配置500MPa縱筋鋼筋混凝土框架頂層端節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

朱愛(ài)萍，肖從真，黃小坤

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院，建研科技股份有限公司，北京 100013）

在地震作用下，混凝土框架頂層端節(jié)點(diǎn)無(wú)論受負(fù)彎矩還是正彎矩作用，根據(jù)力的平衡原理，梁端彎矩Mb與柱端彎矩Mc平衡，梁端剪力Vb與柱端軸力Nc平衡，梁端軸力值Nb與柱端剪力值Vc平衡。也就是說(shuō)，對(duì)任意一個(gè)經(jīng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)折角的斜截面（圖1中Ⅱ、Ⅲ截面）中的彎矩值總是等于梁端（截面Ⅳ）和柱端（截面Ⅰ）的彎矩值，頂層端節(jié)點(diǎn)連接區(qū)可以視為一根截面尺寸不同的90°的折梁［1］。目前，新西蘭的學(xué)者認(rèn)為節(jié)點(diǎn)區(qū)中的“斜壓桿機(jī)構(gòu)”和“桁架機(jī)構(gòu)”共同承擔(dān)水平剪力和豎向剪力，而美國(guó)設(shè)計(jì)思路認(rèn)為節(jié)點(diǎn)是受剪力較大的特殊柱段，只要箍筋提供足夠的約束，就可以保證節(jié)點(diǎn)受力性能。

圖1 頂層端節(jié)點(diǎn)在負(fù)彎矩作用下受力狀態(tài)Fig.1 Stress status of top story corner joint under negative moment

大量的構(gòu)件試驗(yàn)已經(jīng)表明［2－9］，由于500MPa的鋼筋的彈性模量與HRB335的彈性模量差別很小，配置500MPa縱筋構(gòu)件的屈服位移就會(huì)相應(yīng)增大，縱筋屈服時(shí)鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能將變差，當(dāng)通過(guò)頂層端節(jié)點(diǎn)的梁柱縱筋采用500MPa級(jí)鋼筋時(shí)，梁柱鋼筋由于承擔(dān)節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩需要彎折搭接，而鋼筋的搭接性能以及梁柱鋼筋在承擔(dān)節(jié)點(diǎn)正彎矩的錨固性能是否能夠滿(mǎn)足抗震性能，需要進(jìn)行驗(yàn)證。此外，在地震的雙向交替斜壓作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土將發(fā)生明顯的橫向變形，為了滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)的延性需求，節(jié)點(diǎn)箍筋必須提供足夠的約束，現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［10］對(duì)節(jié)點(diǎn)中箍筋所采用的構(gòu)造措施和計(jì)算方法能否滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中的抗震性能要求也需要進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)6個(gè)接近足尺并配置500MPa級(jí)縱筋的框架頂層端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)，對(duì)在不同軸壓比、不同負(fù)彎矩鋼筋搭接長(zhǎng)度、不同正彎矩鋼筋相對(duì)錨長(zhǎng)、不同剪壓比、不同配箍特征值等參數(shù)對(duì)框架頂層端節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，得出配置500MPa級(jí)縱筋的框架頂層端節(jié)點(diǎn)合理的抗震受力性能，并與配置HRB335級(jí)縱筋節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)采用不同延性指標(biāo)評(píng)價(jià)配置不同強(qiáng)度鋼筋節(jié)點(diǎn)的延性性能差異進(jìn)行了討論，為500MPa級(jí)抗震框架頂層端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及加載制度

試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。節(jié)點(diǎn)組合體尺寸及配筋如圖3所示，各試件主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Test setup

圖3 試件尺寸及配筋示意Fig.3 Reinforcement plan for specimens

為模擬節(jié)點(diǎn)實(shí)際受力情況，在施加水平力之前，利用豎向作動(dòng)器在橫梁中點(diǎn)施加豎向恒定集中力N，并在整個(gè)水平力施加過(guò)程中保持該豎向集中力不變。試驗(yàn)中由梁端部的水平作動(dòng)器對(duì)試件施加低周反復(fù)荷載。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，水平作動(dòng)器先采用力加載方式，正向推至梁端上部縱筋（或柱外側(cè)縱筋）受拉屈服，隨后卸載至零，再反向拉至梁下部縱筋屈服。隨后根據(jù)正、反向屈服位移整數(shù)倍進(jìn)行位移加載，每個(gè)位移水準(zhǔn)下循環(huán)兩周，到水平荷載下降至峰值水平荷載85%認(rèn)為試件失效。試件失效時(shí)并不停止試驗(yàn)，繼續(xù)加載考察節(jié)點(diǎn)梁柱負(fù)彎矩鋼筋的搭接性能以及梁端下部縱筋受拉錨固性能。試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)箍筋采用HRB335鋼筋，fcu150為150mm立方體壓塊（一組3個(gè)）試驗(yàn)當(dāng)天實(shí)測(cè)強(qiáng)度平均值。

表1 頂層端節(jié)點(diǎn)參數(shù)表Table 1 The parameters of specimens of corner joint in reinforced concrete frames

2 主要試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試件主要參數(shù)及位移延性系數(shù)

表2給出了主要試驗(yàn)結(jié)果。各試件采用了HRB500級(jí)縱筋，其屈服應(yīng)變明顯大于HRB335級(jí)鋼筋的屈服應(yīng)變，梁端屈服時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)、梁端與柱端的裂縫數(shù)量明顯比采用HRB335級(jí)鋼筋的試件多，組合體非線(xiàn)性變形程度較大，其屈服位移比HRB335級(jí)鋼筋試件有較大增長(zhǎng)，而達(dá)到極限狀態(tài)下的變形略大或大致相當(dāng)，從而導(dǎo)致最終試件失效時(shí)的位移延性系數(shù)偏低?？傮w上講試件KJ－04、KJ－05和KJ－06不論正向加載（梁端負(fù)彎矩作用）還是反向加載（梁端正彎矩作用）達(dá)到失效時(shí)的層間位移角或位移延性系數(shù)均大于 KJ－01、KJ－02和 KJ－03試件，這與KJ－04～KJ－06節(jié)點(diǎn)作用的剪壓比偏低以及節(jié)點(diǎn)的配箍特征值相對(duì)較大有關(guān)系。圖4為6個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的外觀。

圖4 試件破壞外觀Fig.4 Failure patterns of specimens

表2 各試件的主要試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of specimens

2.2 各試件的破壞形態(tài)和滯回曲線(xiàn)

6個(gè)試件的荷載－位移滯回曲線(xiàn)如圖所示5。所有試件滯回曲線(xiàn)的再加載段均表現(xiàn)出不同程度的捏縮現(xiàn)象。梁端鋼筋粘結(jié)滑移與裂縫閉合引起的捏縮：試件在正向加載弧范圍出現(xiàn)粘結(jié)破壞，形成節(jié)點(diǎn)外推裂縫，外推裂縫張開(kāi)過(guò)程中荷載低變形大。在受力初期，外推裂縫導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)頂部破損不嚴(yán)重，隨后加載剛度可以進(jìn)一步升高，導(dǎo)致滯回曲線(xiàn)形成捏縮。這是框架頂層端節(jié)點(diǎn)在反復(fù)受力時(shí)的特有現(xiàn)象。在正彎矩作用下節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)外推裂縫，反向加載（梁端正彎矩作用）外推裂縫張開(kāi)后，彎弧外混凝土被推開(kāi)。反向加載結(jié)束正向加載開(kāi)始時(shí)，外推裂縫難以閉合，負(fù)彎矩筋彎弧也未能與彎弧內(nèi)混凝土重新接觸。隨著正向加載的繼續(xù)，鋼筋先要在節(jié)點(diǎn)頂部滑移一段距離，待彎弧和混凝土重新接觸后試件剛度才開(kāi)始增大，而這必然造成滯回曲線(xiàn)中的捏縮現(xiàn)象。試件KJ－05和KJ－06在節(jié)點(diǎn)頂部柱筋彎弧處加設(shè)了豎向短筋，它和頂部箍筋一起對(duì)彎弧外混凝土形成了較好的約束效果，這一構(gòu)造措施能有效防止節(jié)點(diǎn)中外推裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫引起的捏縮：在反復(fù)加載條件下，節(jié)點(diǎn)區(qū)域會(huì)形成由主拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的斜向網(wǎng)格狀裂縫，斜裂縫的交替張開(kāi)，閉合也將使滯回曲線(xiàn)產(chǎn)生捏縮，由于節(jié)點(diǎn)內(nèi)的主拉應(yīng)力裂縫較配置335級(jí)鋼筋試件大很多，節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力裂縫引起的捏縮更加明顯。

圖5 各試件荷載－位移滯回曲線(xiàn)圖Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.3 試件耗能、剛度退化、承載力退化分析

試件采用等效粘滯阻尼系數(shù)heq來(lái)衡量其耗能能力。各試件的等效粘滯阻尼系數(shù)隨位移比變化如圖6。位移比為1.0時(shí)各試件的卸載線(xiàn)和加載線(xiàn)斜率相近，等效粘滯阻尼系數(shù)heq均較小。各試件的heq從位移比2.0開(kāi)始普遍增大，除KJ－2外增幅較明顯。隨后heq保持平緩降低，僅KJ－2在位移比3.0之后都沒(méi)有降低。延性系數(shù)較高的試件KJ－04耗能性較好。

各試件剛度的退化如圖7?？傮w上隨位移比的增大而減小，各試件剛度的退化程度沒(méi)有過(guò)于明顯的差別，但依然可以看出剪壓比較低、配箍特征值較大的試件KJ－03～KJ－06其剛度退化較慢，相比之下，剪壓比較高、配箍特征值較小的試件KJ－02、KJ－03剛度退化較快。剪壓比較低、混凝土強(qiáng)度較高的試件KJ－04剛度退化較慢。

圖6 試件的等效粘滯阻尼與位移比關(guān)系Fig.6 The Relationship of viscous resistance and displacement ratio of specimens

圖7 各試件剛度的退化Fig.7 Stiffness degradation of specimens

荷載－位移滯回曲線(xiàn)的骨架曲線(xiàn)能夠反映出加載過(guò)程中試件承載力的退化程度如圖8。反向加載承載力（梁端正彎矩作用）退化較快，主要與梁端正彎矩筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)錨固性能退化以及節(jié)點(diǎn)頂部外推裂縫的過(guò)度開(kāi)展直接相關(guān)；位移延性系數(shù)較高的幾個(gè)試件承載力退化速度較慢，試件KJ－05節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩鋼筋采用梁內(nèi)搭接方式，在正、反向加載下承載力的退化規(guī)律基本相同。正向加載時(shí)，在位移比為3.0時(shí)試件還保持極高的承載力水平，到位移比為4.0時(shí)承載力迅速下降，反向加載時(shí)，位移比至2.0達(dá)到極限荷載后急劇下降，試件破壞區(qū)域在節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)靠近梁端處。就其原因與柱內(nèi)側(cè)鋼筋采用直錨，其錨固長(zhǎng)度沒(méi)有取鋼筋充分發(fā)揮屈服強(qiáng)度時(shí)的長(zhǎng)度而引起后期錨固不足，導(dǎo)致粘結(jié)破壞有很大關(guān)系。

圖8 試件的承載力的退化Fig.8 Bearing capacity degradation of specimens

2.4 試件梁端正彎矩的錨固性能分析

試驗(yàn)中，除KJ－04以外，梁下部鋼筋受拉錨固發(fā)生嚴(yán)重退化時(shí)試件反向加載的延性系數(shù)均沒(méi)有超過(guò)3.0。由于KJ－4正彎矩筋的水平錨固長(zhǎng)度最長(zhǎng)，達(dá)到0.72 laE，當(dāng)荷載下降到峰值荷載的85%時(shí)，節(jié)點(diǎn)邊正彎矩裂縫寬度很小。從試件的綜合抗震性能來(lái)看，正向荷載下的性能也較好。6個(gè)節(jié)點(diǎn)試件下部梁筋在受壓時(shí)直到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)壓入滑移量均很小，且各試件基本沒(méi)有明顯差異，表明試驗(yàn)試件的下部梁筋受壓錨固滿(mǎn)足要求。受拉時(shí)僅有試件KJ－04沒(méi)有發(fā)生明顯的粘結(jié)滑移，其余試件在荷載下降到峰值荷載的85%時(shí)，發(fā)生下部梁筋滑移量較大的粘結(jié)退化。

2.5 節(jié)點(diǎn)剪壓比限值

綜合比較6個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果，剪壓比較高的試件抗震性能指標(biāo)較剪壓比較低的試件差?？紤]到配置普通強(qiáng)度鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性動(dòng)力反應(yīng)中頂層節(jié)點(diǎn)大震下的位移延性需求小于中間層節(jié)點(diǎn)，可以將滿(mǎn)足抗震延性需求頂層節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)需求限值確定為3.0。對(duì)于一般框架結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)中的剪壓比通常比中間層節(jié)點(diǎn)低，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010－2010）中關(guān)于節(jié)點(diǎn)區(qū)的剪壓比不大于0.3的上限條件對(duì)500MPa級(jí)梁、柱縱筋的頂層端節(jié)點(diǎn)而言要求偏低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議對(duì)500級(jí)梁、柱縱筋頂層端節(jié)點(diǎn)的剪壓比上限條件控制加嚴(yán)，建議取0.25，對(duì)這一上限條件通常對(duì)頂層端節(jié)點(diǎn)是能夠得到滿(mǎn)足的。

2.6 異型節(jié)點(diǎn)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理對(duì)比分析

從本次配置500MPa級(jí)縱筋的頂層端節(jié)點(diǎn)在柱筋粘結(jié)完全退化前，其節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理跟配置普通強(qiáng)度鋼筋的節(jié)點(diǎn)類(lèi)似。其中，節(jié)點(diǎn)水平箍筋既承擔(dān)“桁架機(jī)構(gòu)”的水平拉力，又承擔(dān)對(duì)核心區(qū)斜壓混凝土約束所產(chǎn)生的拉力。節(jié)點(diǎn)的柱筋在產(chǎn)生較嚴(yán)重粘結(jié)退化后，在正、負(fù)彎矩作用下，使薄弱區(qū)發(fā)展貫通，最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)組合體承載力失效。

3 500MPa級(jí)鋼筋節(jié)點(diǎn)與配置HRB335級(jí)鋼筋節(jié)點(diǎn)的對(duì)比

為便于與梁、柱配置335級(jí)鋼筋頂層端節(jié)點(diǎn)試件對(duì)比，試驗(yàn)試件幾何尺寸、鋼筋構(gòu)造方式、試驗(yàn)加載方案與文獻(xiàn)［1］進(jìn)行的梁、柱配置335級(jí)鋼筋試驗(yàn)完全相同。試驗(yàn)結(jié)果中的最顯著規(guī)律是所有試件的位移延性系數(shù)比配置335級(jí)鋼筋的試件小很多。經(jīng)分析主要是500級(jí)的鋼筋強(qiáng)度比335級(jí)的鋼筋強(qiáng)度高很多，而兩者的彈性模量基本相同，造成500級(jí)鋼筋達(dá)到屈服時(shí)的屈服應(yīng)變比335級(jí)鋼筋大，使得配置500級(jí)鋼筋的試件在梁端達(dá)到屈服時(shí)，其梁端、節(jié)點(diǎn)區(qū)的裂縫產(chǎn)生較多，發(fā)展較充分，試件變形呈現(xiàn)出明顯的非彈性特點(diǎn)，試件屈服位移比配置335級(jí)鋼筋的試件大很多。在隨后的位移加載循環(huán)過(guò)程中，由于Δy增大，即使配置500MPa鋼筋試件達(dá)到失效時(shí)的絕對(duì)變形量Δu不小，但得到的位移延性系數(shù)卻偏低。表3列出了文獻(xiàn)［1］完成的與本文尺寸相同的頂層端節(jié)點(diǎn)梁內(nèi)搭接試件失效時(shí)的絕對(duì)位移量、位移延性系數(shù)μ以及層間位移角?？梢钥闯?，如果以位移延性系數(shù)作為評(píng)價(jià)試件延性的標(biāo)準(zhǔn)，則配置500MPa級(jí)鋼筋試件延性較低，但如以絕對(duì)層間位移量（或以試件達(dá)到失效時(shí)的構(gòu)件極限位移角）來(lái)評(píng)價(jià)，500級(jí)鋼筋試件要比HRB335試件塑性變形能力好。對(duì)比表2和表3中的數(shù)據(jù)可以看出：除由于混凝土強(qiáng)度偏低，正向位移延性系數(shù)只達(dá)到4.0的試件UNIT－12以外，其余試件位移延性系數(shù)均達(dá)到6.0以上，比本次試件的延性系數(shù)高出很多；但如果比較兩批試件失效時(shí)對(duì)應(yīng)的極限位移角可以發(fā)現(xiàn)，配置500級(jí)鋼筋試件達(dá)到失效時(shí)的絕對(duì)變形能力則普遍比配置HRB335級(jí)鋼筋的試件大很多。

表3 文獻(xiàn)［1］試件節(jié)點(diǎn)區(qū)主要參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results and the parameters of specimens of reference［1］

圖9為文獻(xiàn)［1］完成的縱筋為HRB335級(jí)鋼筋試件與本文完成的配置500MPa級(jí)縱筋試件在坐標(biāo)Vj／fcbjhj－ρsvfyv／fc中的位置對(duì)比。其中 HRB335級(jí)鋼筋試件UNIT－15和500級(jí)鋼筋試件KJ－05的位置基本重合，有較強(qiáng)的可比性。圖10給出了試件UNIT－15和KJ－05在同一比例坐標(biāo)下滯回曲線(xiàn)對(duì)比。從圖10中可以看出，試件UNIT－15正向位移延性系數(shù)達(dá)到了6.0，而試件KJ－05正向位移延性系數(shù)僅為3.5，兩者相差很大，但KJ－05的絕對(duì)位移和層間位移角卻比UNIT－15大。另外，試件UNIT－15所表現(xiàn)的耗能能力要比試件KJ－05好。其他條件相同或相似試件也都有類(lèi)似的規(guī)律。

圖9 配置500MPa與335MPa鋼筋頂層端節(jié)點(diǎn)與《規(guī)范》公式的關(guān)系Fig.9 The relationship between code formula and top story corner joints with 500MPa and 300MPa rebars

圖10 試件KJ－05與UNIT－15的滯回曲線(xiàn)Fig.10 Hysteretic curves of KJ－05and UNIT－15

4 結(jié) 論

1）對(duì)頂層端節(jié)點(diǎn)按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)范中的抗震構(gòu)造措施，當(dāng)采用500MPa級(jí)鋼筋時(shí)，試件達(dá)到的位移延性系數(shù)較HRB335小，但是試件失效時(shí)的構(gòu)件極限位移角卻較配置335MPa級(jí)鋼筋的試件偏大。表明采用不同的延性指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)會(huì)得出截然不同的結(jié)論，采用什么延性指標(biāo)來(lái)衡量配置高強(qiáng)鋼筋構(gòu)件的延性還需要進(jìn)一步研究。

2）采用500MPa鋼筋時(shí)，現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）節(jié)點(diǎn)剪壓比上限值0.3偏高，試件剪壓比超過(guò)0.25試件的抗震性能都有所下降。建議對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋的節(jié)點(diǎn)，宜采用0.25作為節(jié)點(diǎn)剪壓比的上限條件。

3）對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋的節(jié)點(diǎn)，為提高節(jié)點(diǎn)的抗裂能力，避免節(jié)點(diǎn)在梁端屈服前進(jìn)入明顯的非線(xiàn)性，改善貫穿節(jié)點(diǎn)梁筋的粘結(jié)退化程度，提高梁筋90°彎弧下混凝土的局部抗壓能力和錨固能力，對(duì)二級(jí)抗震等級(jí)以上的框架節(jié)點(diǎn)，建議混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C40。

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