板柱邊節(jié)點抗震性能研究

黃 強，付瑞佳，李 林，傅劍平

（1.重慶大學 山地城鎮(zhèn)建設與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045；2.建研科技股份有限公司，北京100013；3.中國建筑西南設計研究院有限公司，成都610041）

板柱結(jié)構(gòu)是由柱和支撐在柱上的不帶梁的板所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。通常在荷載比較小并且跨度也不大的情況下可以采用這種結(jié)構(gòu)形式。采用板柱結(jié)構(gòu)可降低建筑物的總高，降低建筑物的造價，增加經(jīng)濟效益；并且在施工時，模板安置簡單，鋼筋綁扎方便，可以加快施工進度，因此板柱結(jié)構(gòu)越來越受到人們的青睞。但是在板柱節(jié)點的連接區(qū)會產(chǎn)生很大的剪應力，板柱連接區(qū)容易發(fā)生脆性的沖切破壞，甚至引起整個結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌［1］，其次在使用荷載下，板容易在柱子周圍產(chǎn)生寬度較大的裂縫，這些裂縫將會導致板柱連接區(qū)剛度的進一步降低和板過大的變形；另外，板柱結(jié)構(gòu)的樓板厚度比一般框架或剪力墻結(jié)構(gòu)的樓板都要大，從抗震的角度來考慮，樓板的自重大，使得本來側(cè)向剛度就比較弱的板柱結(jié)構(gòu)體系更不利。試驗研究結(jié)果證明，在剪力和不平衡彎矩的共同作用下，板柱連接區(qū)可能發(fā)生兩種破壞形態(tài)：彎曲破壞和沖切破壞。板柱連接區(qū)具有典型的彎剪扭共同作用的三維受力特點，受力分析非常復雜，到現(xiàn)在為止，國內(nèi)外對連接區(qū)的不同破壞形態(tài)和傳力機理還沒有得到比較一致的認識，計算方法也不是很完善。因此有必要進行更深入的試驗研究和理論分析。此外，雖然近年來對混凝土板柱結(jié)構(gòu)已有許多研究，但大多數(shù)集中在內(nèi)柱節(jié)點，而忽視了邊、角柱節(jié)點的研究。因此，本文在總結(jié)了國內(nèi)外試驗資料的基礎上［2－12］，進行了3個板柱邊節(jié)點試件的試驗研究［13］，其中有兩個節(jié)點采用了抗沖切螺栓，考察了試件的滯回曲線、裂縫開展情況、各層間位移角下的鋼筋應變分布、板柱連接區(qū)的破壞過程等內(nèi)容，并進一步探討沖切錨栓對板柱連接區(qū)的強度、側(cè)向剛度、延性和側(cè)向變形能力的影響，運用通用有限元程序ABAQUS對本次試驗的三個構(gòu)件進行模擬，對模擬得到的裂縫分布、鋼筋應變和荷載位移曲線與試驗值進行了對比分析。

1 原型試件

為敘述方便，用BZ1、BZ2、BZ3對此次試驗中的構(gòu)件進行編號。所有3個構(gòu)件的柱截面尺寸、柱子高度、板厚、板的尺寸、板的縱筋的配置情況完全一樣，見圖1；試件BZ2、BZ3配置的抗沖切螺栓及間距見圖2（a）、（b），螺栓直徑為8mm，長110mm；BZ1沒有配置抗沖切螺栓。各試件配筋見表1。

圖1 試件設計詳圖

圖2 抗沖切錨栓布置圖

表1 各試件的配筋表

試驗主要研究板柱邊節(jié)點在自重和水平荷載共同作用下的受力性能。水平力通過作用在板邊的作動器施加的豎向力來實現(xiàn)；試驗采用逐級對稱反復加載的加載制度，并以位移進行控制。試驗加載裝置圖如圖3所示。試驗進行到后期，需要對試件何時失效作出判斷，試驗采用以下規(guī)定：當試件突然發(fā)生沖切破壞或者最大承載力下降到包絡線最大值的85%以下時，即可終止試驗，并認為此時試件發(fā)生破壞。

圖3 試驗加載裝置

2 主要試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

3個構(gòu)件的試驗方法、幾何尺寸、板的鋼筋分布都一樣，因此破壞形態(tài)的差異主要是由錨栓的布置引起的。從裂縫的角度看，沒有配置錨栓的BZ1，在板的自由面上的斜裂縫數(shù)量少，但是寬度大，而配置了錨栓的BZ2和BZ5板自由面上的裂縫數(shù)量相對較多，裂縫的寬度相對較小。3個構(gòu)件相同的是，裂縫都是在柱邊附近的板上首先出現(xiàn)裂縫，然后再向外擴展延伸，最終的裂縫模式都是柱兩側(cè)邊的板面產(chǎn)生斜向的扭轉(zhuǎn)裂縫，柱正面的板面產(chǎn)生大量徑向裂縫，圍繞柱子存在環(huán)向裂縫。從破壞荷載的角度看，配置了較多數(shù)量錨栓的BZ5的最大受壓承載力是77kN，最大受拉承載力是101kN，配置了較少數(shù)量錨栓的BZ2的最大受壓承載力是66.7kN，最大受拉承載力是90kN，沒有配置錨栓的BZ1的最大受壓承載力是64kN，最大受拉承載力是81kN?？梢姡^栓的配置明顯地提高了構(gòu)件的承載能力，而且在一定范圍內(nèi)，承載能力隨著錨栓配置量的增多而增大。從層間變形能力方面來看，未配置錨栓的BZ1到達最大受壓承載力時層間位移角是0.9%，承載力下降至峰值的85%時層間位移角是1.5%；配置較少數(shù)量錨栓的BZ2到達最大受壓承載力是層間位移是1.2%，承載力下降至峰值的85%時層間位移角是3.9%；配置較多數(shù)量錨栓的BZ5到達最大受壓承載力時層間位移是1.5%，承載力下降至峰值的85%時層間位移角是4.3%。由此可見，錨栓明顯提高了構(gòu)件的層間變形能力。

2.2 滯回曲線

圖4給出了3個試件的“板邊荷載 位移”滯回曲線對比圖。從圖中不難看出，3個試件均經(jīng)歷了混凝土開裂前的彈性階段、承載力達到峰值強度前的非線性階段以及下降段。3個試件的滯回曲線都不是很飽滿，說明板柱邊節(jié)點的耗能性能不是很好；另外由圖4還可知，配置了錨栓的BZ2和BZ5試件，其承載力和層間變形能力均高于未配置錨栓的BZ1試件。

2.3 延性及變形能力

圖4 各試件的P－Δ滯回曲線

延性是反映結(jié)構(gòu)塑性變形能力、衡量結(jié)構(gòu)抗震性能好壞的重要指標。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性一般采用延性系數(shù)來表示，延性系數(shù)的定義是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件最大變形與屈服變形的比值，它可以用位移、轉(zhuǎn)角和曲率的比值來表示，3個試件的延性評價以位移延性系數(shù)作為指標，其中屈服位移的確定參照了Robert Park［14］給出的“基于等效耗能能力”計算模式。3個試件的延性特征參數(shù)見表2。

表2 延性特征參數(shù)

從上表可以看出，沒有配置錨栓的位移延性系數(shù)較小，配置了錨栓的BZ2和BZ5的位移延性系數(shù)則顯著提高。

3 有限元分析

采用大型通用商業(yè)軟件ABAQUS進行有限元分析?；炷帘緲?gòu)模型采用考慮了塑性損傷的規(guī)范單軸應力-應變模型［15］；鋼筋則采用彈塑性加硬化的三折線模型。混凝土與鋼筋的粘結(jié)滑移則通過延長受拉軟化曲線、簡單近似考慮鋼筋和混凝土之間界面效應的方式予以考慮，認為混凝土開裂后應力并未完全釋放，仍有一部分抗拉能力，從而模擬鋼筋在混凝土單元裂縫間荷載傳遞。混凝土部分采用三維實體單元C3D8R進行模擬，鋼筋則采用三維二節(jié)點線性桁架單元T3D2來模擬。將程序計算得到的骨架曲線與通過試驗獲得的骨架曲線進行對比，如圖5所示。

從上圖可以看出，程序計算結(jié)果與試驗結(jié)果在骨架曲線的上升階段符合得較好；而到了下降段，由于試件產(chǎn)生了較寬裂縫，鋼筋與混凝土之間的相對滑移比較嚴重，程序考慮粘結(jié)滑移的方式不能較好地處理該問題，因此兩者的下降段曲線有一定的差異。

圖5 試驗與計算的荷載 位移曲線對比

通過對比程序受拉損傷云圖與試件裂縫分布圖，發(fā)現(xiàn)兩者趨勢基本一致，即靠近柱子的周圍，損傷情況比較嚴重，該處也是裂縫集中開展的部位；通過對比程序鋼筋應變分布圖與試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠近柱子的鋼筋、錨栓，應變均較大，而遠離柱子的鋼筋或錨栓，應變則較小。

4 結(jié) 論

1）配置抗沖切錨栓，可以顯著提高板柱邊節(jié)點的承載能力、變形能力以及抗震性能，在一定范圍內(nèi)，板柱邊節(jié)點的承載能力、變形能力和抗震性能隨著配置抗沖切錨栓數(shù)量的增多而提高。

2）板柱邊節(jié)點的自由邊靠近柱子處是薄弱部位，該部位很容易產(chǎn)生貫通的交叉斜裂縫，從而降低構(gòu)件的承載力和抗震性能，該部位應該采取一定的措施加強。

3）2個配置抗沖切錨栓的板柱邊節(jié)點達到極限荷載時的最小層間位移角為3／200，滿足我國現(xiàn)行規(guī)范的限值要求；配置錨栓的兩個試件延性為3.7～5.3，達到了中等延性水平。

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［15］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB50010－2010［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.