重剪比對板柱節(jié)點抗震性能的影響

凌飛鵬， 劉國梁， 劉世建， 韋港榮

(1.廣西路橋工程集團有限公司， 廣西 南寧 530200； 2.長沙市西工建設(shè)有限公司；3.廣西交科集團有限公司； 4.廣西北部灣投資集團有限公司)

1 前言

板柱結(jié)構(gòu)顧名思義是以板與柱承重的結(jié)構(gòu)體系，因其具有可縮短施工工期、降低造價等優(yōu)點，常用于倉庫、辦公樓等建筑中，而相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，無沖切鋼筋的板柱結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較低、抗震性能較差。 1985年的墨西哥地震導致近100幢板柱結(jié)構(gòu)房屋遭到不同等級破壞。

國內(nèi)外專家學者對板柱節(jié)點的抗震性能進行了大量研究。Stefano等針對低配筋率的板柱節(jié)點，以結(jié)構(gòu)尺寸為研究變量，分別進行了1/2縮尺、全尺寸、2倍尺寸的3組試驗，以研究尺寸效應對板柱節(jié)點抗沖切性能的影響；Megally等針對配置栓釘?shù)陌逯?jié)點進行了試驗研究，并以栓釘布置方式、重剪比等為變量研究了栓釘對板柱節(jié)點抗震性能的影響，研究表明：重剪比對板柱節(jié)點的層間位移角有較大影響，增大重剪比可在一定程度上提高板柱節(jié)點抗側(cè)剛度與變形能力；Pan研究了重剪比對板柱節(jié)點抗震性能的影響，研究表明重剪比為0.4以下時板柱節(jié)點的層間位移角達到1.5%并不發(fā)生沖切破壞；唐明等研究了沖切鋼筋對板柱節(jié)點抗震性能的影響，結(jié)果表明：配置了4肢箍筋的試件可滿足中國規(guī)范對板柱節(jié)點抗震性能要求。

至目前為止，中國對于無抗沖切鋼筋的板柱節(jié)點的研究多集中于靜力試驗，而很少研究板柱節(jié)點的抗震性能，現(xiàn)有試驗的加載方式大多與結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)存在區(qū)別。且中國規(guī)范對于鋼筋混凝土板柱節(jié)點的應用有較多限制，因此該文以重剪比為試驗變量，對無抗沖切鋼筋的板柱節(jié)點進行試驗研究，并基于Abaqus有限元平臺對試驗結(jié)果進行驗證，研究重剪比對板柱節(jié)點抗震性能的影響，并核驗基于靜力試驗建立的抗沖切公式的正確性，以其為板柱節(jié)點的抗震性能研究和相關(guān)規(guī)范修訂提供試驗依據(jù)。

2 試驗方案與數(shù)值模擬

2.1 試件設(shè)計

試件原型為7層鋼筋混凝土板柱結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 原結(jié)構(gòu)幾何示意圖(單位：mm)

原結(jié)構(gòu)層高3 m，每跨間距7.5 m，板厚0.23 m，取原結(jié)構(gòu)中的內(nèi)柱節(jié)點為研究對象，以1/2的比例進行縮尺。反彎點位置為1/4跨度處。

試驗共設(shè)計3個試件，編號為S1～S3，各試件的幾何尺寸、配筋率等均相同，僅重剪比不同，根據(jù)材性試驗測得的混凝土強度標準值計算得一般條件下試件重剪比為0.5，設(shè)計S1～S3試件的重剪比分別為0.3、0.5、0.7。各試件的縱筋均為雙層雙向布置，且板頂配筋率均為0.8%，各試件如圖2所示。

圖2 各試件幾何示意圖(單位：mm)

2.2 材料參數(shù)

各試件均采用C40混凝土，縱筋為直徑12 mm的HRB400鋼筋，經(jīng)材性試驗測得各試件混凝土立方體平均抗壓強度fcu與鋼筋屈服強度fy見表1。

表1 材料主要參數(shù)

2.3 加載方案

試驗加載設(shè)備為大型多功能結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)，豎向加載使用反力架和2個150 t作動器，行程為0～400 mm，水平向主動跟隨；水平向加載使用反力墻和1個100 t作動器，行程為±500 mm。試驗力測量范圍為(4%～100%)(滿量程)，示值精度為±1%；位移分辨率為0.01 mm。

加載分為兩部分：第1部分為靜力加載，在柱底施加10 kN/m2的軸向荷載；第2部分為以位移控制加載的低周往復荷載，位移增量為5 mm，加載曲線見圖3。

圖3 加載方案

2.4 數(shù)值模擬

混凝土與鋼板采用實體單元C3D8R，鋼筋采用桁架單元T3D2，忽略鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用，使用Abaqus中的embedded命令將鋼筋嵌入混凝土中?；炷敛捎盟苄該p傷本構(gòu)模型，依據(jù)受壓及受拉損傷因子模擬混凝土在地震過程中的剛度退化，使用能量法計算損傷因子；塑性損傷本構(gòu)模型如圖4所示；鋼筋本構(gòu)模型采用理想彈塑性雙折線模型，如圖5所示。

圖4 混凝土塑性損傷模型應力應變曲線圖

圖5 鋼筋本構(gòu)模型圖

3 試驗結(jié)果與有限元驗證

3.1 破壞形態(tài)

各試件板頂裂縫見圖6。

由圖6可知：當只有豎向荷載作用時，S2與S3試件的裂縫呈放射狀延伸至四周，而S1試件的裂縫僅延伸至兩個方向。各試件的裂縫形態(tài)與位置有較大差異。在水平加載過程中，各試件均發(fā)生沖切破壞，其中重剪比最高的S3試件在加載前就已出現(xiàn)對角裂縫。S1的重剪比最低，水平加載至0.5%層間位移角時開始出現(xiàn)裂縫，加載至2.25%時已完成第1個加載循環(huán)，在除西面外的另三面開始形成主裂縫，S1試件此時已失去水平承載力，但仍可以承受豎向荷載，僅局部發(fā)生沖切破壞。對于S3試件，水平加載至0.75%位移角時柱周主裂縫已成環(huán)狀，試件整體發(fā)生沖切破壞。對于S2試件，加載至1.25%位移角時試件發(fā)生整體沖切破壞，雖相較S1試件發(fā)生破壞時間較早，但其發(fā)生破壞后仍可承受豎向荷載。

圖6 各試件板頂裂縫分布圖

總體而言，重剪比最低的S1試件發(fā)生局部沖切破壞，而S2與S3試件發(fā)生整體沖切破壞。S1～S3發(fā)生屈服時所對應的加載大小分別為1.2%、0.76、0.5%層間位移角，發(fā)生破壞時所對應的加載大小分別為2.2%、1.3%、0.76%層間位移角。由此可發(fā)現(xiàn)：在其余條件相同的情況下，重剪比是影響板柱結(jié)構(gòu)破壞形式的重要因素，重剪比越大，板柱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時需要的荷載越小，對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響越不利。

3.2 滯回性能

圖7為試驗得到的荷載-位移滯回曲線。圖中曲線面積為低周往復荷載作用一周時結(jié)構(gòu)的耗能，曲線形狀越飽滿表示結(jié)構(gòu)抗震性能越好。

圖7 各試件滯回曲線

由圖7可知：各試件模擬結(jié)果與試驗結(jié)果擬合較好。S1與S2試件的滯回曲線明顯較為飽滿，表明其抗震性能良好，S1試件的重剪比最低，其承載力最高，S2其次，且S1與S2試件的承載力明顯高于S3試件。

滯回曲線的面積表明該試件的耗能大小，由圖7可知：S1試件的耗能能力最強，S3試件的耗能能力最弱。相比于S3試件，S1與S2的耗能能力分別提高了48.3%與35.7%。

由上可知：板柱結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載越大，其板頂?shù)拈_裂情況越嚴重，從而降低試件的耗能能力。在水平加載階段，高重剪比的試件其破壞更嚴重，鋼筋屈服速度更快，承載力更低，從而可認為高重剪比試件的抗震性能較差。

4 各國規(guī)范對比

中國規(guī)范與美國規(guī)范認為，不平衡彎矩的60%由受彎鋼筋傳遞，40%由混凝土臨界截面的線性剪應力傳遞，中、美、歐洲規(guī)范計算不平衡彎矩的公式分別見式(1)～(3)。

(1)

式中：MGB為不平衡彎矩(中國規(guī)范)；Fl為混凝土抗沖切承載力；Ic為極慣性矩；Mf,1與Mf,2分別為板頂與板底的鋼筋抗彎承載力；um為臨界周長；Vg為重力荷載。

(2)

式中：MACI為不平衡彎矩(美國規(guī)范)；Vc為混凝土抗沖切承載力；Jc為極慣性矩。

(3)

式中:MEd為不平衡彎矩(歐洲規(guī)范);VRd，c為混凝土剪應力;W1為臨界周長的函數(shù)。

將該文試驗結(jié)果及有關(guān)參考文獻數(shù)據(jù),分別與3種規(guī)范計算結(jié)果進行對比，結(jié)果見表2。

表2 試驗結(jié)果與各國規(guī)范計算結(jié)果對比

由表2可知：由中美規(guī)范計算得到的不平衡彎矩相比實際情況均偏大，使用歐洲規(guī)范計算得到的結(jié)果十分貼合實際。由此可知，中美規(guī)范均認為不平衡彎矩的60%由受彎鋼筋傳遞，40%由混凝土臨界截面的線性剪應力傳遞，而歐洲規(guī)范計算方法與中美規(guī)范存在較大差異，考慮了配筋率的影響，是造成計算結(jié)果不同的主要原因。

圖8為根據(jù)表2結(jié)果繪制的重剪比對不平衡彎矩的影響。

圖8 重剪比對不平衡彎矩影響

由圖8可知：當重剪比大于0.3時，中美規(guī)范存在高估不平衡彎矩承載力的可能性，偏于不安全，需要對高剪重比下的計算結(jié)果進行修正，采用最小二乘法得到的線性擬合公式可使計算結(jié)果偏于安全，并明顯降低離散度；與中美規(guī)范相比，歐洲規(guī)范的計算結(jié)果對于重剪比的變化規(guī)律較之不明顯且離散度較低。

5 結(jié)論

針對重剪比分別為0.3、0.5、0.7的3個試件進行了低周往復加載試驗，并將Abaqus有限元軟件計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，最后將試驗結(jié)果與中、美、歐3種規(guī)范計算結(jié)果進行了對比，得出如下結(jié)論：

(1) 重剪比是影響板柱節(jié)點抗震性能的主要原因，其他條件均相同時，結(jié)構(gòu)的重剪比為0.3～0.8可認為重剪比越大，板柱結(jié)構(gòu)的抗震性能越弱。結(jié)構(gòu)的耗能能力、承載能力等均隨重剪比的增加而減弱。

(2) 重剪比是影響板柱結(jié)構(gòu)破壞形式的重要因素，重剪比最小的S1試件僅發(fā)生局部沖切破壞，而S2與S3試件均發(fā)生整體沖切破壞，且重剪比越大，板柱結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時需要的荷載越小，對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響越不利。

(3) 中國規(guī)范與美國規(guī)范對板柱節(jié)點的不平衡彎矩計算結(jié)果偏安全，歐洲規(guī)范與實際情況十分接近。而在重剪比大于0.3時，需要對中國規(guī)范的計算結(jié)果采用最小二乘法得到的線性擬合公式進行部分修正。