

1中材建設(shè)有限公司（063030） 2河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司（450002）

1 試驗概況

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定[4]，設(shè)計制作了9個縮小比例尺的框架邊節(jié)點試件,試件尺寸及模擬邊界條件如圖1所示。由于采用木模板澆筑，每個試件尺寸略有偏差，因此柱、梁的實際長度和截面尺寸以試件的實測值為準，其中柱、梁的實際長度分別用lc和lb表示。圖1中填充區(qū)摻加鋼纖維，其中摻入節(jié)點外的柱中50mm，摻入節(jié)點外的梁中為 80mm、125mm、250mm。

混凝土強度等級為C60。水泥為42.5級的普通硅酸鹽水泥；纖維為銑削型鋼纖維，長徑比為34.24；砂子為中級河砂，級配良好；石子為碎石，粒徑在5～20之間。高強混凝土和鋼纖維高強混凝土的配合比設(shè)計見表1。試件采用室外澆筑、成型、自然養(yǎng)護，共澆筑 9個試件，分為 A、B、C、D四個系列，試件尺寸及節(jié)點核心區(qū)配箍等詳見表2。澆筑時預(yù)留用于立方體抗壓、軸心抗壓、劈拉、彈性模量試驗的試塊各三個。

表1 鋼纖維高強混凝土試驗配合比（kg/m3）

梁、柱截面配筋及箍筋布置如圖2所示。試件成型前，在梁、柱中有關(guān)位置的鋼筋上埋置應(yīng)變片，用來量測縱向鋼筋和箍筋的應(yīng)變。核心區(qū)四個預(yù)埋銷釘處各有一個電測百分表，對角線兩端的兩個百分表的探頭保持在一條直線上，用來測量核心區(qū)剪切變形。由于試驗機的制動器包含有位移傳感器，故梁端位移計在部分變形較大的試件中并未使用。在每次試驗中,梁塑性鉸區(qū)上下表面百分表和位移計與梁表面的距離略有不同，以量測的實際值為準。

采用多功能液壓伺服疲勞試驗機對梁端進行低周反復(fù)加載，柱端用200 t液壓千斤頂施加軸力，研究在模擬地震荷載作用下鋼纖維對于高強混凝土節(jié)點核心區(qū)及梁端塑性鉸的影響。采用荷載-變形混合控制的加載制度，分兩個階段:1）荷載控制階段:分為兩個循環(huán)，第一循環(huán)加載到計算屈服荷載的75%；第二循環(huán)加載至計算屈服荷載，并記下屈服位移用于后期的位移控制。2）位移控制階段:位移控制從1倍位移開始，逐次增加至2倍、3倍、4倍等，每級位移循環(huán)2次，直至試件承載力降低到最大承載力的85%時，可認為試 件破壞。

表2 試件參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 滯回曲線

節(jié)點在受荷過程中，其梁端的位移是由核心區(qū)、節(jié)點區(qū)域的梁和柱的彈性和塑性變形共同影響而形成的。所以，鋼纖維高強混凝土框架節(jié)點梁端的荷載-變形滯回曲線可以反映試件在整個反復(fù)荷載作用下的變形和耗能能力，是描述試件延性的重要指標。

核心區(qū)配箍率對框架節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線影響的對比見圖4和圖5。與配箍率為0.87%的A-1試件相比,配箍率為0.43%的A-2試件的后期非彈性變形過程中有明顯的“捏縮”現(xiàn)象。這是由于A-2試件核心區(qū)配箍率較小，使其核心區(qū)剪切變形增大,從而造成試件剛度降低而引起的。這也說明節(jié)點核心區(qū)較高的配箍率在地震荷載作用中，能有效提高核心區(qū)抗剪性能，保證節(jié)點核心區(qū)的完整性，較好體現(xiàn)“強柱弱梁、強剪弱彎”的抗震設(shè)計原則。當(dāng)核心區(qū)配箍率為0.43%，并摻入0.5%體積率的鋼纖維時，箍筋與鋼纖維聯(lián)合作用，提高了試件的耗能能力，且滯回曲線較為豐滿，從變化形態(tài)上與配箍率較大的A-1試件較為接近，見圖6。這說明用鋼纖維來替代部分箍筋的做法是可行的。

試驗表明,節(jié)點核心區(qū)用1.0%體積率的鋼纖維來完全替代核心區(qū)箍筋，其耗能效果與核心區(qū)配箍率為0.43%基本相當(dāng)，見圖5與圖7；但當(dāng)鋼纖維體積率增加至1.5%時，其耗能效果與核心區(qū)配箍率保持在0.43%、并與在核心區(qū)摻入0.5%體積率的鋼纖維的B-1試件基本相當(dāng),也與核心區(qū)配箍率為0.87%的A-1試件基本相當(dāng)，見圖5、圖7和圖9。這說明，在不影響鋼纖維混凝土和易性的條件下,增大鋼纖維體積率確實能明顯提高節(jié)點試件的抗震性能。

軸壓比對框架節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線也有影響，見圖9、圖7和圖10所示，C-1、B-2和C-2試件的滯回曲線較為一致，滯回環(huán)具有“捏縮”現(xiàn)象。相對而言，軸壓比為0.2的C-1試件和軸壓比為0.4的C-2試件的“捏縮”現(xiàn)象更明顯，軸壓比為0.3的B-2試件在后期大變形期間表現(xiàn)出較好的延性，滯回環(huán)較為豐滿。這是由于三者的核心區(qū)沒有配置箍筋，且鋼纖維體積率都為1.0%，核心區(qū)混凝土在非彈性變形過程中無法提供給鋼筋足夠的粘結(jié)力,使鋼筋過早出現(xiàn)滑移，承載力降低。

鋼纖維摻加范圍對框架節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線的影響見圖11、圖6和圖12?？梢钥闯觯摾w維摻入節(jié)點外柱中50mm,鋼纖維摻入節(jié)點外梁中80mm、125mm、250mm三種條件下的節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線變化趨勢十分相近，只是B-1試件的鋼纖維體積率較D-1試件和D-2試件略少，因此出現(xiàn)了輕微的“捏縮”現(xiàn)象。這說明用1.0%體積率的鋼纖維替代部分核心區(qū)箍筋能滿足節(jié)點的抗震要求。

2.2 塑性鉸區(qū)截面的曲率延性

試驗的梁端塑性鉸區(qū)截面曲率測量布置如圖14所示，其中s和x分別表示梁上和梁下布置的測表，例如s1表示梁上1號測表。6個測表距離梁表面的距離分別用hsi和hxi表示(i=1,2,3)。

節(jié)點試件在單位長度上的轉(zhuǎn)動稱為曲率。假設(shè)節(jié)點梁與柱的交界處為0截面，根據(jù)下式（1）和（2）分別求出距柱邊0～160mm和160～320mm范圍內(nèi)梁截面的平均曲率:

式中，?1、?2分別為距柱邊 0～160mm 和 160～320 mm 范圍內(nèi)梁截面的平均曲率;△si和△xi(i=1,2,3)分別為梁上下表面的6個測表在同一時刻的變化量，mm；h1和h2分別為0～160mm和160～320mm范圍內(nèi)梁截面上下兩個測表間的距離，mm。其中，h1=hs1+hx1+250、h2=hs2+hx2+250。由于在試驗過程中，梁上部的測表和下部的測表都保持在一條直線上，因此有hsi=hs2=hs3和 hxi=hx2=hx3；l1和 l2分別為梁上預(yù)埋銷釘之間的間距，l1=l2=160mm。

0～160mm和160～320mm范圍內(nèi)梁截面的曲率延性系數(shù)分別為:

0～160mm范圍內(nèi):

160～320mm范圍內(nèi):

式中，?ui和?yi(i=1,2)分別為兩個范圍內(nèi)梁截面的極限平均曲率和第一次屈服時的平均曲率。

對比節(jié)點試件A-1和A-2的計算結(jié)果可以看出，A-1試件梁端部的變形主要集中在160～320 mm的范圍內(nèi)，0～160mm范圍內(nèi)的變形值相對較小，表現(xiàn)出了較好的塑性鉸區(qū)外移的特性；A-2試件的梁端變形幾乎全部集中在0～160 mm范圍內(nèi)，160～320mm的變形值非常小，這說明節(jié)點核心區(qū)配箍率的大小對框架節(jié)點的梁端變形起著至關(guān)重要的作用。節(jié)點核心區(qū)配箍率大，核心區(qū)的剛度會有所加強，可以使梁端塑性鉸朝核心區(qū)相反的方向外移,提高了梁端的變形能力和耗能能力。從圖14可以看出，A-1試件兩個范圍內(nèi)的截面曲率延性系數(shù)一樣,說明按照規(guī)范配筋的框架節(jié)點的梁端部塑性鉸區(qū)的截面變形能力基本一致,裂縫分布較為均勻,但在試件最終破壞時，靠近柱邊的梁截面裂縫寬度較大。

從節(jié)點試件B-1和A-2平均曲率的計算結(jié)果可以看出，鋼纖維體積率為0.5%的B-1試件，不論在0～160mm范圍內(nèi)，還是在160～320mm范圍內(nèi)，梁截面的轉(zhuǎn)動能力都比A-2試件高。當(dāng)節(jié)點試件屈服時，在0～160mm范圍內(nèi)，B-1試件梁截面轉(zhuǎn)動量和A-2試件基本相等；但在極限狀態(tài)下，B-1試件的梁截面轉(zhuǎn)動量卻是A-2試件的4倍左右。這是因為在B-1試件中摻加鋼纖維后,提高了節(jié)點核心區(qū)的抗剪強度，延緩了核心區(qū)的開裂，提高了試件的承載能力。B-1試件在發(fā)生屈服時，由于核心區(qū)剛度的增強，在160～320 mm范圍的梁截面產(chǎn)生了較多的裂縫，轉(zhuǎn)動變形增大。但從整體來看，B-1試件梁端的塑性鉸主要還是在0～160 mm范圍內(nèi)。從圖14可以看出，B-1試件由于核心區(qū)性能的提高，增加了試件的耗能能力，循環(huán)次數(shù)比A-2要多，最終極限時梁截面的變形能力得以發(fā)揮充分，曲率延性提高。

節(jié)點試件B-2和B-3平均曲率的計算結(jié)果表明,在核心區(qū)沒有配置箍筋的情況下，隨著鋼纖維體積率的增加，B-2試件和B-3試件的主要區(qū)別是160～320 mm范圍梁截面平均曲率的變化。在0～160mm范圍內(nèi)，當(dāng)構(gòu)件屈服時，B-3試件比B-2試件轉(zhuǎn)動變形略小,這是因為B-3試件的鋼纖維體積率為1.5%，比B-2試件大，核心區(qū)的混凝土抗裂性能較好。由于B-2試件核心區(qū)沒有箍筋約束，核心區(qū)梁筋與混凝土之間的粘結(jié)力由于混凝土內(nèi)部裂縫的形成而迅速退化，核心區(qū)承載力降低，荷載無法完全通過梁傳遞到核心區(qū)部位，在柱邊的裂縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂縫開展迅速，直至破壞。所以160～320mm范圍的梁截面沒有充分發(fā)揮抵抗荷載的作用，變形較小。當(dāng)鋼纖維體積率增加至1.5%時，節(jié)點核心區(qū)抗剪能力逐漸增強，B-3試件梁截面在屈服后的非彈性變形主要在160～320mm范圍，見圖14。在核心區(qū)混凝土初裂后，剪力主要由鋼纖維承擔(dān)，鋼纖維體積率越大，核心區(qū)抗剪能力就越強，梁端塑性鉸就會外移。從梁截面曲率延性的結(jié)果也可以得到相同的結(jié)論。

從節(jié)點試件C-1和C-2平均曲率的計算結(jié)果可以看出，軸壓比對梁截面的影響主要集中在160～320 mm范圍內(nèi)。隨著軸壓力的增大，核心區(qū)柱截面的抗剪能力增強，梁端塑性鉸具有外移現(xiàn)象。但通過和B-2試件的對比發(fā)現(xiàn)，這種變化并不穩(wěn)定。其原因可能是當(dāng)軸壓力大于一臨界值后，核心區(qū)混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布，抗剪能力反而降低。但由于C-2試件的柱端軸向力較大，在一定時間內(nèi)增強了核心區(qū)的剛度，使梁截面變形主要集中在160～320mm范圍內(nèi)。

節(jié)點試件B-1、D-1和D-2平均曲率計算結(jié)果表明，隨著鋼纖維摻加范圍的增加,三個試件在兩個范圍內(nèi)的梁截面變形的變化趨勢較為接近,由于B-1試件的鋼纖維體積率比D-1和D-2試件小，B-1試件的梁端截面在0～160mm范圍內(nèi)的變形受核心區(qū)剪切變形影響程度比D-1和D-2試件要大。并且由于D-2試件的鋼纖維摻加范圍最大,達到250mm，D-2試件梁截面在160～320mm范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動量也是最小的。

3 結(jié)論

1）鋼纖維能有效提高高強混凝土框架節(jié)點的抗裂性能、核心區(qū)的剛度和承載能力，改善框架節(jié)點的抗震性能。建議高強混凝土框架節(jié)點中鋼纖維體積率取1.0%～1.5%為宜。

2）鋼纖維的摻加范圍對梁端彎曲變形的影響較為有限。除了對梁截面變形要求嚴格的特殊結(jié)構(gòu)，考慮到成品鋼纖維的價格因素，不建議在實際工程中采用較大的摻加范圍，建議以從柱面算起往外延伸至1倍梁高的距離為限。

3）在高強混凝土框架節(jié)點中摻入鋼纖維，可以適當(dāng)減少節(jié)點的箍筋用量，提高施工的可操作性，并能獲得較好的抗震性能。在一些特殊情況下，只要滿足施工條件和工程造價，可以用較高體積率的鋼纖維來完全替代核心區(qū)箍筋。

[1] 高丹盈,湯寄予,朱海堂.鋼纖維高強混凝土的配合比及基本性能研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）,2004

[2] 高丹盈,朱海堂,湯寄予.纖維高強混凝土抗剪性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2004

[3] 唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震[M].南京:東南大學(xué)出版社,1989:43

[4] GB50010-200,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[5] GB/T 50081-2002,普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準[S]

[6] CECS-1992,鋼纖維混凝土試驗方法標準[S]