X形配筋增強(qiáng)高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

戎賢　王勝男　張健新

摘要：

通過(guò)對(duì)核心區(qū)應(yīng)用X形配筋增強(qiáng)的高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)和同等條件下未被增強(qiáng)的高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，對(duì)比分析異形柱邊節(jié)點(diǎn)的破壞特征、滯回曲線、承載能力、位移及延性、剛度退化、耗能能力等抗震性能指標(biāo)。研究結(jié)果表明，配置HRB500高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)比配置600 MPa級(jí)的邊節(jié)點(diǎn)承載能低，但滯回性能好，變形能力強(qiáng)，剛度退化推遲，耗能能力強(qiáng)；在核心區(qū)加入X形配筋，均可以改善高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的破壞特征，使邊節(jié)點(diǎn)抗剪能力、變形能力、耗能能力增強(qiáng)，剛度退化推遲，提高異形柱邊節(jié)點(diǎn)抗震性能，配置HRB500高強(qiáng)鋼筋的試件核心區(qū)應(yīng)用X形配筋加強(qiáng)后抗震性能提高效果更好。

關(guān)鍵詞：

高強(qiáng)鋼筋；邊節(jié)點(diǎn)；異形柱；X形配筋；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU375.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）02010006

Abstract：

The exterior joints of specially shaped columns with highstrength reinforcement， and with or without Xshaped reinforcement were tested under low cyclic loading. The damage characteristic， hysteretic curve， bearing capacity， displacement， ductility， stiffness degradation and energy dissipation capacity were compared. The results showed that for the exterior joints of specially shaped columns， the bearing capacity of the HRB500 joint was lower， but the hysteretic behavior， deformability， energy dissipation capacity were increased， the stiffness degradation was postponed. When Xshaped highstrength reinforcement added to the joints， the failure characteristics of the joint was improved， the stiffness degradation was postponed， the deformability， shear capability and energy dissipation capacity were increased， the seismic behavior of specially shaped column joints was improved significantly，and the seismic behavior of the HRB500 joint was improved more.

Keywords：

highstrength reinforcement； exterior joint； specially shaped column； Xshaped reinforcement； seismic behavior

相對(duì)于普通截面柱結(jié)構(gòu)，異形柱結(jié)構(gòu)體系由于具有節(jié)省室內(nèi)空間、平面布置靈活等特點(diǎn)，可以較好地滿足中國(guó)居民的居住要求[12]，學(xué)者們做了許多關(guān)于異形柱結(jié)構(gòu)體系的各類試驗(yàn)研究及分析[310] ，中國(guó)學(xué)者也對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，戎賢等[11]指出，增大配箍率可以提高異形柱試件的延性，改善其滯回特性。雷敏等[12]提出了T形鋼管混凝土單向偏壓柱承載力的計(jì)算方法。同時(shí)有學(xué)者針對(duì)異形柱節(jié)點(diǎn)薄弱問(wèn)題，進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)的探討。戎賢等[1314]指出，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土中加入鋼纖維，可以改善異形柱節(jié)點(diǎn)滯回性能。曾磊等[15]提出，提高鋼骨混凝土異形柱鋼梁節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的配箍率，可以提高試件的延性，改善耗能能力。

高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用可以節(jié)約鋼材的使用量，降低工程造價(jià)，節(jié)約生產(chǎn)鋼材所消耗的能源與資源，但是《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 149—2006）尚未納入此類鋼筋，對(duì)于高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配置X形配筋的增強(qiáng)作用，相關(guān)研究也較少。通過(guò)將X形配筋加入高強(qiáng)鋼筋混凝土異形柱邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析X形配筋的增強(qiáng)效果，針對(duì)高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的薄弱問(wèn)題，提供理論指導(dǎo)，為規(guī)范的修訂提供資料支持。

1設(shè)計(jì)概況

試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)1/2縮尺的異形柱節(jié)點(diǎn)，各試件尺寸相同，梁柱縱筋、X形筋、箍筋位置及直徑一致，配筋強(qiáng)度等級(jí)情況如表1所示，其模型配筋情況以JTX2為例，如圖1所示。在試件制作的過(guò)程中，對(duì)于核心區(qū)有X形配筋的試件，注意先僅固定下柱部分和核心區(qū)的箍筋，由此確定柱縱筋位置并綁扎，隨后將2對(duì)（共4根）X形筋分別通過(guò)核心區(qū)箍筋、柱縱筋隨X形筋彎曲變化情況調(diào)整穿入路線，最終將其放置在核心區(qū)并綁扎固定。之后在規(guī)定位置綁扎梁縱筋，此時(shí)事先經(jīng)過(guò)斜邊長(zhǎng)度計(jì)算的X形筋恰位于梁柱縱筋的內(nèi)側(cè)且斜邊長(zhǎng)度貫穿于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，最后進(jìn)行其他鋼筋的綁扎。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，立方體抗壓強(qiáng)度為55.7 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度37.3 MPa，試件梁柱縱筋及箍筋性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值如表2所示。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮头謩e取節(jié)點(diǎn)上下柱和梁的反彎點(diǎn)之間的部分，使用梁端加載方案，在梁端用拉壓千斤頂控制施加豎向荷載，并將力的大小通過(guò)力傳感器傳送至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)低周往復(fù)加載，同時(shí)柱底放在位于靜力臺(tái)座的球鉸支座上，柱頂利用夾梁與鋼錨桿將構(gòu)件固定在反力墻上，并用液壓千斤頂施加恒定豎向荷載，大小為250 kN。在梁頭加載端的形心處利用位移計(jì)測(cè)量梁端變形，并將位移計(jì)固定在牢固的架子上，確保整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程位移計(jì)不會(huì)受到擾動(dòng)，加載裝置如圖2所示。試驗(yàn)加載為荷載位移聯(lián)合控制，即試件屈服前，對(duì)試件梁端荷載實(shí)施由力控制，以每20 kN為一級(jí)，試件屈服后，由試件屈服位移的整數(shù)倍控制梁端荷載；“加載、卸載、反向加載、反向卸載”為一個(gè)荷載控制的過(guò)程，屈服前進(jìn)行1次荷載控制循環(huán)，屈服后進(jìn)行3次循環(huán)，比較每個(gè)循環(huán)中的梁端最大豎向荷載，先升高后下降，下降到最大荷載的85%，試件破壞。

將規(guī)格為2 mm×3 mm的應(yīng)變片粘貼在鋼筋上，并用絕緣膠帶和防水膠保護(hù)，應(yīng)變片通過(guò)導(dǎo)線編號(hào)，并與DH3818靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)相連，對(duì)計(jì)算機(jī)采集到的鋼筋應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄處理，進(jìn)而得到試驗(yàn)過(guò)程中的鋼筋應(yīng)變。當(dāng)位于梁端塑性鉸區(qū)應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到鋼筋屈服應(yīng)變時(shí)，將力加載控制轉(zhuǎn)為位移加載控制。由于下文重點(diǎn)分析箍筋應(yīng)變和X形配筋應(yīng)變，故僅表達(dá)箍筋和X形配筋應(yīng)變片的粘貼位置，將最接近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)中間部位的一對(duì)箍筋和任選其中一組X形配筋貼應(yīng)變片如圖3所示。

2破壞特征

試件的破壞特征如圖4所示。

加載初期，豎向彎曲裂縫先出現(xiàn)于試件梁端，隨后試件核心區(qū)腹板出現(xiàn)數(shù)條斜向彎曲裂縫，繼續(xù)加載，斜裂縫由腹板經(jīng)翼緣側(cè)面延伸至翼緣正面。試件JT3、JTX4的破壞程度分別比試件JT1、JTX2嚴(yán)重；試件JTX2、JTX4破壞時(shí)梁端混凝土脫落嚴(yán)重，出現(xiàn)貫通裂縫，試件核心區(qū)腹板內(nèi)較多的細(xì)微斜裂縫，破壞時(shí)梁端及核心區(qū)混凝土均脫落；試件JT1核心區(qū)腹板斜裂縫寬度達(dá)到2.2 mm，而試件JTX2核心區(qū)腹板斜裂縫寬度僅為1.5 mm。這說(shuō)明配置HRB500高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的破壞程度比配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重，在高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配置X形筋進(jìn)行增強(qiáng)，剪切裂縫發(fā)展得到明顯限制，邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的破壞特征隨混凝土表層開(kāi)裂和剝落現(xiàn)象的減輕而改善。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1滯回特性

根據(jù)試驗(yàn)得到的異形柱節(jié)點(diǎn)荷載位移滯回曲線如圖5所示。滯回曲線在加載的正反方向基本對(duì)稱。加載初期，試件變形及殘余變形較小，滯回曲線幾乎成直線。加載至試件屈服后，試件的變形隨荷載的增加而增加，滯回曲線也趨于飽滿。綜合來(lái)看，試件JT3、JTX4的滯回曲線飽滿程度分別比JT1、JTX2好；同時(shí)，試件JTX2、JTX4的滯回曲線分別與JT1、JT3相比，加載后期曲線更加飽滿，變形能力增強(qiáng)，承載力下降慢，且JTX4的變形能力和滯回曲線飽滿程度增強(qiáng)效果較明顯。這表明對(duì)于配置高強(qiáng)鋼筋的異形柱邊節(jié)點(diǎn)試件，配置HRB500高強(qiáng)鋼筋的試件滯回性能比配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的試件滯回性能好，在核心區(qū)加入X形配筋進(jìn)行增強(qiáng)，高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)后期變形能力增大，滯回性能改善。

從表3中可知，JTX4的位移延性系數(shù)比JTX2提高了26.83%，JTX4的延性系數(shù)比JT3提高了13.87%；對(duì)于開(kāi)裂荷載、開(kāi)裂位移，JTX2比JT1顯著提高；對(duì)于屈服荷載、屈服位移、極限位移，JT3比JT1略有增大，JTX2比JT1分別提高4.52%、287%、14.22%，JTX4比JT3分別提高14.84%、6.73%、8.72%，但JTX2、JTX4的極限荷載分別與JT1、JT3比較，沒(méi)有明顯變化。JTX2延性比JT1小，可能是由于外在原因造成構(gòu)件平面外失穩(wěn)，使構(gòu)件提前破壞，進(jìn)而延性系數(shù)減少。表中屈服荷載是根據(jù)骨架曲線結(jié)合“等面積法”求得，雖然JT1的屈服荷載比JT3的屈服荷載略小，但JT1、JTX2的極限承載能力分別大于JT3、JTX4，故這樣的試驗(yàn)結(jié)果可能是試驗(yàn)誤差引起的。JTX2的正向屈服荷載過(guò)小，且正負(fù)向屈服荷載相差較大，可以推測(cè)此組數(shù)據(jù)可能是由于試驗(yàn)過(guò)程中，力傳感器的短期接觸不良導(dǎo)致計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致骨架曲線的局部與實(shí)際情況略有偏差，進(jìn)而影響了JTX2屈服荷載的計(jì)算。因此個(gè)別數(shù)據(jù)只反映了試驗(yàn)的局部偏差，綜合試件的極限荷載來(lái)看，仍然可以判斷出試件的承載能力。

總體來(lái)看，配置HRB500的高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)比配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的邊節(jié)點(diǎn)變形能力強(qiáng)；在核心區(qū)配置X形配筋加強(qiáng)，可以延緩高強(qiáng)鋼筋混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)的斜裂縫產(chǎn)生，提高高強(qiáng)鋼筋混凝土異形柱邊節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和變形能力，配置HRB500高強(qiáng)鋼筋的試件提高效果更明顯，同時(shí)核心區(qū)配置X形配筋對(duì)配置HRB500高強(qiáng)鋼筋的試件的延性和承載能力有明顯增強(qiáng)作用。

3.3骨架曲線

試驗(yàn)得到的骨架曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，試件JTX4的骨架曲線最為飽滿；試件JT1、JTX2的最大承載力分別比JT3、JTX4略高，但變形能力均分別明顯減??；試件JTX2、JTX4的變形能力分別比JT1、JT3明顯提高，后期承載力下降速度慢；JTX2、JTX4的最大承載力分別與JT1、JT3比較來(lái)看，沒(méi)有明顯區(qū)別。這說(shuō)明配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋異形柱節(jié)點(diǎn)最大承載力比配置HRB500的試件高，變形能力差；在高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配置X形配筋，可以提高試件變形能力和承載能力，后期承載力下降速度減慢，試件的抗震能力相應(yīng)提高。

3.4剛度退化

根據(jù)試驗(yàn)得到的剛度退化曲線如圖7。

從4個(gè)構(gòu)件的剛度退化曲線可以看出，試件JT3、JTX4的剛度退化曲線分別比試件JT1、JTX2平緩，且變形能力強(qiáng)；試件JTX2、JTX4的后期變形能力比試件JT1、JT3明顯增強(qiáng)，剛度退化曲線平緩，但JTX2對(duì)于JT1的剛度退化延緩程度、變形提高程度不如JTX4相對(duì)于JT3明顯。這說(shuō)明配置HRB500的高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)與配置600 MPa級(jí)的邊節(jié)點(diǎn)相比，剛度退化推遲，變形能力強(qiáng)；在核心區(qū)配置X形配筋，高強(qiáng)鋼筋異形柱節(jié)點(diǎn)的變形能力提高，剛度退化推遲，配置HRB500高強(qiáng)鋼筋的試件剛度退化延緩程度與變形提高程度更明顯。

3.5耗能能力

試件在各級(jí)位移下的等效粘滯阻尼系數(shù)見(jiàn)圖8。

由圖8可知，在達(dá)到屈服狀態(tài)前，未增強(qiáng)試件和增強(qiáng)試件的等效粘滯阻尼系數(shù)接近，達(dá)到屈服荷載之后，JT3的等效粘滯阻尼系數(shù)遠(yuǎn)大于JT1，同時(shí)JTX2、JTX4的等效粘滯阻尼系數(shù)分別比JT1、JT3提高37.5%、16.7%，JTX2、JTX4的等效粘滯阻尼系數(shù)相差不大。這說(shuō)明配置HRB500高強(qiáng)鋼筋混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力強(qiáng)于配置600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的邊節(jié)點(diǎn)，在核心區(qū)配置X形筋進(jìn)行加強(qiáng)，可以提高高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

3.6箍筋應(yīng)變及X形筋應(yīng)變

由于JTH2與JTH3、JTH4與JTH5、JTX1與JTX3、JTX2和JTX4分別對(duì)稱，故分析其一即可。根據(jù)異形柱邊節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)和箍筋應(yīng)變實(shí)測(cè)值大小可知，異形柱翼緣端面沒(méi)有明顯破壞，且箍筋、X形筋應(yīng)變極小，故不再進(jìn)行分析。根據(jù)試驗(yàn)得到的JTH1、JTH2、JTH4、JTX2的應(yīng)變?nèi)鐖D9。

由圖中可以看出，JTH1與JTH4通過(guò)約束核心區(qū)混凝土來(lái)承擔(dān)邊節(jié)點(diǎn)剪力，試驗(yàn)加載初期時(shí)，由于混凝土承擔(dān)主要的剪力，其箍筋應(yīng)變值較?。浑S著節(jié)點(diǎn)核心區(qū)逐漸開(kāi)裂，箍筋應(yīng)變也逐漸增加。腹板側(cè)面箍筋JTH2的應(yīng)變最大，對(duì)比各構(gòu)件來(lái)看，JTX2、JTX4中JTH2的應(yīng)變比JT1、JT3小很多，這說(shuō)明核心區(qū)有X形筋增強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，X形筋能承擔(dān)一部分剪力，進(jìn)而提高試件抗剪能力，改變?cè)嚰茐男螒B(tài)。由JTX2的應(yīng)變可以看出，試件JTX2和JTX4中X形筋均發(fā)揮作用，加載后期，JTX2、JTX4中的X形筋接近于屈服，表示配置高強(qiáng)鋼筋的異形柱邊節(jié)點(diǎn)，核心區(qū)加入X形筋可以充分發(fā)揮作用，提高節(jié)點(diǎn)抗剪能力，改善節(jié)點(diǎn)的薄弱問(wèn)題。

圖9中可以看出，對(duì)比幾個(gè)試件中的鋼筋測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)JT3的JTH2測(cè)點(diǎn)處鋼筋達(dá)到了屈服應(yīng)變，而其余試件相應(yīng)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)變未達(dá)到屈服應(yīng)變，這可以證明對(duì)于配置HRB500高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)，X形筋可以降低核心區(qū)箍筋應(yīng)變，使核心區(qū)箍筋充分發(fā)揮強(qiáng)度作用，進(jìn)而改善節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土破壞形態(tài)；對(duì)比試件JTX2、JTX4中的X形筋，發(fā)現(xiàn)不同試件的X形筋應(yīng)變有所不同，但均未達(dá)到屈服應(yīng)變。然而以上兩個(gè)方面的屈服應(yīng)變情況，只是針對(duì)鋼筋應(yīng)變片粘貼位置相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的反映，旨在對(duì)比分析相同測(cè)點(diǎn)下，不同試件鋼筋應(yīng)變的差異，對(duì)于在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)全部箍筋、X形筋中，是否有屈服應(yīng)變，以及屈服應(yīng)變的大小，會(huì)在接下來(lái)的有限元軟件模擬研究中有整體的反映。總之，雖然測(cè)點(diǎn)處鋼筋少有屈服應(yīng)變，并不能根據(jù)圖9得到“核心區(qū)鋼筋沒(méi)有有效發(fā)揮強(qiáng)度作用”的結(jié)論。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土異形柱邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配置X形配筋進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：

1）配置HRB500高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)比配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的邊節(jié)點(diǎn)破壞程度嚴(yán)重，承載能力低。

2）配置HRB500高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)比配置600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的邊節(jié)點(diǎn)滯回性能好，變形能力與耗能能力強(qiáng)，剛度退化推遲。

3）在核心區(qū)配置X形筋，可以提高配置HRB500高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的延性及承載能力，分別提高配置HRB500、600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的耗能能力，提高高強(qiáng)鋼筋異形柱節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，改善高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，使邊節(jié)點(diǎn)的變形能力提高，承載能力下降速度減慢，剛度退化推遲，進(jìn)而提高高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)的抗震能力。

4）綜合考慮高強(qiáng)鋼筋異形柱節(jié)點(diǎn)變形能力、延性系數(shù)、剛度退化等，配置HRB500的試件核心區(qū)應(yīng)用X形筋加強(qiáng)后抗震性能提高效果更明顯。在今后的工程應(yīng)用中，對(duì)于高強(qiáng)鋼筋異形柱邊節(jié)點(diǎn)，尤其是配置HRB500的構(gòu)件，可以通過(guò)在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)增加X(jué)形筋改善其薄弱狀態(tài)，提高其抗震性能。具體施工方法參照之前的有關(guān)專利[16]，并需在實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中探索最適宜方法。

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