按梁混凝土等級澆筑低級差夾心節(jié)點抗震性能試驗研究

程亮，李英民，姜寶龍

（1重慶建工第四建設有限責任公司，重慶400020；2重慶大學土木工程學院，重慶400045）

按梁混凝土等級澆筑低級差夾心節(jié)點抗震性能試驗研究

程亮1，李英民2，姜寶龍2

（1重慶建工第四建設有限責任公司，重慶400020；2重慶大學土木工程學院，重慶400045）

引言

多層及高層建筑結構中，特別是在高層建筑結構抗震設計中，為滿足我國規(guī)范[1-3]軸壓比限值的要求，在高軸壓比的條件下框架柱（特別是高層建筑的底層柱）往往需要采用較高強度等級的混凝土，而樓蓋（板、梁）一般采用強度等級較低的混凝土。若核心區(qū)采用與柱相同的較高強度等級的混凝土，不但施工難度大，也不能保證節(jié)點核心區(qū)的混凝土質量。若采取節(jié)點核心區(qū)按梁板混凝土澆筑的措施，可以降低造價、節(jié)省工期、保障質量，如果能夠提出節(jié)點核心區(qū)按梁板混凝土澆筑的可靠措施，并將其推廣應用，將具有十分重要的工程實踐意義。

1 試驗研究

1.1 試件設計

該試驗由鋼筋混凝土平面框架梁柱組合體組成，選取一榀框架梁柱反彎點之間的梁柱組合體作為試驗試件，共4個試件。試驗側重研究受力性能較為不利的高軸壓比、高剪壓比試件，試件設計依照《混凝土結構設計規(guī)范》（GB50010-2010）[1]，考慮柱端彎矩、剪力放大，不考慮核心區(qū)剪力放大，依照規(guī)范[1-2]驗算核心區(qū)配箍。梁柱縱筋、節(jié)點箍筋以及改進措施的鋼筋應變均為該試驗量測范圍。試驗試件G1為節(jié)點混凝土按柱澆筑的傳統(tǒng)節(jié)點，G2-G4試件為節(jié)點混凝土按梁澆筑的夾心節(jié)點，并對G2-G4試件采取加插短鋼筋的加強措施，試驗試件配筋及尺寸見圖1及表1。

表1 試件配筋數(shù)據(jù)

1.2 試驗裝置

該試驗中，在試件柱上端與反力梁之間設置2000kN的油壓千斤頂，通過鋼鉸支座將柱頂水平支撐、千斤頂和上柱端連接在一起，水平支撐另一端連接在反力墻上，在柱頂與千斤頂之間設壓力傳感器；柱下端鉸支座位于用地錨錨固在地槽內的混凝土塊上，采用螺栓連接，使柱下端形成不動鉸。在試件左右梁端各設置一個最大出力250kN的拉壓千斤頂，并在左右梁端與千斤頂之間設拉壓傳感器。試驗過程中，由柱頂千斤頂向構件施加恒定軸力，由兩梁端豎向作動器反對稱施加低周反復荷載。

1.3 加載制度

圖1 試件G1-G4尺寸配筋圖

試驗加載采用控制作用力和控制位移的混合加載法，在試件達到屈服以前，采用荷載控制，當試件達到屈服以后，采用變形控制。首先，由柱頂?shù)挠蛪呵Ы镯攲υ嚰┘虞S力，達到預設軸壓比，并保持軸力恒定，試驗過程中，軸壓會有所下降，此時應及時予以補齊。然后，通過左右梁端的拉壓千斤頂施加低周反復荷載，當靠近節(jié)點區(qū)的梁端縱筋應變達到屈服應變時停止加載，此時傳感器對應的荷載即為屈服荷載Py，對應的梁端位移即為屈服位移Δy。此時按屈服位移控制循環(huán)一周后，隨后的循環(huán)加載按位移控制，即按2倍，3倍……屈服位移進行加載，在每一個位移量下循環(huán)兩次，直到試件最終失效。對于構件失效，一般公認的是實測的位移－荷載滯回曲線的荷載值降至該方向曾達到的最大荷載的85%時即認為構件失效。

1.4 測量內容及方法

該次試驗的量測內容包括：梁、柱縱筋應變；節(jié)點核心區(qū)剪切變形；梁端撓度、柱端撓度；柱頂軸壓力及梁端荷載值；梁外端豎向荷載P與梁外端豎向位移Δ的P-Δ滯回曲線；所有改進措施的鋼筋應變。

通過柱頂?shù)膲毫鞲衅髁繙y柱頂軸向壓力的大小，組合體試件左右梁端的P-Δ滯回曲線由兩臺X-Y函數(shù)記錄儀直接繪出。所有鋼筋應變片、位移計、百分表均與DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，并最終傳送至電腦。

2 試驗結果

2.1 試件破壞過程

該試驗中，與傳統(tǒng)節(jié)點相比較，核心區(qū)采取加強措施后，夾心節(jié)點試件的破壞過程和破壞特征并沒有明顯改變，與國內其他類似試驗研究[4-7]情況基本一致。試驗過程中最先出現(xiàn)梁彎剪裂縫，而后是核心區(qū)剪切裂縫出現(xiàn)；隨著裂縫的開展，梁縱向鋼筋與節(jié)點箍筋及部分豎向短筋、柱縱筋先后進入屈服狀態(tài)；加載后期框架梁裂縫發(fā)展緩慢，核心區(qū)裂縫迅速發(fā)展成網(wǎng)狀，并向上下柱端延伸，直至節(jié)點混凝土破碎、剝落。試件失效時，框架梁變形明顯，核心區(qū)破壞較嚴重，試件均為節(jié)點箍筋屈服后核心區(qū)斜壓型剪切破壞導致失效。

各個試件試驗過程中核心區(qū)形成比較明顯的X形裂縫，梁端破壞也比較嚴重。后期加載過程中，核心區(qū)保護層混凝土劈裂成錐形，延伸至柱端，損傷部位基本都集中在節(jié)點核心區(qū)；但加插短鋼筋后的試件G2-G4核心區(qū)裂縫發(fā)展及柱端破壞情況要輕于傳統(tǒng)構件G1，試件損傷主要集中在梁端和節(jié)點區(qū)。

2.2 試件破壞形態(tài)

反復荷載作用下，各個試件的裂縫分布圖和試件的破壞形態(tài)照片如圖2所示。

圖2 試件的裂縫分布及破壞形態(tài)圖

2.3 梁外端豎向荷載－豎向位移曲線

梁端的荷載-位移滯回曲線見圖3（只列出左側梁端的曲線）。

圖3 梁端荷載-位移滯回曲線

3 試驗結果分析

3.1 受壓承載力

對夾心節(jié)點采取加插短鋼筋措施主要是用來解決抗壓的問題的，通過對4個試件的柱縱筋應變的研究，發(fā)現(xiàn)即使到了較高位移延性下，柱筋也只是個別測點才屈服，且短筋較多的G3柱筋屈服程度明顯輕于其他構件，這說明加插的短鋼筋抗壓效果比較明顯。

依照國內外單調軸壓試驗的研究結果[8-11]，樓蓋采用較低強度等級的混凝土時，夾心節(jié)點核心區(qū)可能出現(xiàn)受壓破壞；當柱與樓蓋混凝土強度比小于1.4時，夾心節(jié)點試件核心區(qū)軸向受壓承載力不低于柱端，此時受壓破壞的部位可能出現(xiàn)在柱端。由于我國規(guī)范有嚴格的軸壓比限值，軸向壓力作用下框架柱發(fā)生受壓破壞的可能性較小，但承受彎矩較高時可能發(fā)生偏心受壓破壞。因此對夾心節(jié)點采取一定加強措施是必要的，采取加插短筋措施的構件提高了夾心節(jié)點的抗壓能力，短筋分擔了柱筋在節(jié)點周圍的壓力，使核心區(qū)和柱端發(fā)生受壓破壞的可能性減小。

該次試驗中，試件的試驗軸壓比超過0.4以上，這種情況下，沒有發(fā)生核心區(qū)軸心受壓破壞、偏心受壓破壞，也沒有出現(xiàn)軸壓比較高導致試件抗震性能嚴重降低的情況，夾心節(jié)點的抗壓性能并不低于傳統(tǒng)節(jié)點試件。因此可以看出，加插短筋是一種行之有效的解決抗壓的措施。

3.2 核心區(qū)受剪承載力

由于高剪壓比夾心節(jié)點主要為核心區(qū)剪切破壞引發(fā)構件失效，因此核心區(qū)抗剪承載力大小對試件抗震性能的影響十分明顯。如表2所示，在核心區(qū)抗剪承載力的變化上，增設豎向短筋可以使夾心節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力與傳統(tǒng)節(jié)點相當；但增加插筋數(shù)量，核心區(qū)抗剪承載力并沒有提高。

表2 核心區(qū)相對受剪承載力

3.3 位移延性

從表3中可以看出，雖然加插短鋼筋的試件承載力與傳統(tǒng)節(jié)點相當，但位移延性要低于傳統(tǒng)節(jié)點。傳統(tǒng)節(jié)點的位移延性高，原因在于其屈服位移要低于其他幾個采取加強措施的構件，但4個構件的失效位移大致相當。

表3 試件的失效模式和位移延性

4 結論

通過該試驗中對傳統(tǒng)節(jié)點和采取加插短鋼筋的節(jié)點對比發(fā)現(xiàn)，加插合適數(shù)量的短鋼筋可以使夾心節(jié)點的承載力與抗震性能接近于傳統(tǒng)節(jié)點，表明級差在二個等級范圍內，該項目加插短鋼筋措施應用于夾心節(jié)點的可行性。

對于高層建筑底部高軸壓比的梁柱節(jié)點來說，加強措施應優(yōu)先考慮加插短筋。當梁柱混凝土級差在一個等級之內時，我國規(guī)范[12]允許節(jié)點按梁混凝土澆筑。其他情況時，可采取加插短筋措施，插筋數(shù)量由梁柱混凝土級差換算得出。通過對G3試件實驗結果可以看出，過多加插短筋對節(jié)點承載力和抗震性能并沒有明顯提高。

該次試驗的加插短筋措施不僅在設計上便于計算，而且在施工上也便于實行，同時還契合了規(guī)范要求的“強柱弱梁”概念，彌補了夾心節(jié)點在這方面的不足。加插短鋼筋能有效地降低核心區(qū)軸壓比，還可限制核心區(qū)裂縫開展，有利于增強核心區(qū)承載力。當梁柱混凝土極差較大，節(jié)點核心區(qū)軸壓比超限時，加插短筋是一種較好的改進方式。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50010-2010混凝土結構設計規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[2]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部．GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[3]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部．JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程JGJ 3-2010[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[4]傅劍平．鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震性能與設計方法研究[D]．重慶：重慶大學，2002．

[5]朱愛萍．高軸壓比高剪壓比框架矩形及圓形柱中間層中節(jié)點抗震性能試驗研究[D]．重慶：重慶大學，2005．

[6]李英民，劉建偉．鋼筋混凝土框架夾心節(jié)點抗震性能試驗研究[J]．建筑結構學報，2010(12)．

[7]王玉雷．低周反復荷載作用下混凝土框架邊節(jié)點性能試驗研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010．

[8]程文瀼，李愛群，張曉峰，等．鋼筋混凝土柱的軸壓比限值[J]．建筑結構學報，1994，15（6）：25-30．

[9]袁萬城，Simsch G，Konig G．反復荷載作用下高強約束混凝土柱的彎曲延性[J]．土木工程學報，1995，28（5）：55-61．

[10]張國軍，呂西林，劉伯權．鋼筋混凝土框架柱在軸壓比超限時抗震性能的研究[J]．土木工程學報，2006，39（3）：47-54．

[11]賈金青，趙國藩．高強混凝土框架短柱力學性能的試驗研究[J]．建筑結構學報，2001，22（3）：43-47．

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 506666-2011混凝土結構工程施工規(guī)范[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

責任編輯：孫蘇

Pseudo-static Test for Reinforced Concrete Sandwich Beam-column Joints with Low Concrete Strength Differences

高層建筑中柱混凝土強度高于梁是普遍存在的，施工中節(jié)點區(qū)混凝土若按柱子混凝土來澆筑，在支模、施工縫、施工質量等施工技術方面都存在一定的困難，按梁混凝土澆筑節(jié)點區(qū)（夾心節(jié)點）被認為是解決這類問題的有效途徑，為此需對夾心節(jié)點采取一些特殊措施予以改進，以滿足承載能力和變形需求。該文通過一個傳統(tǒng)和三個在節(jié)點核心區(qū)加插短鋼筋的夾心節(jié)點的足尺試件的低周交變加載試驗，表明加插短鋼筋是一種行之有效的加強措施。

夾心節(jié)點；短鋼筋；失效模式

It is popular that the strength of the concrete in the column is higher than that in the beam in the reinforced concrete high-rise frame structures. In construction,if the column-beam joints are poured with the same strength concrete as columns,there are some difficulties in solving such as formwork planning,construction joint,quality of construction and construction technology.It is useful and effective that the column-beam joints are poured with the same strength concrete as beams.The column-beam joints poured with the same strength concrete as beams need improvement by special measures in order to meet load-carrying ability and deflection.One traditional joint and the other three specimens representing lower strength concrete with short bars measures in the column-beam joints interior joints were tested under cyclic load，which showed the short bars in joint region is an effective strengthening measure.

beam-column joints;short bars;failure mode

TU375.4

：A

：1671-9107（2013）01-0044-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.01.044

2012-09-25

程亮（1975-），男，重慶人，大學學歷，工程師，主要從事建筑工程施工與建筑經(jīng)濟管理工作。

李英民（1968-），男，重慶人，博士，教授，博士生導師，主要從事地震工程與結構工程抗震研究。

姜寶龍（1987-）男，重慶人，研究生，主要從事建筑結構研究。