考慮梁軸向約束效應(yīng)的RC梁柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理及抗震性能試驗(yàn)研究

王麗萍，羅文文，劉思危，張 偉，蔣利成，楊仕建

(1.重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331；2.能源工程力學(xué)與防災(zāi)減災(zāi)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

強(qiáng)震作用下建筑結(jié)構(gòu)合理的破壞模式是實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)的決定因素之一。以能力設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)震破壞模式設(shè)計(jì)遵循“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。RC框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)起到保持與之相連梁柱內(nèi)力平衡的重要作用，其受力復(fù)雜，發(fā)生損傷后對(duì)整體結(jié)構(gòu)變形影響大。但歷次地震中RC梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生非預(yù)期損傷破壞的情況屢見(jiàn)不鮮[1―2]。主要原因?yàn)楣?jié)點(diǎn)區(qū)域箍筋配置不足、錨固條件不滿足要求以及混凝土強(qiáng)度不足等方面[1,3―4]。然而與節(jié)點(diǎn)受剪密切相關(guān)的梁受彎損傷軸向伸長(zhǎng)現(xiàn)象卻被廣泛忽視。

RC梁受彎開裂和屈服后會(huì)發(fā)生軸向伸長(zhǎng)[5_6]，此現(xiàn)象是由RC梁受彎形心軸位于受拉區(qū)，以及縱筋殘余變形、混凝土接觸壓力和塑性鉸區(qū)剪力傳遞機(jī)制引起的[5,7]。實(shí)際結(jié)構(gòu)中梁伸長(zhǎng)會(huì)受到現(xiàn)澆板、抗側(cè)力構(gòu)件等周邊構(gòu)件的約束作用，從而在梁中產(chǎn)生了不可低估的軸力(梁軸向約束效應(yīng))，影響構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗震性能[8_11]。Zerbe和Durrani[9]對(duì)一個(gè)2跨連續(xù)RC梁柱子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)一榀框架周邊柱對(duì)梁伸長(zhǎng)的約束作用在梁中產(chǎn)生的約束軸力增加了節(jié)點(diǎn)區(qū)域抗剪負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土損傷加重，箍筋應(yīng)變?cè)龃蟆im等[12]通過(guò)數(shù)值模擬分析梁軸向伸長(zhǎng)效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪需求增加。軸向約束效應(yīng)在梁中產(chǎn)生的約束軸力對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理及抗震性能的影響尚不明確。此約束軸力一方面會(huì)增加梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪需求，另一方面也會(huì)影響節(jié)點(diǎn)抗剪承載力，而節(jié)點(diǎn)實(shí)際抗震性能是取決于抗剪需求和能力之間的相對(duì)關(guān)系。目前相關(guān)研究缺乏，亟待開展考慮梁軸向約束效應(yīng)的RC梁柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理和抗震性能研究。

本文首先對(duì)梁中約束軸力影響節(jié)點(diǎn)抗剪需求和抗剪能力進(jìn)行理論分析。進(jìn)一步采用等效約束裝置代替周邊構(gòu)件對(duì)梁伸長(zhǎng)的約束作用，以RC梁柱子結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行低周反復(fù)加載擬靜力試驗(yàn)，直接量測(cè)因梁伸長(zhǎng)受約束時(shí)產(chǎn)生的被動(dòng)軸力，研究軸向約束剛度大小、梁縱筋配筋率等因素對(duì)梁軸向約束效應(yīng)的影響，重點(diǎn)考察研究軸向約束效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。本文為進(jìn)一步完善RC框架結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 考慮軸向約束效應(yīng)的RC梁柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理分析

RC梁中約束軸力與柱中軸力、預(yù)應(yīng)力梁中預(yù)加軸力不同，其是梁受彎損傷軸向伸長(zhǎng)受到周邊構(gòu)件約束時(shí)而產(chǎn)生的被動(dòng)軸力，此軸力出現(xiàn)在梁受彎開裂和鋼筋屈服后，且隨梁非線性變形的增加而增加。本節(jié)將分析梁約束軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪需求、傳力機(jī)制及抗剪能力的影響。

1.1 梁約束軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪需求影響

基于能力設(shè)計(jì)原理的RC框架結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)抗剪需求設(shè)計(jì)值是以節(jié)點(diǎn)兩邊所連梁端分別在正、負(fù)彎矩下達(dá)到屈服后，依據(jù)“強(qiáng)剪弱彎”原則確定的[13]。強(qiáng)震下，RC梁、柱端作用給節(jié)點(diǎn)的力如圖1所示。當(dāng)梁中無(wú)軸向力時(shí)，節(jié)點(diǎn)受力如圖1(a)所示，節(jié)點(diǎn)實(shí)際抗剪需求Vj計(jì)算公式為：

式中：Cs,l、Cc,l分別為節(jié)點(diǎn)左側(cè)梁端受壓區(qū)鋼筋壓力、混凝土壓力；Tl、Tr分別為節(jié)點(diǎn)左側(cè)和右側(cè)梁端受拉區(qū)縱向鋼筋拉力；Vc,u為上柱所受剪力。梁受彎產(chǎn)生的Cs,l+Cc,l與Tl相等。

圖1 梁柱節(jié)點(diǎn)受力圖Fig.1 Force diagrams in RC beam-column joint

梁受彎損傷軸向伸長(zhǎng)受約束時(shí)，會(huì)在梁中產(chǎn)生不可低估的約束軸力。此約束軸力作用在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁端受壓區(qū)，如圖1(b)所示。梁中存在軸力時(shí)，節(jié)點(diǎn)抗剪需求為式(2)。

式中：Nl為節(jié)點(diǎn)左側(cè)梁中軸力；Ns,l、Nc,l分別為節(jié)點(diǎn)左側(cè)梁軸力在梁端受壓區(qū)縱筋中和混凝土中產(chǎn)生的壓力。

梁端受彎屈服后，左右梁端受拉鋼筋拉力之和Tl+Tr幾乎無(wú)變化。而梁中約束軸力會(huì)提高梁抗彎承載力，由節(jié)點(diǎn)力矩平衡可知，柱端彎矩也會(huì)相應(yīng)增大，因而導(dǎo)致柱中剪力Vc,u增大。此外，節(jié)點(diǎn)一側(cè)的梁中約束軸力Nl有一部分會(huì)直接傳遞至柱中，形成柱剪力。因此，考慮梁中軸力后，節(jié)點(diǎn)抗剪需求的變化取決于約束軸力Nl和上柱剪力Vc,u相對(duì)變化量Nl_Vc,u。

1.2 梁約束軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪機(jī)理和承載力影響

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)軸力的出現(xiàn)將會(huì)影響節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)制，進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)抗剪承載力。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)軸力的情況有兩種：柱中軸力和梁中軸力。

柱中軸力主要是結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生的。柱中軸力主要影響穿過(guò)節(jié)點(diǎn)區(qū)的梁縱筋和“斜壓桿機(jī)構(gòu)”中主壓應(yīng)力的大小和方向進(jìn)而對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)傳力機(jī)制和抗震性能產(chǎn)生影響[14]。柱中軸力可在一定的非彈性變形范圍內(nèi)適度減小梁縱筋貫穿段的粘結(jié)應(yīng)力退化和滑移，減小主要因節(jié)點(diǎn)開裂而形成的節(jié)點(diǎn)剪切變形，但即使在中等及偏低剪壓比條件下，柱軸壓比的增大也不能改善梁柱組合體的延性性能；而當(dāng)節(jié)點(diǎn)剪壓比偏高時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)交叉斜裂縫的發(fā)展將對(duì)梁筋粘結(jié)產(chǎn)生不利影響，在很大程度上削弱了柱中軸壓力對(duì)梁筋粘結(jié)的有利作用，同時(shí)，隨著柱軸壓比增大，將增大核心區(qū)斜壓混凝土的壓應(yīng)力，使核心區(qū)混凝土處于更為不利的受力狀態(tài)，梁柱組合體在節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切失效前所能達(dá)到的位移延性將逐步降低，給節(jié)點(diǎn)抗震性能帶來(lái)不利影響[15_16]。因此，節(jié)點(diǎn)抗剪公式中不能像柱抗剪那樣全面考慮柱中軸壓力的有利影響，現(xiàn)行抗震規(guī)范節(jié)點(diǎn)抗剪能力計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[13]式(D.1.4-1)。

梁中出現(xiàn)軸力的情況可以分為兩種：一種是預(yù)應(yīng)力梁；另一種則是本文重點(diǎn)研究的考慮梁軸向約束效應(yīng)在梁中產(chǎn)生約束軸力。對(duì)于預(yù)應(yīng)力梁，其梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土受到了預(yù)應(yīng)力筋傳來(lái)的預(yù)壓力，由于梁中預(yù)壓應(yīng)力作用使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受到豎向的柱壓力和水平向的預(yù)壓力，為平面雙向受壓狀態(tài)，可約束混凝土變形，明顯提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的抗剪強(qiáng)度[17_18]，此外，梁中預(yù)應(yīng)力使核心區(qū)混凝土主拉應(yīng)力有所減小，提高了節(jié)點(diǎn)抗裂度。當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋從一個(gè)方向或兩個(gè)方向穿過(guò)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，設(shè)置在梁截面高度中部1/3范圍內(nèi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)抗剪承載力在文獻(xiàn)[13]式(D.1.4-1)基礎(chǔ)上增加 0.4Npe，計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[19]式(4.4.1-2)。Npe為作用在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)預(yù)應(yīng)力筋的總有效預(yù)加力，新西蘭混凝土規(guī)范NZS 3101-1[20]中此值取為0.7倍梁截面高度中部1/3范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效合力。

雖然，梁受彎損傷軸向伸長(zhǎng)受到周邊構(gòu)件約束時(shí)而產(chǎn)生的被動(dòng)軸力同樣會(huì)通過(guò)梁端傳遞至節(jié)點(diǎn)區(qū)，但與預(yù)應(yīng)力梁中的預(yù)應(yīng)力作用相比，梁中約束軸力可能不會(huì)顯著改善梁和節(jié)點(diǎn)抗裂能力，此外，也不能像柱中軸力一樣明顯改善節(jié)點(diǎn)區(qū)梁縱筋的粘結(jié)退化和滑移。約束軸力主要出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)受力第一階段[14]中梁縱筋屈服后至梁縱筋開始全面粘結(jié)退化，以及第二受力階段[14]，主要影響“斜壓桿機(jī)構(gòu)”。即使不考慮梁中約束軸力與預(yù)應(yīng)力梁中軸力的差異，結(jié)合式(2)和文獻(xiàn)[19]式(4.4.1-2)，梁中約束軸力對(duì)抗剪需求的影響比抗剪能力的影響大。

綜合上述分析：一方面，梁軸向約束效應(yīng)在梁中產(chǎn)生的約束軸力，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)軸力和柱剪力增大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)抗剪需求增加；而另一方面，約束軸力的出現(xiàn)會(huì)影響節(jié)點(diǎn)區(qū)梁縱筋粘結(jié)滑移性能和節(jié)點(diǎn)抗剪斜壓桿機(jī)構(gòu)主壓應(yīng)力的大小和方向，節(jié)點(diǎn)抗震性能取決于約束軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪需求和能力影響的動(dòng)態(tài)關(guān)系。本文將采用試驗(yàn)研究進(jìn)一步研究梁軸向約束效應(yīng)，揭示此效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪需求和能力的影響規(guī)律，探究其對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)際抗震性能的影響。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)原型為一榀 3層 4跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。以底層中間跨梁柱反彎點(diǎn)處的“十字型”梁柱子結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)研究對(duì)象，共設(shè)計(jì)了6個(gè)1/2比例的試件，試件尺寸完全相同。梁截面250 mm×400 mm，柱截面350 mm×300 mm。柱高為1670 mm，柱底鉸支座中心與作動(dòng)器中心距離為 1600 mm。梁長(zhǎng)4260 mm，梁兩端鉸支座中心距為4000 mm，試件尺寸與截面配筋如圖2所示。試驗(yàn)以約束剛度、梁縱筋配筋率、混凝土強(qiáng)度為試驗(yàn)變量，通過(guò)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究梁軸向約束效應(yīng)對(duì)RC梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。RC梁受彎損傷軸向伸長(zhǎng)現(xiàn)象主要出現(xiàn)在梁受彎混凝土開裂和縱筋屈服后，因而試件設(shè)計(jì)是以梁端先屈服為原則進(jìn)行的，盡可能保證節(jié)點(diǎn)不先發(fā)生破壞?？紤]到梁軸向約束效應(yīng)會(huì)提高試件的抗彎承載力[9]，試件設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)點(diǎn)配箍量在抗震等級(jí)為二級(jí)的框架結(jié)構(gòu)相應(yīng)要求基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶岣?，?jié)點(diǎn)區(qū)配筋見(jiàn)表1。

圖2 試件尺寸與截面配筋圖/mmFig.2 Specimen dimensions and reinforcement details

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)Table 1 Experimental parameters of specimens

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)見(jiàn)表1。構(gòu)件編號(hào)由一位數(shù)字和一個(gè)字母組成。數(shù)字表示梁上部縱筋配筋率大?。?表示低配筋率，4表示高配筋率；字母表示有無(wú)約束作用及約束剛度的高低：N表示無(wú)約束，L表示低約束，H表示高約束。3N、3L、4N、4L混凝土強(qiáng)度為 C35，3H、4H混凝土為 C50。試驗(yàn)試件縱筋采用 HRB400，箍筋采用 HPB300。鋼筋、混凝土實(shí)測(cè)力學(xué)性能如表2所示。

表2 鋼筋、混凝土實(shí)測(cè)力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel bars and concrete

2.2 加載裝置及加載制度

試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖3。試驗(yàn)采用柱端主動(dòng)加載方式。通過(guò)與三角反力架和柱頂相連的水平作動(dòng)器在柱頂施加往復(fù)水平位移。梁端設(shè)置兩端為鉸支的豎向鏈桿以約束梁端豎向位移。柱上、下端均為鉸支座。

圖3 試驗(yàn)加載圖Fig.3 Test apparatus

實(shí)際框架結(jié)構(gòu)是高次超靜定結(jié)構(gòu)，難以通過(guò)試驗(yàn)的方式直接測(cè)量周邊構(gòu)件對(duì)梁伸長(zhǎng)的約束軸力。本文采用等效約束剛度的方式，從原型結(jié)構(gòu)(3層4跨一榀框架)取出底層中間“十字型”梁柱節(jié)點(diǎn)，采用約束鋼棒等效代替周邊構(gòu)件對(duì)此梁伸長(zhǎng)的約束，將超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為靜定結(jié)構(gòu)，即可在試驗(yàn)過(guò)程中直接測(cè)量被動(dòng)產(chǎn)生的約束軸力的大小，研究軸向約束效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理和抗震性能的影響。

采用有限元分析軟件建立原型結(jié)構(gòu)分析模型，以強(qiáng)柱弱梁破壞模式為前提，考慮構(gòu)件開裂和屈服引起的剛度折減(柱剛度折減系數(shù)取0.5，梁剛度折減系數(shù)取0.5)[21]，以等效力代替底層中間跨梁與周邊構(gòu)件的相互作用，如圖4(a)所示，計(jì)算單位力作用下，梁兩端產(chǎn)生的相對(duì)位移，最后即可計(jì)算得到周邊構(gòu)件對(duì)底層中間“十字型”梁柱子結(jié)構(gòu)中梁的約束剛度。根據(jù)剛度相等的原則，采用約束鋼棒等效代替周邊構(gòu)件對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的約束作用，如圖4(b)所示。經(jīng)計(jì)算，約束系統(tǒng)提供的約束剛度應(yīng)為70 kN/mm，只需要2根直徑約為30 mm的鋼棒。綜合考慮試驗(yàn)安裝過(guò)程中的縫隙等問(wèn)題，約束鋼棒實(shí)際采用兩根直徑為50 mm的鋼棒。50 mm鋼棒對(duì)應(yīng)的約束系統(tǒng)為低約束剛度，而選用60 mm的鋼棒代表高約束剛度。約束裝置如圖4(c)所示。因梁伸長(zhǎng)受約束產(chǎn)生的軸向力近似作用在梁軸線上。試驗(yàn)安裝時(shí)，圖4(c)中螺母的位置可以調(diào)節(jié)，既可以考慮試件制作誤差，也可以保證安裝時(shí)不會(huì)向梁中施加預(yù)加軸力。

圖4 軸向約束系統(tǒng)圖Fig.4 Axial restraint system

試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)是梁-柱子結(jié)構(gòu)屈服后的狀態(tài)，為了加載方便，全程采用位移加載控制。試驗(yàn)加載制度參考ACI 374.1-05(R2014)[22]的要求設(shè)置，各加載等級(jí)對(duì)應(yīng)的柱頂位移幅依次為 6 mm、8 mm、12 mm、16 mm、24 mm、32 mm、48 mm、64 mm，每一級(jí)位移幅值往復(fù)循環(huán)3次，加載制度如圖5所示。試驗(yàn)規(guī)定作動(dòng)器伸長(zhǎng)時(shí)(圖3)，柱頂水平位移為正值，反之為負(fù)值。

圖5 加載制度圖Fig.5 Lateral loading history

2.3 試驗(yàn)量測(cè)

柱頂水平力由布置在作動(dòng)器中的拉壓傳感器測(cè)量，梁兩端剪力則由設(shè)置在梁端鏈桿中的拉壓傳感器測(cè)量。約束產(chǎn)生的被動(dòng)軸力由約束系統(tǒng)左端設(shè)置的環(huán)形壓力傳感器測(cè)量。柱頂水平位移由布置在柱頂?shù)奈灰朴?jì)測(cè)得。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 約束剛度與約束軸力

梁中約束軸力是影響節(jié)點(diǎn)抗剪需求和承載力的關(guān)鍵，而約束軸力的大小則取決于梁伸長(zhǎng)量和周邊構(gòu)件對(duì)梁伸長(zhǎng)的約束作用的大小。試驗(yàn)測(cè)得未受約束的試件3N和4N，在位移角為2%時(shí)，梁伸長(zhǎng)分別為7.36 mm、7.31 mm；位移角為4%時(shí)，梁伸長(zhǎng)分別為16.60 mm、17.55 mm，為梁高的4.15%、4.39%，梁受彎損傷軸向自由伸長(zhǎng)量較大。而受到約束作用時(shí)梁伸長(zhǎng)量大幅度減?。何灰平菫?%時(shí)，3L、4L、3H、4H的伸長(zhǎng)量分別為3.11 mm、3.07 mm、4.51 mm、2.89 mm；位移角為4%時(shí)，伸長(zhǎng)量分別為4.15 mm、3.63 mm、4.52 mm、4.09 mm。等效約束系統(tǒng)約束剛度大小見(jiàn)圖6。

圖6 軸向約束剛度Fig.6 Axial restraint stiffness

整個(gè)加載過(guò)程中約束剛度是變化的：當(dāng)梁受彎損傷較小梁伸長(zhǎng)量較小時(shí)，約束系統(tǒng)中各部件間有少量間隙，約束剛度??；隨加載位移逐漸增加，梁伸長(zhǎng)量增加，約束系統(tǒng)中各部件間隙逐漸填滿，約束剛度逐漸變大。當(dāng)位移角超過(guò)2%，各試件約束剛度增加趨于平緩。試件3L、4L、3H、4H在位移角為2%時(shí)，正負(fù)加載方向平均約束剛度約為57.7 kN/mm、71.0 kN/mm、97.1 kN/mm和100.9 kN/mm。

4個(gè)有約束的試件，梁伸長(zhǎng)受約束時(shí)在梁中產(chǎn)生的約束軸力與位移角之間的關(guān)系相似。以試件3H為例，約束軸力與位移角如圖7所示。各試件各加載等級(jí)第一個(gè)加載循環(huán)最大約束軸力與位移角之間的關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖7 約束軸力-位移角圖Fig.7 Axial restraint force vs drift ratio

圖8 最大約束軸力軸壓比-位移角圖Fig.8 Peak axial restraint force ratio vs drift ratio

軸壓比計(jì)算時(shí)，混凝土強(qiáng)度采用實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的棱柱體抗壓強(qiáng)度。綜合圖7和圖8可知，4個(gè)受約束的試件，位移角在2%時(shí)，最大約束軸力軸壓比在0.07~0.17，位移角在4%時(shí)，最大約束軸力軸壓比在0.18~0.30。試件最大約束軸力與位移角之間的關(guān)系大致可以分為3個(gè)階段：試件屈服前、屈服后至位移角為3%、位移角大于3%。

1)試件屈服前階段：試驗(yàn)實(shí)測(cè)梁縱筋屈服對(duì)應(yīng)的位移角在 0.71%~1.28%，屈服之前約束系統(tǒng)約束剛度較小，最大約束軸力隨加載的進(jìn)行增加緩慢，位移角在1%時(shí)，4個(gè)試件最大約束軸力軸壓比都在0.02~0.04。

2)試件屈服后至位移角為 3%階段：試件屈服后約束系統(tǒng)約束剛度較大，各試件最大約束軸力隨加載的進(jìn)行迅速增加。

3)位移角大于3%階段：隨著位移角的增加，梁端損傷也隨之加重，部分試件梁端受壓區(qū)保護(hù)層混凝土被壓碎，梁端自身的軸向剛度減小，最大約束軸力隨加載的進(jìn)行，增加的趨勢(shì)減緩，試件3H和4H，同一加載等級(jí)不同加載循環(huán)約束軸力出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

由圖8可知，約束剛度是影響約束軸力大小的主要因素，試件屈服后，高約束剛度的試件3H和4H最大約束軸力比其他兩個(gè)試件的最大約束軸力大。

3.2 試件承載力分析

節(jié)點(diǎn)抗剪需求變化除了取決于梁中約束軸力大小外，還受柱剪力影響。梁中約束軸力的出現(xiàn)會(huì)引起梁抗彎承載力增加，從而導(dǎo)致柱中剪力相應(yīng)增大。

各試件各加載等級(jí)第一循環(huán)柱頂水平力Vc,u與位移角的關(guān)系見(jiàn)圖9。6個(gè)試件初始剛度差異較小，試件3N和4N屈服后，承載力幾乎不再增長(zhǎng)，出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)段。與3N配筋相同，但受約束的試件3L和3H，梁中出現(xiàn)了被動(dòng)約束軸力，試件屈服后承載力繼續(xù)增加，無(wú)平臺(tái)段出現(xiàn)，試件承載力提高幅度較大。位移角為2%時(shí)，試件3L和3H的承載力是試件3N的1.39倍、1.91倍；位移角為4%時(shí)是1.80倍和2.45倍。試件4L和4H屈服后也無(wú)平臺(tái)段出現(xiàn)，屈服后承載力繼續(xù)增加，試件承載力提高幅度較大。位移角為2%時(shí)，試件4L、4H的承載力是試件4N的1.45倍、1.78倍；位移角為4%時(shí)是1.59倍和2.20倍。

圖9 柱頂水平力-位移角骨架曲線Fig.9 Skeleton curves of lateral load vs drift

3.3 節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪影響分析

由第1節(jié)節(jié)點(diǎn)受力分析可知，當(dāng)梁中存在約束軸力，節(jié)點(diǎn)實(shí)際抗剪需求可由式(2)計(jì)算。其中，Nl和Vc,u分別由設(shè)置在約束系統(tǒng)左端的環(huán)形壓力傳感器和設(shè)置在柱頂作動(dòng)器中的拉壓傳感器測(cè)得；而節(jié)點(diǎn)左右兩側(cè)梁端縱筋拉力Tl、Tr則根據(jù)鋼筋的屈服強(qiáng)度和受拉應(yīng)變硬化特性計(jì)算得到。試驗(yàn)實(shí)測(cè)梁縱筋屈服對(duì)應(yīng)的位移角在0.71%~1.28%，因而假定當(dāng)位移角大于等于1.5%時(shí)，考慮梁縱筋的受拉應(yīng)變硬化，梁縱筋中的拉力等于屈服力乘以強(qiáng)化系數(shù)1.25。各試件在位移角為 1.5%~4%，節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪需求見(jiàn)表3。

表3 節(jié)點(diǎn)抗剪需求/kNTable 3 Shear force demands in joints

由表3可知，與梁端配筋相同的無(wú)約束3N試件相比，位移角為±2%時(shí)，3L、3H的抗剪需求平均提高了1.31、1.68倍；位移角為±4%時(shí)，提高倍數(shù)為 1.73、2.22倍。與梁端配筋相同的無(wú)約束 4N試件相比，位移角為±2%時(shí)，4L、4H的抗剪需求平均提高了1.14、1.46倍；位移角為±4%時(shí)，提高倍數(shù)為1.34、1.86倍。式(2)中，梁端配筋相同的試件Tl+Tr相同，雖然梁端有約束的試件承載力有所提高，柱頂水平力Vc,u變大，但相比于梁中軸力Nl，Vc,u變化的幅度小，因此有約束的試件中Nl-Vc,u增大較多，試件節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪需求變化較大。

由文獻(xiàn)[13]式(D.1.4-1)計(jì)算未考慮梁中約束軸力影響時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪承載力。計(jì)算過(guò)程中取RE＝1.0，系數(shù)?j＝1.0，且暫不考慮軸力的影響，節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋配置和箍筋強(qiáng)度均相同，僅混凝土項(xiàng)中混凝土強(qiáng)度存在差異。試件3N、3L、4N、4L、3H、4H混凝土抗拉強(qiáng)度平均值分別取 2.51 MPa、2.51 MPa、2.65 MPa、2.32 MPa、2.15 MPa、2.58 MPa，則節(jié)點(diǎn)抗剪承載力Vu分別為1387 kN、1387 kN、1404 kN、1365 kN、1346 kN、1395 kN。

各試件在位移角為1.5%~4%時(shí)，節(jié)點(diǎn)抗剪需求與抗剪承載力的比值見(jiàn)圖10。位移角為1.5%~4%，6個(gè)試件節(jié)點(diǎn)抗剪需求比為 0.35~0.85，均未超過(guò)1.0。梁端無(wú)約束的試件 3N和 4N，位移角為1.5%~4%時(shí)承載力變化較小，因此節(jié)點(diǎn)抗剪需求比變化較小。而有約束的試件，約束軸力隨位移角增加而增大，因而節(jié)點(diǎn)抗剪需求比隨位移增加而增大。約束軸力增大了試件的抗剪需求比。約束剛度大的試件3H和4H節(jié)點(diǎn)抗剪需求比大于約束剛度較小的試件3L和4L，3L和4L的節(jié)點(diǎn)抗剪需求比又大于無(wú)約束的試件3N和4N。

圖10 節(jié)點(diǎn)抗剪需求比Fig.10 Shear demands and capacity ratios

梁端縱筋配筋高的試件受拉縱筋拉力Tl+Tr比低配筋率的大，而在約束剛度相當(dāng)時(shí)，雖然高配筋率試件承載力稍高，梁縱筋配筋率對(duì)約束軸力的影響不顯著。綜合這幾項(xiàng)因素，約束剛度相當(dāng)時(shí)，配筋率高的試件節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪需求比配筋率低的高。

因試件設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)進(jìn)行了加強(qiáng)處理，箍筋配置比規(guī)范計(jì)算的多，因而在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)抗剪需求比均未超過(guò)1.0，可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)區(qū)并未發(fā)生受剪破壞。但梁中軸力的出現(xiàn)較大地增加了節(jié)點(diǎn)區(qū)的抗剪需求，加大了節(jié)點(diǎn)區(qū)發(fā)生受剪破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 節(jié)點(diǎn)區(qū)損傷特征

以下從節(jié)點(diǎn)區(qū)損傷情況來(lái)研究梁中約束軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪性能的影響。整個(gè)加載過(guò)程中節(jié)點(diǎn)區(qū)域裂縫寬度記錄于圖11。試驗(yàn)過(guò)程中6個(gè)試件損傷發(fā)展過(guò)程如下：加載初期，位移角在0.375%~0.5%，梁端受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)少量受拉裂縫，裂縫寬度在0.1 mm~0.4 mm，節(jié)點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)少量剪切裂縫，裂縫寬度在0.05 mm~0.1 mm；隨著水平加載位移不斷增大，梁端受拉裂縫和節(jié)點(diǎn)剪切裂縫不斷開展，數(shù)量增加，裂縫長(zhǎng)度逐漸延伸；各試件在位移角為0.71%~1.28%，梁端縱筋出現(xiàn)受拉屈服，梁端裂縫數(shù)量仍較少，部分裂縫出現(xiàn)貫通，裂縫寬度在0.3 mm~1.25 mm，節(jié)點(diǎn)區(qū)域剪切裂縫逐漸增多，裂縫寬度在0.05 mm~0.2 mm；試件屈服后至位移角為2%階段，梁端裂縫數(shù)量仍在增多，多條裂縫已貫通，裂縫寬度在 0.75 mm~2.0 mm，節(jié)點(diǎn)區(qū)域裂縫數(shù)量和裂縫寬度也都在增加，裂縫寬度在0.15 mm~0.5 mm，節(jié)點(diǎn)區(qū)斜裂縫將節(jié)點(diǎn)區(qū)分割成了多個(gè)菱形塊，如圖12(a)所示；位移角在3%~4%階段，梁端新增裂縫數(shù)量較少，裂縫寬度不斷增大，寬度大于2.0 mm，混凝土出現(xiàn)剝離和壓碎現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)區(qū)域裂縫數(shù)量少量增加，裂縫寬度增加較少，寬度在0.4 mm~0.5 mm，試件4L節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫稍寬，節(jié)點(diǎn)區(qū)部分菱形塊表面起酥脫落，部分試件節(jié)點(diǎn)區(qū)域柱邊混凝土出現(xiàn)剝離，如圖12(b)所示。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，六個(gè)試件柱中縱筋均未屈服，柱端只有少量的寬度較小的裂縫。受約束的試件節(jié)點(diǎn)區(qū)損傷比無(wú)約束的試件嚴(yán)重。試件 4L混凝土強(qiáng)度較低，在位移角為 3%時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫寬度就已經(jīng)達(dá)到1.5 mm，混凝土剝落現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。約束剛度大混凝強(qiáng)度高的3H試件，在位移角3%后節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫寬度也較大。

圖11 節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫寬度Fig.11 Width of inclined shear cracks in joint zone

綜合上述分析，梁受彎損傷軸向伸長(zhǎng)受“周邊構(gòu)件”約束時(shí)，梁中會(huì)產(chǎn)生較大的被動(dòng)約束軸力。受此軸力的影響，梁抗彎承載力出現(xiàn)較大幅度提高，考慮約束軸力和上柱剪力的影響，節(jié)點(diǎn)抗剪需求增大，受約束試件抗剪需求比增大，節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)增大。因試件設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了專門的加強(qiáng)處理，六個(gè)試件均未發(fā)生剪切破壞，但受約束試件節(jié)點(diǎn)區(qū)損傷程度均比無(wú)約束試件的嚴(yán)重。

圖12 節(jié)點(diǎn)區(qū)損傷分布Fig.12 Damage condition of specimens

4 結(jié)論

從上述考慮軸向約束效應(yīng)的RC梁柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理分析以及6個(gè)鋼筋混凝土梁柱子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)分析可得出以下結(jié)論：

(1)梁中存在的被動(dòng)約束軸力同時(shí)會(huì)影響節(jié)點(diǎn)抗剪需求和節(jié)點(diǎn)區(qū)傳力機(jī)制與抗剪能力，約束軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗剪需求的影響比抗剪能力的影響大。

(2)梁受彎損傷軸向伸長(zhǎng)受到周邊構(gòu)件約束時(shí)產(chǎn)生的被動(dòng)軸力較大。位移角為 2%~4%時(shí)，約束軸力軸壓比在 0.07~0.30，約束剛度越大約束軸力越大。

(3)梁中約束軸力的出現(xiàn)，較大幅度提高了梁的抗彎承載力。位移角為 2%~4%時(shí)，與無(wú)約束試件相比，梁柱子結(jié)構(gòu)承載力提高了1.39倍~2.45倍。

(4)考慮梁軸向約束效應(yīng)，節(jié)點(diǎn)抗剪需求大幅度提高。位移角為2%~4%時(shí)，與無(wú)約束試件相比，受約束試件節(jié)點(diǎn)抗剪需求提高幅度在1.14倍~2.22倍，節(jié)點(diǎn)區(qū)斜裂縫寬度較大，損傷情況相對(duì)嚴(yán)重。

應(yīng)當(dāng)指出的是，本文暫未考慮有樓板存在的情況，也未考慮柱中軸力的影響，試件設(shè)計(jì)是以梁端先屈服的原則進(jìn)行的，對(duì)柱和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了特別的加強(qiáng)處理，同時(shí)實(shí)際結(jié)構(gòu)中梁受到的約束作用會(huì)隨著結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性的程度而減弱，約束剛度是變化的，此外試驗(yàn)試件數(shù)量有限。