芯鋼管連接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁邊節(jié)點抗裂承載力研究

于 峰,談嗣勇,鮑海英,郭衛(wèi)東,管玉聰,趙魯卿

(1. 建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室,北京 101100; 2. 安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243000;3. 國家建筑工程技術(shù)研究中心,北京 101100; 4. 安徽馬鋼嘉華新型建材有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

PVC-CFRP管混凝土柱是在PVC管表面沿環(huán)向粘貼條帶,然后向管內(nèi)澆筑混凝土形成的新型組合結(jié)構(gòu)[1-2]。其中,PVC管主要充當(dāng)模板和保護(hù)殼,可阻斷外界環(huán)境對混凝土的侵蝕[3];FRP條帶作為約束材料,可彌補(bǔ)PVC管強(qiáng)度較低的缺陷[4-6]。該結(jié)構(gòu)有效解決了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的易腐蝕問題,并極大減少FRP的用量,降低造價。迄今為止,PVC-CFRP管混凝土柱的各項性能已得到廣泛研究,其表現(xiàn)出質(zhì)量輕、價格低、承載力高、耐久性好等諸多優(yōu)點[7-13]。

作為PVC-CFRP管混凝土結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向,在PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁節(jié)點研究方面,本課題組從節(jié)點區(qū)局部增強(qiáng)的角度出發(fā),提出了環(huán)梁節(jié)點、內(nèi)置芯鋼管節(jié)點和鋼筋網(wǎng)片節(jié)點等節(jié)點構(gòu)造方式[14],并相繼開展了PVC-CFRP管混凝土柱環(huán)梁節(jié)點的軸壓性能[15-16]、偏壓性能[17]和抗震性能[18]研究以及內(nèi)置芯鋼管節(jié)點的軸壓性能研究[19-20]。

與鋼管混凝土核心柱受力機(jī)理相似,在PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁節(jié)點核心區(qū)設(shè)置芯鋼管后,節(jié)點的軸壓承載能力和變形性可以得到顯著增強(qiáng)。然而對于一些處于惡劣環(huán)境地區(qū)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)而言,在其正常使用狀態(tài)下,節(jié)點核心區(qū)往往不允許出現(xiàn)裂縫。同時,節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)損傷后,對節(jié)點核心區(qū)的修復(fù)、加固工作較一般梁、柱等構(gòu)件更為困難。因此,在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時,往往需要對框架節(jié)點核心區(qū)初裂荷載進(jìn)行驗算。

綜上,文中對10根芯鋼管連接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁節(jié)點和1根普通PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁邊節(jié)點展開了低周反復(fù)荷載下的試驗研究。分析了芯鋼管含鋼率、節(jié)點配箍率、軸壓比、梁縱筋配筋率和CFRP條帶間距對芯鋼管節(jié)點裂縫發(fā)展及抗裂承載力的影響。在此基礎(chǔ)上,引入節(jié)點箍筋影響系數(shù),建立其抗裂承載力的計算公式,以期為PVC-CFRP管混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一定理論基礎(chǔ)。

1 試驗概況

本試驗截取二維平面框架中間層上、下柱以及邊梁反彎點之間的T字型部分作為研究對象[21],遵循“強(qiáng)構(gòu)件、弱節(jié)點”的設(shè)計原則,共制作了10個芯鋼管連接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁邊節(jié)點試件和1個作為對比試件的普通節(jié)點?？紤]了芯鋼管的含鋼率、節(jié)點配箍率、柱端軸壓比、框架梁配筋率以及CFRP條帶間距對試件抗裂性能的影響。試件外形尺寸結(jié)合試驗室加載條件和固定裝置實際情況進(jìn)行設(shè)計,詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of the specimens

續(xù)表

試件采用的PVC管長度、外徑和壁厚分別為500、200、7.8 mm,其彈性模量為2.59×103MPa,極限抗拉強(qiáng)度為69.6 MPa。CFRP條帶的寬度和厚度分別為20、0.111 mm,纏繞層數(shù)為2層,依據(jù)GB/T 3354—2014《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法》[22],測得其抗拉強(qiáng)度為3 975 MPa,彈性模量為2.74×105MPa。試件的尺寸及構(gòu)造如圖1所示。此外,節(jié)點區(qū)內(nèi)置的芯鋼管采用Q235級無縫鋼管,高度均為400 mm。試件采用同批次C30級混凝土,根據(jù)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[23],測得其彈性模量和抗壓強(qiáng)度分別為3.06×104、22.28 MPa。試件的各項材料力學(xué)性能實測值如表2所示。

圖1 試件尺寸及構(gòu)造示意圖Fig. 1 Dimension and configuration of the specimens表2 試驗材性Table 2 Material properties材料厚度或直徑/mm抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa彈性模量/(×105MPa)鋼管34613142.0144253011.9953822851.97箍筋(HRB300)6.55433491.9884413062.00104323131.97縱筋(HRB400)106204511.95187034861.98206564432.01

試驗采取柱端施加軸力,梁端施加低周反復(fù)荷載的加載方式,加載裝置如圖2所示。依據(jù)JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗規(guī)程》[24],試驗全過程均采用位移控制加載。具體加載制度如圖3所示。考慮到本試驗所有試件均為弱節(jié)點試件,試件變形能力相對較弱,試件PJ-0采用鋼筋屈服判別屈服位移Δy,導(dǎo)致加載后期試件破壞速度較快,故結(jié)合對比試件梁、柱及節(jié)點區(qū)鋼筋的應(yīng)變,本文在隨后的試驗中均采用6 mm作為屈服位移來切換試驗加載方式,但在后續(xù)研究中對該節(jié)點抗震指標(biāo)進(jìn)行分析時,依據(jù)得到的荷載-位移骨架曲線,采用能量法[25]確定試件屈服位移。試驗過程中梁端的豎向荷載及位移,可通過MTS作動器內(nèi)部的荷載傳感器實時收集。同時,節(jié)點核心區(qū)箍筋和芯鋼管上均貼有應(yīng)變片。

圖2 加載裝置圖 圖3 加載制度圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 節(jié)點區(qū)裂縫發(fā)展情況

依據(jù)試驗中裂縫發(fā)展過程,可將節(jié)點的破壞狀態(tài)定義為初裂、通裂、峰值和破壞階段,試件最終均表現(xiàn)為節(jié)點區(qū)剪切破壞。由于試件數(shù)量較多且破壞過程相似,本小節(jié)以試件PJ-3(芯鋼管含鋼率最大)為例,詳細(xì)闡述試件的裂縫發(fā)展過程及破壞形態(tài),如圖4所示。

圖4 試件裂縫發(fā)展過程及破壞形態(tài)圖Fig. 4 Crack development process and failure mode of the specimens

開始加載階段,試件處于彈性狀態(tài),試件表面未見明顯變化。當(dāng)梁端荷載達(dá)到45 kN時,節(jié)點核心區(qū)中部出現(xiàn)第一條斜裂縫,近似沿對角線方向,裂縫寬度約為0.05 mm。此時,加載方式切換為循環(huán)加載,Δy=6 mm。在此階段,節(jié)點區(qū)芯鋼管、箍筋應(yīng)變均較低。

隨著梁端位移增大,節(jié)點核心區(qū)斜裂縫數(shù)量明顯增加,形成交錯的斜裂縫帶,但裂縫寬度依然較小。在梁端位移為3Δy的循環(huán)期間,節(jié)點區(qū)主斜裂縫寬度開始增加,并向梁根部及懸臂梁頭延伸,此時,裂縫寬度達(dá)到0.3 mm。在梁端位移為3Δy的循環(huán)加載結(jié)束后,節(jié)點區(qū)斜裂縫貫穿節(jié)點核心區(qū)。此時,節(jié)點芯鋼管、箍筋應(yīng)變增加較為明顯,部分節(jié)點箍筋應(yīng)變達(dá)到1 000 με。

在節(jié)點核心區(qū)裂縫貫穿至試件達(dá)到峰值承載力期間,試件處于峰值階段。在此階段,節(jié)點區(qū)交叉斜裂縫寬度進(jìn)一步增大,達(dá)到2.5 mm,但節(jié)點區(qū)裂縫數(shù)量幾乎不再增加,節(jié)點區(qū)芯鋼管外圍混凝土被分割成若干不規(guī)則菱形小塊,試件強(qiáng)度略有退化。此時,節(jié)點區(qū)芯鋼管、箍筋應(yīng)變進(jìn)一步增加,部分節(jié)點箍筋屈服,芯鋼管中部也發(fā)生受壓屈服,但環(huán)向應(yīng)變?nèi)缘陀谇?yīng)變。

試件達(dá)到峰值承載力后,試件強(qiáng)度退化速度加快。加載至6Δy的循環(huán)周期時,節(jié)點區(qū)芯鋼管與箍筋約束混凝土粘結(jié)失效,節(jié)點區(qū)表面混凝土出現(xiàn)大塊脫落,試件破壞。在此過程中,節(jié)點箍筋應(yīng)變增加不明顯,但芯鋼管中部位置軸壓應(yīng)變增加至2 500 με左右。

2.2 荷載-位移滯回曲線分析

芯鋼管連接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁邊節(jié)點試件的荷載(P)-位移(Δ)滯回曲線如圖5所示。

圖5 各試件荷載-位移滯回曲線Fig. 5 Load-displacement hysteretic curves of each specimen

在加載初期,由于節(jié)點核心區(qū)受力相對較小,節(jié)點區(qū)混凝土未出現(xiàn)明顯裂縫,各試件的P-Δ滯回曲線基本呈線性增長。當(dāng)試件達(dá)到峰值承載力的40%～50%后,隨著節(jié)點核心區(qū)表面斜裂縫的出現(xiàn),滯回曲線逐漸偏離線性,呈現(xiàn)出輕微“捏縮”現(xiàn)象,同時試件出現(xiàn)一定量殘余變形。在達(dá)到峰值承載力的80%左右后,節(jié)點核心區(qū)裂縫向框架梁及懸臂梁端延伸,同時節(jié)點區(qū)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移程度增加,滯回曲線“捏縮”現(xiàn)象更為明顯,試件的剛度和強(qiáng)度出現(xiàn)退化。在試件達(dá)到峰值承載力后,梁端荷載逐漸降低,節(jié)點剪切變形急劇增加,試件破壞。

此外,對比各試件滯回曲線發(fā)現(xiàn),與普通混凝土節(jié)點相比,所有芯鋼管節(jié)點的滯回曲線線性區(qū)段更長,滯回環(huán)更加飽滿,這表明芯鋼管節(jié)點試件表現(xiàn)出更優(yōu)良的抗裂能力及抗震性能。同時,通過增加節(jié)點配箍率以及軸壓比,節(jié)點區(qū)斜裂縫的產(chǎn)生也可以有所延緩。

2.3 影響因素分析

各因素對試件初裂荷載的影響如圖6所示。結(jié)合試驗現(xiàn)象分析表明:

圖6 各因素對試件初裂荷載的影響Fig. 6 Effect of various parameters on the initial crack load of the specimens

1)內(nèi)置芯鋼管節(jié)點的初裂荷載均大于普通節(jié)點試件,這表明芯鋼管可有效改善試件的抗裂性能。節(jié)點區(qū)內(nèi)置芯鋼管對節(jié)點區(qū)抗裂性能提高機(jī)理與型鋼混凝土節(jié)點相似[26],即芯鋼管與節(jié)點區(qū)箍筋共同作用使得夾層混凝土所受約束增強(qiáng),從而使得夾層混凝土具有更好的抗裂性能。但芯鋼管含鋼率對試件初裂荷載影響較小。這可能是因為本試驗中隨著芯鋼管含鋼率增加,節(jié)點區(qū)夾層混凝土截面積不變。

2)初裂階段,節(jié)點區(qū)箍筋所承擔(dān)的剪力雖然較小,但對芯鋼管節(jié)點初裂荷載仍具有一定影響。與試件PJ-4相比,試件PJ-2和PJ-5的開裂荷載分別提高了21.7%和35.2%。這是因為節(jié)點區(qū)混凝土所受到的約束作用隨著節(jié)點區(qū)配箍率的增加而增強(qiáng),從而節(jié)點區(qū)混凝土裂縫發(fā)展受到抑制。同時,節(jié)點區(qū)箍筋可保持節(jié)點區(qū)混凝土與芯鋼管的變形協(xié)調(diào)。

3)與已有節(jié)點抗裂研究文獻(xiàn)結(jié)果一致[27],在一定范圍內(nèi),隨著軸壓比的提高,節(jié)點初裂荷載顯著增大,這主要是因為隨著軸壓比的增加,節(jié)點核心區(qū)混凝土受壓面積增大,即參與斜壓桿機(jī)構(gòu)的混凝土面積增加,斜壓桿機(jī)構(gòu)所承擔(dān)的節(jié)點區(qū)剪應(yīng)力相應(yīng)增加,從而使得造成核心區(qū)混凝土開裂的剪應(yīng)力相應(yīng)減小。

4)梁縱筋配筋率對各試件初裂荷載影響較小。這是因為,梁縱筋配筋率主要影響試件整體變形能力以及節(jié)點傳力性能,但本試驗試件梁端并未發(fā)生明顯破壞。相似的,由于本試驗中所有試件的PVC-CFRP管混凝土柱均未發(fā)生破壞,CFRP條帶的抗拉強(qiáng)度未得到充分利用,故CFRP條帶間距對試件初裂荷載的影響也較小。

3 節(jié)點開裂時剪力計算

基于節(jié)點區(qū)彎矩和力的平衡條件,芯鋼管邊節(jié)點抗裂承載力可由節(jié)點開裂時梁端荷載Pcr計算得到,即:

(1)

計算得到文中各節(jié)點抗裂承載力結(jié)果列于表3。

圖7 節(jié)點核心區(qū)受力簡圖Fig. 7 Stress diagram of the joint core area表3 各試件抗裂承載力Table 3 Crack resistance capacity of the specimens試件初裂荷載/kN節(jié)點抗裂承載力/kNPJ-141.9160.5PJ-244.3169.7PJ-343.7167.4PJ-436.4139.5PJ-549.2188.5PJ-647.3181.2PJ-749.5189.6PJ-C161.2234.5PJ-C262.4239.1PJ-C364.8248.3

4 節(jié)點抗裂承載力計算

4.1 基本假定

由試驗結(jié)果可知,在試件初裂前,節(jié)點核心區(qū)處于彈性狀態(tài),節(jié)點剪力主要由節(jié)點區(qū)混凝土承擔(dān)。因此,為方便計算,可采用如下假定:

1)柱縱筋、芯鋼管與節(jié)點核心區(qū)混凝土變形協(xié)調(diào);

2)假定在柱頂軸力作用下,豎向應(yīng)力沿截面高度均勻分布。

4.2 節(jié)點抗裂承載力計算

節(jié)點核心區(qū)對角線中心處單元體受力狀態(tài)如圖8所示。當(dāng)梁縱筋采用非預(yù)應(yīng)力普通鋼筋時,梁端傳來的軸向應(yīng)力σb很小,可忽略不計。因此,基于莫爾圓原理,可得節(jié)點核心區(qū)混凝土主拉應(yīng)力σt為:

圖8 節(jié)點核心區(qū)對角線中心處單元體受力分析 圖9 節(jié)點箍筋影響系數(shù)擬合圖

(2)

當(dāng)節(jié)點核心區(qū)混凝土出現(xiàn)斜裂縫時,節(jié)點核心區(qū)混凝土斜截面的主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度,根據(jù)材料力學(xué)基本理論,式(2)可表示為:

(3)

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)可得節(jié)點抗裂承載力Vj,cr為:

(5)

(6)

上柱傳遞到節(jié)點核心區(qū)的軸向力N0為:

N0=EstεzrAst+EscεzrAsc+EcεzrAc

(7)

式中:Est、Esc和Ec分別為芯鋼管、柱縱筋和混凝土的彈性模量;Ast、Asc和Ac分別為芯鋼管、柱縱筋和PVC-CFRP管混凝土柱混凝土面積。

聯(lián)立式(6)和式(7)可得節(jié)點混凝土受到的軸向壓應(yīng)力為:

(8)

由材性試驗結(jié)果可知,芯鋼管和柱縱筋彈性模量基本相同,且芯鋼管和柱縱筋彈性模量約為混凝土彈性模量的6.45倍。因此,為方便計算,可近似將式(8)簡化為:

(9)

上述推導(dǎo)過程中僅考慮了柱端軸壓力,即軸壓比對節(jié)點抗裂承載力的影響。此外,由試驗結(jié)果分析可知,芯鋼管邊節(jié)點抗裂承載力還受到節(jié)點配箍率的影響。因此,可采用節(jié)點箍筋影響系數(shù)ηcr來考慮節(jié)點箍筋對節(jié)點抗裂承載力的有利作用,則節(jié)點抗裂承載力可進(jìn)一步表示為:

(10)

通過對文中試驗結(jié)果進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖9所示。則節(jié)點箍筋影響系數(shù)ηcr可表示為:

(11)

式中:fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;fy為鋼筋屈服強(qiáng)度;λv為節(jié)點配箍特征值;當(dāng)節(jié)點未配置箍筋時,取ηcr=1。

4.3 節(jié)點抗裂承載力公式驗證

將上述提出的節(jié)點抗裂承載力公式計算結(jié)果與試驗值對比,如表4所示。試驗值與計算值之比的平均值為1.054,均方差為0.084,這表明文中提出的芯鋼管節(jié)點抗裂承載力公式具有較高的精度。此外,采用已有相關(guān)文獻(xiàn)[25,27-30]所建議的節(jié)點抗裂承載力公式對本文試驗結(jié)果進(jìn)行驗算。文獻(xiàn)[25]中節(jié)點抗裂承載力公式如式 (12):

(12)

表4 各試件節(jié)點抗裂承載力試驗值與計算值對比Table 4 Comparison between the test and calculated values of crack resistance capacity of each specimen

續(xù)表

式中,各符號含義詳見文獻(xiàn)[25],下同。其計算結(jié)果如圖10(a)所示,由圖可知,文獻(xiàn)[25]所提出的公式計算結(jié)果整體偏小,這是由于該公式未考慮節(jié)點箍筋對節(jié)點抗裂承載力的提高作用,對于節(jié)點配箍率較低試件(PJ-4),文獻(xiàn)[25]表現(xiàn)出較好的吻合度。

文獻(xiàn)[27-30]所建議的節(jié)點抗裂承載力計算方法相似,文中以文獻(xiàn)[28]為例,其計算公式如式(13):

(13)

其計算結(jié)果如圖10(b)所示,由于該計算公式考慮了節(jié)點區(qū)剪應(yīng)力不均勻分布的影響,但該因素在芯鋼管節(jié)點中作用有待進(jìn)一步研究,致使所求得抗裂承載力與本文試驗值偏差較大,但這也為芯鋼管連接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁節(jié)點的抗裂承載力的計算提供了新的思路。綜上,文中所建議的節(jié)點抗裂承載力計算模型更適用于芯鋼管節(jié)點抗裂設(shè)計。

圖10 已有文獻(xiàn)建議公式計算值與試驗值對比Fig. 10 Comparison between the calculated value of the established calculation model and the experimental value of this paper

5 結(jié)論

通過低周反復(fù)荷載作用下芯鋼管連接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁邊節(jié)點的試驗研究與理論分析,可得出以下結(jié)論:

1)節(jié)點破壞先后經(jīng)歷初裂、通裂、峰值和破壞階段,初裂荷載約為極限荷載的40%～50%,隨著節(jié)點核心區(qū)表面斜裂縫的出現(xiàn),滯回曲線偏離線性增長。

2)內(nèi)置芯鋼管可有效提高節(jié)點的抗裂性能,同時,隨著節(jié)點配箍率和軸壓比增加,節(jié)點初裂荷載有所提高,芯鋼管含鋼率、梁縱筋配筋率以及CFRP條帶間距對節(jié)點初裂荷載影響不明顯。

3)節(jié)點區(qū)混凝土開裂時,節(jié)點區(qū)芯鋼管、箍筋應(yīng)變均較小,試件的抗裂承載力主要由節(jié)點區(qū)混凝土承擔(dān)。

4)在試驗基礎(chǔ)上,引入節(jié)點箍筋影響系數(shù),提出了芯鋼管節(jié)點抗裂承載力計算公式,計算值與試驗值吻合較好,且相較于目前已有節(jié)點抗裂承載力計算模型,更適用于芯鋼管節(jié)點抗裂設(shè)計。