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  土木建筑与环境工程  2017, Vol. 39 Issue (1): 86-92   PDF    
高强钢筋高韧性混凝土框架中节点抗震性能试验研究
李艳艳1,2, 李明炀1, 苏恒博1    
1. 河北工业大学 土木与交通学院, 天津 300401 ;
2. 河北省土木工程技术研究中心, 天津 300401
收稿日期：2016-03-04
基金项目：河北省自然科学基金（E2015202035）；天津建委科技项目（2015-2）
作者简介：李艳艳(1979-), 女, 教授, 博士, 主要从事工程抗震研究, (E-mail) nicole_820@163.com。
摘要：对4个高强钢筋高韧性混凝土框架中节点进行低周往复加载试验，对比不同范围采用高韧性混凝土进行增强的节点与同条件下未增强的节点的承载能力、变形能力、滞回特性、刚度退化、耗能能力等抗震性能指标。结果表明，在节点中采用高韧性混凝土进行增强，可以改善节点破坏形态，提高试件的承载能力和变形能力，提高构件的抗震性能，由节点核心区延伸至1倍有效梁高范围内采用高韧性混凝土进行增强的节点对变形性能、刚度退化、延性和耗能能力增强效果最佳。
关键词：中节点    高强钢筋    高韧性混凝土    抗震性能    
Experimental analysis of seismic behavior of interior joints with high-strength reinforcement and high-toughness concrete
Li Yanyan1,2, Li Mingyang1, Su Hengbo1    
1. School of Civil Engineering and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P. R. China;
2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Tianjin 300401, P. R. China
Received: 2016-03-04
Foundation item: Hebei Province Nature Found (No. E2015202035); Science and Technology Project of Tianjin Construction (No.2015-2)
Author brief: Li Yanyan (1979-), professor, PhD, main research interest: engineering seismology, (E-mail) nicole_820@163.com.
Abstract: Four interior joints with high-strength reinforcement and high-toughness concrete were investigated with low cyclic loading. Joints under different rage of high-toughness concrete and those without were compared in terms of seismic behavior indexes such as bearing capacity, deformability, hysteretic characteristics, stiffness degradation and energy dissipation capacity. The failure patterns, bearing capacity, deformability and seismic behavior of those frame interior joints with high-toughness concrete were improved, and the offective rarge of high-toughness concrete was from core area of joint to the one time adjacent height of beam to improve deformability and stiffness degradation.
Key Words: interior joints    high-strength reinforcement    high-toughness concrete    seismic behavior    

节点区域是框架结构主要传力枢纽，由于其承受和传递左右梁端弯矩、剪力以及柱子的轴力，使其处于最不利的受力状态，成为框架最薄弱的环节[1-2]。改善框架结构节点的抗震性能已引起许多学者的关注。高韧性混凝土具有比普通混凝土更强的韧性、更大的延性、更高的抗拉强度和更好的耐久性，与高强钢筋配合，可以有效解决高强钢筋混凝土构件裂缝宽以及延性差的问题[3-4]，从而能够充分发挥两种材料的性能优势，形成高性能的结构。迄今为止，许多学者对纤维增强钢筋混凝土框架结构节点进行了研究分析[5-14]，得出纤维增强混凝土可改善框架梁柱节点的破坏特征、滞回性能等抗震性能指标，但是对高强钢筋与高韧性混凝土在节点中的应用研究相对较少。因此，文中对高强钢筋高韧性混凝土中节点进行低周往复加载试验，研究高韧性混凝土对构件抗震性能的增强作用以及确定高韧性混凝土的最佳掺入范围。

1 试验概况

设计4个构件，柱高2.8 m，柱截面350 mm×350 mm，梁截面b×h=250 mm×400 mm。对比试件JZ-P1未进行增强，试件JZ-Q1仅在节点核心区采用高韧性混凝土进行增强，试件JZ-Q2在节点核心区及向梁延伸350 mm (1倍有效梁高)范围内采用高韧性混凝土进行增强，试件JZ-Q3在节点核心区及向梁延伸550 mm (1.5倍有效梁高)范围内采用高韧性混凝土进行增强。

试件混凝土强度等级为C55，高韧性混凝土是将一种端钩形剪切钢纤维按1.2%体积分数掺入到混凝土配合比中，该钢纤维长度30 mm，长径比为60，抗拉强度约为1 000 MPa，高韧性混凝土的等效弯曲强度平均值为4.5 MPa，弯曲韧性比为0.82[15]。梁柱纵筋为600 MPa级钢筋，符号用E来表示，柱中构造短柱筋强度等级为HRB400级钢筋，箍筋采用HRB400级钢筋，具体混凝土力学性能实测平均值见表 1，钢筋力学性能实测值见表 2，试件配筋图如图 1所示。

表 1 节点混凝土性能指标 Table 1 Property indexes of concrete of joint

表 2 钢筋力学性能指标 Table 2 Mechanical indexes of steel

图 1 试件配筋图 Fig. 1 Reinforcement detailing of Specimen

试验采用拟静力加载，柱顶施加恒定轴力510 kN，梁端施加低周往复荷载，加载装置如图 2。试验采用荷载位移联合控制，即在试件屈服之前采用荷载控制，该阶段每一级加载只循环1次，直至试件屈服；在试件屈服之后采用位移控制，每一级加载循环3次，直至加载至曾达到的最大荷载的85%时，宣告试件破坏。

图 2 加载装置 Fig. 2 Test loading device

2 破坏特征

4个节点的破坏特征如图 3所示，通过对比其破坏特征可以发现：节点JZ-P1梁柱端以及节点核心区裂缝出现较早，裂缝数量较少，但裂缝宽度较大。当加载至试件破坏时，梁柱交界处和节点核心区大部分混凝土脱落，核心区出现交叉的X形混凝土脱落缝，且箍筋全部外露。而采用高韧性混凝土进行增强的节点JZ-Q1、JZ-Q2和JZ-Q3，节点核心区裂缝出现较晚，裂缝数量多，但其裂缝宽度较小，与JZ-P1相比，减缓了斜裂缝的开展，直至加载至试件破坏时，梁柱交界处混凝土保护层裂而不碎，节点核心区出现交叉多条X形斜裂缝，几乎没有混凝土脱落。通过分析可知，采用高韧性混凝土进行增强的节点可以减小节点裂缝宽度，减缓裂缝发展速度，改善节点破坏形态。对比JZ-Q1、JZ-Q2和JZ-Q3，JZ-Q2节点核心区最大裂缝宽度最小，且其梁柱交界处破坏最轻，表明由节点核心区延伸至1倍有效梁高范围内采用高韧性混凝土进行增强对节点的改善能力最佳。

图 3 节点破坏特征 Fig. 3 Failure characteristics of joints

3 试验结果分析
3.1 荷载位移滞回曲线

为实现梁两端同步加载，通过三通将两根油管分别连接在左右梁千斤顶上，由于导管与千斤顶的封闭性不同，无法使左右梁端实现完全同步，数据存在一定偏差，试验规定左右梁端同时施加推力为正向加载，同时施加拉力为反向加载，4个构件的荷载位移滞回曲线如图 4所示。

图 4 荷载位移曲线 Fig. 4 Loading-displacement curves

由图 4可知，滞回曲线由开始的梭形逐渐转变为弓形，破坏时呈反S形。试件屈服后，随着循环次数增加，试件梁端变形不断增大，但是试件梁端承载力提高效果并不显著，加载曲线的斜率随荷载增大而减小，表明试件屈服后，构件刚度随着控制位移的增大而减小。同位移控制下的3次循环加载曲线斜率在不断减小，这是因为往复加载作用下结构的累积损伤。在卸载初期，滞回曲线斜率较大，卸载刚度较大。随着荷载的不断减小，曲线逐渐趋于平缓，在接近于0时，构件有一定的不能恢复的残余变形，且残余变形随着循环次数的增加而增加。

未增强的试件JZ-P1在加载前期滞回性能较好，但其在加载后期出现明显的“捏缩”现象，且刚度退化较快。反观采用高韧性混凝土进行增强的试件JZ-Q1、JZ-Q2和JZ-Q3，刚度退化更加缓慢，后期变形能力更大，可见采用高韧性混凝土进行增强可提高试件的耗能能力，改善试件的滞回性能。

3.2 承载能力和变形能力

4个试件的骨架曲线如图 5所示。采用高韧性混凝土进行增强的试件与未增强的试件相比，其屈服后强化幅度更长，变形能力更好，曲线包围面积更大，有效的改善了节点强度、刚度等脆性特征。

图 5 骨架曲线 Fig. 5 Skeleton curves

由表 3可得出，中节点试件JZ-Q1、JZ-Q2、JZ-Q3分别比未增强中节点试件JZ-P1的开裂荷载均值提高0%~4.52%，屈服荷载均值提高1.9%~4%，极限荷载均值高1%~7%，表明采用高韧性混凝土增强的中节点在一定程度上可提高试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，但提高效果不显著。

表 3 节点承载力、位移及延性系数 Table 3 Bearing capacity, displacement and ductility coefficient of joints

试件JZ-Q1、JZ-Q2、JZ-Q3的开裂位移平均值比试件JZ-P1分别提高37%、46%、29%，可见高韧性混凝土增强对加载初期变形能力具有很好的改善作用。加载后期提高幅度有所下降，JZ-Q1、JZ-Q2与JZ-Q3破坏位移较JZ-P1提高0%~10.8%，其中JZ-Q2提高了10.8%，说明采用高韧性混凝土增强的中节点可提高试件的变形能力，试件JZ-Q2增强效果最佳。

构件的延性性能一般用位移延性系数来评价。位移延性系数是试件破坏位移与试件屈服位移之比, 其数学表达式如式(1)所示。

μu=ΔuΔy (1)

式中：μu为位移延性系数；Δu为破坏位移，即试件承载力下降到极限荷载85%时所对应的位移；Δy为屈服位移，试件屈服时所对应的位移。

为保证试件具有较高的曲率延性，位移延性系数取为3~5，表中所有试件的位移延性都大于3.5，且采用高韧性混凝土进行增强试件较未增强的试件提高幅度为1.3%~4.4%，JZ-Q2提高幅度最大，表明所有掺加高韧性混凝土试件具有较好的延性，主要原因是由于高韧性混凝土提高了混凝土的致密性，改善了节点脆性破坏特征。综合节点承载能力、变形能力、位移延性、强度和刚度可以看出，由节点延伸至梁中1倍有效梁高范围内采用高韧性混凝土进行增强效果最佳。

3.3 刚度退化

框架中节点刚度指的是等效刚度，是骨架曲线原点与滞回环顶点连线的斜率。刚度退化率指试件在第i次循环加载时的刚度与初始刚度之比。具体试件正反向平均位移与平均刚度退化率曲线见图 6。试件总体上在加载前期刚度退化较快，在加载后期曲线趋于平缓，刚度退化较慢。采用高韧性混凝土增强的试件在各工况下的刚度均大于同条件下未增强的试件，且增强的节点刚度退化曲线较为平缓，这是由于高韧性混凝土的加入能够很好地减缓混凝土裂缝的发展，在裂缝出现以后还能保持较好的整体性，表明节点中采用高韧性混凝土进行增强可降低刚度退化速率，提高节点抵抗变形的能力，且试件JZ-Q2曲线最为平缓，减缓刚度退化效果最佳。

图 6 刚度退化曲线 Fig. 6 Curves of stiffness degradation

3.4 耗能能力

一般用等效粘滞阻尼系数he来评定试件耗能能力大小，he越大，耗能能力越大，结构或构件的延性越好。he定义为

he=12π×SABCDSOCF+SOAE (2)

式中：SABCD为滞回环ABCD的面积；SOCF、SOAE为理想状况下弹性阶段达到相同位移OF、OE时所吸收的能量。

试件各级位移下最后一次循环时的等效粘滞阻尼系数与位移关系曲线如图 8所示。

图 7 滞回环示意图 Fig. 7 Hysteresis circle

图 8 等效粘滞阻尼系数 Fig. 8 Coefficient of equivalent viscous damping

由图 8可知，采用高韧性混凝土进行增强的试件等效粘滞阻尼系数在各个工况下均大于同条件下未增强的试件，表明采用高韧性混凝土进行增强可提高试件的耗能能力，综合来看，在节点核心区延伸至1倍有效梁高范围内采用高韧性混凝土进行增强效果最佳。

3.5 剪力转角滞回曲线

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)规定框架梁柱节点核心区剪力设计值计算出中间节点核心区剪力，试验时剪切变形主要通过如图 9所示的布置在节点核心区对角线上LVDT的伸缩量，通过几何关系计算出节点核心区的剪切角。节点核心区剪切变形如图 10所示，节点剪切变形可近似按式(3)计算，从而得到核心区剪力转角滞回曲线，如图 11所示，JZ-P1试件在加载过程中量测节点核心区变形的LVDT损坏未能测出数据。

图 9 节点核心区LVDT布置 Fig. 9 LVDT arrangement of joints core area

图 10 梁柱节点剪切变形 Fig. 10 Shear deformation of joints

图 11 剪力转角滞回曲线 Fig. 11 Hysteretic curves of shear-rotation

γ=√a2+b2ab×|δ1+δ1′+δ2+δ2′|2 (3)

式中：γ为节点核心区剪切变形；b、a为节点区宽度与高度；δ1+δ′1、δ2+δ′2LVDT1与LVDT2变形。

由图 11可看出，试件JZ-Q1、JZ-Q2与JZ-Q3均有较大的抗剪承载能力，节点试件抗剪承载能力随着高韧性混凝土掺加范围的增大而增大，JZ-Q3抗剪承载能力最大。JZ-Q1、JZ-Q2破坏时剪切转角均未超过0.01 rad，JZ-Q3剪切转角超过0.01 rad，且JZ-Q3剪切刚度退化较小。

3.6 节点核心区箍筋应变

为了分析节点核心区箍筋垂直受力方向和平行受力方向箍肢在不同受力阶段的状态，在箍筋在平行受力方向和垂直受力方向上各取一肢，每肢中部粘贴应变片，具体应变片位置见图 12。

图 12 节点区箍筋应变片的位置 Fig. 12 Location of stirrup strain gauge

为了消除实际混凝土强度不同对试件承载能力的影响，可以用承载力除以混凝土强度实测值与试件节点核心区面积的乘积来表征，即单位混凝土的受剪能力剪压比。剪压比定义为

γ=Vfcbchc (4)

式中：γ为剪压比; V为节点核心区剪力; fc为混凝土轴心抗压强度; bc为验算方向柱截面宽度; hc为验算方向柱截面高度。

节点的剪压比箍筋应变曲线如图 13所示，取平行于受力方向的横向箍筋应变片G3和垂直于受力方向纵向箍筋应变片G4为例进行说明节点核心区箍筋应变片的应变变化情况。

图 13 剪压比箍筋应变 Fig. 13 Shear compression ratio-stirrup strain

1)对比节点核心区不同位置箍筋应变变化，中节点平行于受力方向的箍筋应变片G3在加载前期有较大应变，且其随着剪压比的增大而迅速增大，表明中节点试件中与剪力平行方向位置的箍筋先承受剪力，且其承受的拉力较大。相比之下，与剪力垂直方向的箍筋拉力相对较小，且与剪力方向平行的箍筋承担的拉力大于与剪力方向垂直的箍筋的拉力。

2)对比不同试件同一位置处箍筋应变变化，JZ-Q1、JZ-Q2和JZ-Q3核心区箍筋屈服应变发生推迟，且破坏时最大应变较小，说明采用高韧性混凝土进行增强可提高核心区混凝土抗剪能力，且JZ-Q2核心区箍筋破坏应变最小，能承受更大的剪力，故由节点核心区延伸至梁中1倍有效梁高范围内采用高韧性混凝土进行增强效果最为显著。

4 结论

1)在中节点中采用高韧性混凝土进行加强，可有效改善节点破坏形态，减少节点核心区裂缝数量，减小裂缝宽度。

2)采用高韧性混凝土增强的中节点可提高试件的承载能力和变形能力，且框架中节点组合体的位移延性系数处于3~5之间，具有较好的延性。

3)采用高韧性混凝土进行增强可以减缓试件刚度的退化，提高试件耗能能力，增强节点抵抗变形的能力。

4)采用高韧性混凝土进行增强可提高核心区混凝土抗剪能力，推迟核心区箍筋屈服，能够承受更大的剪力，且JZ-Q2增强效果最佳。

5)综合考虑节点破坏特征、变形能力以及刚度退化等各项指标，在由节点核心延伸至1倍有效梁高范围内采用高韧性混凝土进行增强效果最佳。

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