ECC/RC 鍵槽節(jié)點裝配整體式梁柱結(jié)構(gòu)倒塌性能試驗研究

何慶鋒，張麟斌，易偉建

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410082）

結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌是指由于外力使結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵構(gòu)件失效后，相鄰結(jié)構(gòu)發(fā)生與初始破壞不相稱的一系列倒塌破壞的過程[1].結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌不僅會導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失，還會有比較明顯的關(guān)于社會、心理、經(jīng)濟(jì)的不良影響.近年來，我國大力推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)化和建筑工業(yè)化，裝配式結(jié)構(gòu)由于現(xiàn)場濕作業(yè)少、建造工期短[2]等優(yōu)點逐漸走進(jìn)人們的視線.然而裝配式結(jié)構(gòu)難以完全實現(xiàn)“等同現(xiàn)澆”的倒塌性能，在現(xiàn)今的倒塌事故中裝配式結(jié)構(gòu)不在少數(shù)，因此研究裝配式結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能具有重要的工程意義.

當(dāng)前，已有國內(nèi)外學(xué)者對裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了深入研究，朱張峰等人[3]完成了2 種不同節(jié)點連接構(gòu)造的裝配式混凝土剪力墻低周往復(fù)試驗，試驗結(jié)果表明2 種不同節(jié)點連接構(gòu)造形式的剪力墻耗能性能與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基本一致，但干濕連接形式施工較復(fù)雜且優(yōu)點不明顯，不建議采用.蔡建國等人[4]完成了3 個不同鍵槽長度世構(gòu)體系框架中節(jié)點的低周往復(fù)試驗，試驗結(jié)果表明世構(gòu)體系能滿足現(xiàn)行的抗震規(guī)范要求.Vasconez 等人[5]完成了13 個裝配式梁柱結(jié)構(gòu)的低周往復(fù)試驗，其后澆層采用高強(qiáng)高延性纖維混凝土，結(jié)果表明高強(qiáng)纖維混凝土能使結(jié)構(gòu)節(jié)點更好地發(fā)揮塑性鉸性能.裝配式結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的研究還處于起步階段，Kang 等人[6-7]研究了梁柱結(jié)構(gòu)的節(jié)點形式對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的影響，結(jié)果表明鋼筋搭接鍵槽節(jié)點和鋼筋彎起節(jié)點的抗倒塌性能基本與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一致.

在中柱失效的情況下，結(jié)構(gòu)抵抗倒塌的能力取決于破壞節(jié)點底部鋼筋的連續(xù)與否以及失效節(jié)點的延性.對于裝配式結(jié)構(gòu)，底部鋼筋的連續(xù)性至關(guān)重要，而鍵槽連接節(jié)點很好地解決了這個問題，其采用U 形連續(xù)鋼筋橫穿中節(jié)點，另一方面，該節(jié)點使得在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位后澆高延性材料變得方便且易施工.工程水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementifious Composite，簡稱ECC）在單軸拉伸作用下表現(xiàn)為多縫開裂以及高拉伸應(yīng)變等特性，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3%以上[8]，因此可在節(jié)點處后澆ECC 來提高結(jié)構(gòu)的倒塌能力.

本文基于鍵槽節(jié)點的基本構(gòu)造及特性，設(shè)計并完成2 榀單層兩跨梁柱結(jié)構(gòu)的移柱靜力加載試驗，研究鍵槽連接節(jié)點梁柱結(jié)構(gòu)的倒塌性能與受力特性，并通過后澆高延性ECC 混凝土材料，分析節(jié)點延性對結(jié)構(gòu)抗倒塌性能的影響.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗設(shè)計了2 榀鍵槽連接節(jié)點單層兩跨梁柱結(jié)構(gòu)，編號為J1、J2.梁截面尺寸為150 mm×320 mm，柱截面尺寸為300 mm×300 mm，總跨度6 400 mm，總高度2 570 mm，梁高跨比為1 ∶10.試件采用C30混凝土澆筑，預(yù)制梁、柱縱筋均采用HRB400，箍筋采用HPB300，鍵槽連接節(jié)點底筋基于承載能力等效原則采用HRB400 鋼筋，兩榀框架節(jié)點后澆混凝土分別采用C30 普通混凝土與高延性ECC 混凝土.鍵槽連接節(jié)點主要是由U 形鋼筋、鍵槽、后澆混凝土三部分組成，其中U 形鋼筋的作用主要是連接節(jié)點的兩端.梁柱結(jié)構(gòu)均按照二級抗震等級設(shè)計.具體試件信息見表1，鍵槽節(jié)點詳圖如圖1 所示，預(yù)制梁詳圖如圖2 所示.

表1 試件信息Tab.1 Details of designed specimens

圖1 鍵槽節(jié)點詳圖Fig.1 Details of the key-way node

1.2 加載裝置和測量方案

試驗加載裝置如圖3 所示.模型框架通過壓梁及地腳螺栓固定在實驗室地基梁上，為防止框架在平面外失穩(wěn)，在框架中柱的兩側(cè)設(shè)有側(cè)向反力架.為了更真實地模擬結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)，在邊柱反彎點位置設(shè)置側(cè)向約束裝置以模擬邊跨對其的約束.本試驗選取中柱為失效柱，在中柱上部通過液壓千斤頂進(jìn)行加載，在澆筑階段由機(jī)械千斤頂頂替初始失效中柱.

圖2 J1、J2 預(yù)制梁詳圖Fig.2 Details of the J1，J2 prefabricated beam

圖3 試驗裝置Fig.3 Details of test setup

試驗加載過程主要分為兩階段：第一階段為中柱下部機(jī)械千斤頂?shù)男遁d，每級卸載2 kN，并觀察是否有初始裂縫，直到千斤頂與中柱徹底脫開，到此為止，模擬中柱失效階段結(jié)束.第二階段為中柱上部液壓千斤頂?shù)募虞d，在結(jié)構(gòu)未進(jìn)入塑性階段前采用荷載控制加載，每級加載3 kN，每級加載完待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，讀取各測點的荷載、應(yīng)變、位移，并繪制裂縫.當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)后，采用位移控制加載，每級加載20 mm，直到結(jié)構(gòu)達(dá)到倒塌控制點.試驗主要的測量內(nèi)容包括中柱上下的荷載大小、各測點的位移、鋼筋和混凝土的應(yīng)變以及兩側(cè)約束鋼桿軸力應(yīng)變.其中兩側(cè)約束鋼桿應(yīng)變片布置及軸力計算見文獻(xiàn)[9].具體測點布置方案如圖4 所示.

圖4 測點布置Fig.4 Arrangement of gauging points

1.3 材料性能試驗

為研究梁柱節(jié)點處后澆混凝土對抗倒塌性能的影響，本文主要采用普通混凝土以及ECC 混凝土.ECC 是一種由水、水泥、粉煤灰、石英砂、減水劑、PVA 等組成的水泥基復(fù)合材料. 目前常用的配合比[10-12]見表2，本試驗采用密西根大學(xué)的配合比.

本試驗所采用的PVA 纖維為日本可樂麗公司生產(chǎn)，其直徑為0.04 mm，長度12 mm.通過對ECC澆筑的300 mm×50 mm×20 mm 薄板試件進(jìn)行四點彎薄板試驗，可考察其彎曲變形能力及多縫開裂性能，利用反分析法[13]，可得到材料的極限拉伸應(yīng)變.四點彎試驗裝置圖、典型荷載-撓度曲線如圖5 所示.由圖可看出，隨著薄板的第一次開裂，荷載并沒有突降至0，而是繼續(xù)增加，其最大跨中位移可達(dá)4.42 mm，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，通過文獻(xiàn)[13]所提出的公式計算ECC試件的極限拉應(yīng)變.表3 給出了ECC 以及普通混凝土、鋼筋的材料性能.

表2 ECC 常用配合比Tab.2 Common mix ratio of ECC

圖5 四點彎典型荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curve under four-point bending

表3 材料性能Tab.3 Properties of materials

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 荷載與位移曲線

圖6、圖7 分別給出了中柱豎向荷載和兩側(cè)約束水平軸力與中柱豎向位移的關(guān)系曲線.表4 總結(jié)了XJ、J1、J2 試件梁機(jī)制、壓拱機(jī)制以及懸索機(jī)制最大荷載值.其中XJ 結(jié)構(gòu)為文獻(xiàn)[9]所完成，其結(jié)構(gòu)配筋等與本文完全一致.由圖可見，隨著中柱豎向位移的增加，梁柱結(jié)構(gòu)依次經(jīng)歷了明顯的梁機(jī)制階段（0a）、壓拱機(jī)制階段（ab）、懸索機(jī)制階段（ac）.

圖6 荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves

圖7 水平軸力-位移曲線Fig.7 Horizontal axial force-displacement curves

表4 試驗結(jié)果Tab.4 Results of tests

在梁機(jī)制階段，中柱端梁截面及邊柱端梁截面均受彎矩作用，直至截面受拉鋼筋屈服并形成塑性鉸，此階段結(jié)構(gòu)抗力主要由梁截面的抗彎承載力來提供，即主要控制因素為梁縱筋強(qiáng)度.三榀框架的梁柱配筋完全相同，因此三者的梁機(jī)制階段最大荷載基本一致.XJ 結(jié)構(gòu)梁機(jī)制最大荷載為48.3 kN，J1、J2結(jié)構(gòu)分別為47.1 kN 及47.6 kN，鍵槽節(jié)點相比于現(xiàn)澆節(jié)點梁機(jī)制最大荷載偏小的原因在于鍵槽節(jié)點預(yù)留鍵槽使得梁下部鋼筋的保護(hù)層厚度增加至50 mm，因此抗彎承載力偏小.在按塑性理論計算結(jié)構(gòu)的抗彎承載力時，假設(shè)了靠近中柱端梁底受拉鋼筋和靠近邊柱端梁頂受拉鋼筋均達(dá)到屈服狀態(tài).由表4 可見結(jié)構(gòu)理論抗彎承載力與試驗值吻合良好.

隨著中柱豎向位移的繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入壓拱機(jī)制階段.邊柱端梁中性軸的下移以及中柱端梁中性軸的上移導(dǎo)致中性層在梁截面高度方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，而此轉(zhuǎn)動變形被兩端柱所約束，從而在梁內(nèi)產(chǎn)生了軸向壓力，結(jié)構(gòu)抗力得以繼續(xù)增加.在此階段，梁端縱筋已屈服，主要控制因素變?yōu)榱憾私孛媸軌簠^(qū)混凝土.由表4 可見由于壓拱作用的存在，XJ、J1、J2三個試件壓拱機(jī)制階段的最大荷載值相比于梁機(jī)制階段最大荷載值均增加了約20%.即壓拱機(jī)制階段結(jié)構(gòu)的抗力由結(jié)構(gòu)抗彎承載力和壓拱作用共同組成，壓拱作用在結(jié)構(gòu)抗力中占比約為20%，對于有壓拱作用的結(jié)構(gòu)，其壓拱階段結(jié)構(gòu)最大抗力可由結(jié)構(gòu)抗彎承載力乘一個放大系數(shù)1.25 進(jìn)行預(yù)測.

在壓拱機(jī)制階段，XJ 結(jié)構(gòu)的最大荷載為60.6 kN，J1 結(jié)構(gòu)為57.2 kN，比J1 大5.6%，其同梁機(jī)制階段荷載偏小原因一致.而在鍵槽內(nèi)后澆高極限壓應(yīng)變的ECC 材料使得結(jié)構(gòu)壓拱機(jī)制最大荷載相比于后澆普通C30 混凝土增大了約4.3%.從圖6 曲線中可看出，隨著梁端受壓區(qū)混凝土的壓碎，荷載開始下降，對于J1 結(jié)構(gòu)，普通C30 混凝土由于延性、密實度較差，下降出現(xiàn)明顯的拐點，且下降數(shù)值較大，節(jié)點延性較差；而對于J2 結(jié)構(gòu)，ECC 混凝土延性較高，密實度較好，荷載下降平緩，且下降的幅度較小，即高延性、高密實度的ECC 混凝土能有效地改善新舊混凝土表面之間的黏結(jié)問題、提高節(jié)點的延性.

在懸索機(jī)制階段，XJ 結(jié)構(gòu)的最大荷載值為86.1 kN，相比于壓拱機(jī)制階段最大荷載值增加了42%，J1結(jié)構(gòu)的最大荷載值為59.1 kN，相比于壓拱機(jī)制階段最大荷載增加了3%，即懸索機(jī)制的存在使得結(jié)構(gòu)在大變形階段仍能保持小變形階段的抗力甚至更高，進(jìn)而規(guī)避結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險.但是鍵槽節(jié)點懸索機(jī)制帶來的效應(yīng)遠(yuǎn)沒有現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)高，其原因為在懸索機(jī)制階段，結(jié)構(gòu)主要是通過鋼筋的拉力來提供抗力，對于鍵槽節(jié)點，其底筋并非完全連續(xù)，需要通過鋼筋與混凝土之間的摩擦力來傳遞拉力，因此懸索階段的最大荷載有所降低，具體解釋見下文.

2.2 破壞形態(tài)

裂縫開展主要分為兩階段，即梁機(jī)制與壓拱機(jī)制發(fā)展階段.裂縫主要出現(xiàn)在梁兩端，由受拉方向向受壓方向發(fā)展.當(dāng)受拉鋼筋屈服后，梁端裂縫開展集中在梁與中柱交界面處，這一階段的裂縫主要由結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形所引起，此階段J1、J2 試件的裂縫發(fā)展情況基本一致.在懸索階段，梁全截面受拉，因此從梁兩端向內(nèi)不斷出現(xiàn)受拉裂縫，直至發(fā)展成截面貫通裂縫，J1 由于在加載過程中中柱有一定的偏轉(zhuǎn)，因此偏轉(zhuǎn)側(cè)梁的受拉裂縫明顯多于另一側(cè)梁.由圖8（d）可看出，由于J2 并未開展懸索階段，因此J1比J2 受拉裂縫開展更加充分，J2 受拉裂縫較少，并且全截面貫穿裂縫也較少.試件最終破壞形態(tài)照片見圖8，具體描述見表5.

圖8 試件典型破壞形態(tài)Fig.8 Typical failure mode of the specimens

表5 破壞形態(tài)Tab.5 Failure mode

試驗中并未發(fā)生后置U 形鋼筋被拔出等黏結(jié)失效破壞，表明鍵槽長度能滿足鋼筋錨固長度要求.表6 為各學(xué)者試驗所用的鍵槽長度，也可表明規(guī)范[14]規(guī)定的鍵槽長度能同時滿足結(jié)構(gòu)抗倒塌要求以及抗震要求.在梁疊合層交界面處未觀察到水平裂縫，說明預(yù)制梁頂部粗糙面的施工滿足要求，后澆混凝土和預(yù)制梁結(jié)合良好.

表6 鍵槽長度Tab.6 Length of keyway

2.3 應(yīng)變變化

梁柱鋼筋應(yīng)變測點及混凝土應(yīng)變測點見圖4.由圖9 可看出，靠近中柱端梁底部鋼筋S14 在試驗加載開始后就一直處于受拉狀態(tài)，隨著懸索機(jī)制的開展，鋼筋受拉導(dǎo)致應(yīng)變片瞬間破壞.梁頂部鋼筋S15起初處于受壓狀態(tài)，大約在底部鋼筋屈服后，逐漸轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài).靠近邊柱梁端鋼筋S3、S5 的變化趨勢與S15、S14 基本一致.隨著梁機(jī)制的形成，柱底左側(cè)鋼筋S20 及混凝土C4 起初處于受壓狀態(tài)，之后隨著結(jié)構(gòu)由壓拱機(jī)制向懸索機(jī)制的轉(zhuǎn)化，受壓應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為受拉應(yīng)變，柱底右側(cè)的趨勢剛好與左側(cè)相反.這與結(jié)構(gòu)的實際受力情況基本一致.在梁跨中沿截面布置了3 個混凝土應(yīng)變片，用來測量梁在試驗中軸力的變化，布置C1、C2 是為了消除彎矩對軸力的影響.由圖中可看出，梁起初軸力為壓力，這與梁機(jī)制、壓拱機(jī)制的開展一致.隨著懸索機(jī)制的開展，梁軸壓力逐漸轉(zhuǎn)化為軸拉力.

圖9 應(yīng)變曲線Fig.9 Strain curves

2.4 結(jié)構(gòu)倒塌性能分析

2.4.1 變形能力

梁的變形能力通常采用弦轉(zhuǎn)角來表示，依據(jù)美國規(guī)范DOD2016[16]，其定義如下：

式中：Δ 為梁最大位移；L 為梁凈跨長度.

試驗中通過放置在梁跨中的位移計獲取不同階段的位移，圖10 和表7 分別給出了J1、J2 的梁變形曲線和弦轉(zhuǎn)角.總體上看，梁變形曲線均呈現(xiàn)出彎曲變形狀態(tài).隨著中柱位移的增加，節(jié)點處混凝土壓碎剝落，邊柱節(jié)點發(fā)生轉(zhuǎn)動.在梁機(jī)制、壓拱機(jī)制階段，中柱位移較小，此時梁幾乎保持直線，J1、J2 左弦轉(zhuǎn)角和右弦轉(zhuǎn)角基本一致.在懸索機(jī)制階段，J1 梁的左右弦轉(zhuǎn)角差別較大，這是由于鍵槽節(jié)點內(nèi)鋼筋與混凝土之間發(fā)生了相對滑移，導(dǎo)致中柱端左側(cè)梁與右端梁鋼筋受力不一致，中柱發(fā)生偏轉(zhuǎn).而J2 梁最終狀態(tài)中柱也偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重是因為中柱端右側(cè)梁底部鋼筋斷裂之后繼續(xù)加載，導(dǎo)致中柱往受力較弱側(cè)方向偏轉(zhuǎn).

2.4.2 受力機(jī)制

圖11 為中節(jié)點處梁端鋼筋分布的俯視圖，圖6中荷載突然下降點為J1、J2 中柱端梁截面底縱筋A(yù)/B 的斷裂，在圖中用×表示.由圖12 中柱端梁截面縱筋的應(yīng)變變化情況可知，J1 結(jié)構(gòu)的S14 鋼筋應(yīng)變片（鋼筋B）在中柱位移150～200 mm 時基本保持不變，并在210 mm 左右有些許下降，并且包裹此鋼筋鍵槽的混凝土也有水平裂縫，說明鋼筋B 相對于混凝土產(chǎn)生了相對滑移.其原因可能是普通C30 混凝土骨料粒徑相對較大且不均勻，鋼筋與混凝土之間的有效握裹不佳，導(dǎo)致產(chǎn)生局部滑移.而ECC 材料粒徑小，延性較好，屬于自密實材料，在鍵槽內(nèi)與鋼筋黏結(jié)較好，在鋼筋變形過程中，高延性ECC 與鋼筋的變形協(xié)調(diào)一致，2 根縱筋受力情況基本一樣，未發(fā)生相對滑移.J2 結(jié)構(gòu)S17 鋼筋（鋼筋B）應(yīng)變片，其沒有相應(yīng)的平直段.值得注意的是，J1 結(jié)構(gòu)只斷裂了縱筋中的1 根（鋼筋B），接著順利形成了懸索機(jī)制，而J2結(jié)構(gòu)則是2 根縱筋同時斷裂（鋼筋A(yù) 和B），導(dǎo)致無法形成懸索機(jī)制.由此可知鋼筋與混凝土之間的局部相對滑移有利于結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，有利于提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力.

圖10 梁變形曲線Fig.10 Beam deformation curves

表7 梁弦轉(zhuǎn)角Tab.7 Rotation angle of beam （°）

圖11 中柱節(jié)點鋼筋分布Fig.11 Distribution of reinforcement for middle column joints

圖12 受拉鋼筋應(yīng)變和梁裂縫Fig.12 Strain curves of tensile reinforcement and beam crack

由圖7 可知，由于J1、J2 中柱端梁截面底縱筋的斷裂，使得水平軸力變化速率突變，更快地向懸索機(jī)制轉(zhuǎn)變，當(dāng)豎向位移達(dá)到275 mm，即梁高的85%時，壓拱機(jī)制逐漸結(jié)束，懸索機(jī)制開始，此時水平軸力開始表現(xiàn)為拉力，并且不斷增大，直到結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞.J1 有明顯的懸鏈線效應(yīng)，且懸索機(jī)制的最大承受荷載大于梁機(jī)制的最大荷載，對比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)懸索階段荷載增加幅度并沒有那么大，這是由于在懸索階段，結(jié)構(gòu)主要是通過梁內(nèi)通長鋼筋的拉力來提供抗力.對于鍵槽節(jié)點，從圖11 可明顯看出，其底筋并非完全連續(xù)，貫穿中節(jié)點的A、B 縱筋需要通過鋼筋與混凝土之間的摩擦黏結(jié)力來把拉力傳遞給C、D、E、F 縱筋.從圖12 中J1 結(jié)構(gòu)S12 應(yīng)變片（鋼筋D）數(shù)據(jù)來看，在懸索階段，鋼筋D 并沒有達(dá)到極限狀態(tài)，變形以及拉力集中在U 形鋼筋，因此懸索階段的最大荷載有所降低.

3 結(jié) 論

本文通過對2 榀單層兩跨梁柱結(jié)構(gòu)的移柱靜力加載試驗，對試件的力-位移曲線、結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)以及變形性能等進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出以下結(jié)論：

1）鍵槽連接節(jié)點梁柱結(jié)構(gòu)在中柱失效工況下能較好地形成梁機(jī)制、壓拱機(jī)制以及懸索機(jī)制，是一種較好的裝配式結(jié)構(gòu)可采取的抗倒塌節(jié)點形式.

2）由于ECC 的高延性、高極限壓應(yīng)變等材料性能，使得采用ECC 的鍵槽節(jié)點梁柱結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力以及更好的節(jié)點延性，因此，基于梁機(jī)制設(shè)計的裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)域采用高延性材料具有較好的抗倒塌能力.

3）鋼筋與混凝土之間的不均勻相對滑移會導(dǎo)致裂縫的不對稱發(fā)展以及鋼筋的不均勻受力，但其有利于結(jié)構(gòu)倒塌過程中的大變形發(fā)展，因此，能大幅提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能.

4）壓拱作用所貢獻(xiàn)的抗力在結(jié)構(gòu)壓拱階段最大抗力中大約占20%，對基于梁機(jī)制倒塌設(shè)計的梁柱結(jié)構(gòu)，可以按塑性理論計算值乘放大系數(shù)1.25 進(jìn)行設(shè)計.