張軍偉 周冉

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)基建處（450002）

鋼纖維混凝土節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂性能試驗(yàn)研究

張軍偉 周冉

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)基建處（450002）

通過對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)加載下的試驗(yàn)研究，探討了鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、柱端軸壓比和配箍率等對(duì)邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂性能的影響。結(jié)果表明，隨著鋼纖維體積率、軸壓比和鋼纖維摻加范圍的增大，鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗裂荷載呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。隨著配箍率的減小，鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗裂荷載呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。并在普通混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜截面抗裂荷載計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，提出了鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜截面抗裂荷載的計(jì)算公式，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

鋼纖維高強(qiáng)混凝土；框架邊節(jié)點(diǎn)；核心區(qū)；抗裂荷載

0 引言

在配筋密集的框架節(jié)點(diǎn)區(qū)域中摻入鋼纖維不但可以顯著增強(qiáng)其受力性能，而且還能夠明顯改善節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋的擁擠狀況，降低施工難度，在高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點(diǎn)中摻入鋼纖維已成為一種有效的增強(qiáng)和增韌方法受到了極大的關(guān)注。但是，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗裂性能的研究較少。因此，這里通過9個(gè)鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，探討了鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、軸壓比和配箍率等對(duì)框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜截面抗裂荷載的影響，并提出了鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜截面抗裂荷載的計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

選取承重框架中間層端部上、下柱和梁反彎點(diǎn)之間的平面組合體作為試件模型，為實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸的1/2。按照《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2002）的有關(guān)規(guī)定，采用的試件尺寸和配筋如圖1所示。試件制作時(shí)的有關(guān)參數(shù)稍有變化，分析時(shí)以每個(gè)試件的實(shí)際參數(shù)為準(zhǔn)。

圖1 節(jié)點(diǎn)試件的尺寸和配筋圖

試驗(yàn)主要考慮了鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、軸壓比和配箍率等試驗(yàn)參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了A、B、C和D四個(gè)系列，共計(jì)9個(gè)試件，見表1。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及其梁端1/2梁高范圍內(nèi)采用體積率為1%的CF60鋼纖維高強(qiáng)混凝土，其余部分用C60高強(qiáng)混凝土。試件制作時(shí)，采用鋼錠銑削型纖維（AMI04-32-600），其長(zhǎng)徑比為35～40 mm、等效直徑為0.94 mm、抗拉強(qiáng)度≥700 MPa；42.5#高強(qiáng)硅酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)為2.91的中粗砂，最大粒徑20 mm、連續(xù)級(jí)配的石子；減水劑為JKH-1型粉狀高效減水劑（FDN），減水率為18%～25%。同時(shí)，在制作時(shí)每個(gè)試件均分別預(yù)留混凝土和鋼纖維混凝土材性試塊各12個(gè)，用于測(cè)試試件的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量和泊松比。

試驗(yàn)采用多通道電液伺服動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行梁端低周反復(fù)加載，柱端采用固定在承力架上的2 000 kN油壓千斤頂施加軸向荷載。試驗(yàn)時(shí)先在柱頂用油壓千斤頂對(duì)試件施加軸向荷載直至達(dá)到預(yù)定的軸壓比值，并在試驗(yàn)過程中保持不變，然后由梁端的電液伺服作動(dòng)器施加低周反復(fù)荷載（或位移）。試驗(yàn)的前兩個(gè)循環(huán)采用控制作用力加載，其中第一循環(huán)加載至試件屈服荷載計(jì)算值的75%，用來模擬正常使用階段的受力狀況。由于研究的重點(diǎn)在于試件的塑性變形階段，第二循環(huán)直接加載至試件屈服狀態(tài)。之后采用控制位移加載，取梁端屈服時(shí)位移的倍數(shù)逐級(jí)加荷，在每一級(jí)位移值情況下循環(huán)2次，直至第n次循環(huán)的極大荷載值低于最高荷載值的85%左右，試件破壞。

表1 試件主要參數(shù)

2 斜截面抗裂荷載的影響因素

表2 節(jié)點(diǎn)試件試驗(yàn)結(jié)果

鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)試件的試驗(yàn)結(jié)果見表2[1-4]。可以看出，影響鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)斜截面抗裂荷載的主要因素除了混凝土強(qiáng)度、截面尺寸外，鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、軸壓比和配箍率都是鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)斜截面抗裂性能的重要影響因素。

2.1 鋼纖維體積率

鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂荷載與鋼纖維體積率的關(guān)系如圖2所示。由圖可見，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂荷載隨鋼纖維體積率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)殇摾w維對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)部的微裂縫和內(nèi)部缺陷的發(fā)展具有明顯的限制作用。

圖2 抗裂荷載與鋼纖維體積率關(guān)系

2.2 軸壓比

鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂荷載與軸壓比的關(guān)系如圖3所示。由圖可見，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂荷載隨著軸壓比的增加而逐漸減小。這是因?yàn)樵龃笾溯S向荷載的作用，增強(qiáng)了對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土的約束作用，從而提高了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂性能。

圖3 抗裂荷載與軸壓比關(guān)系

2.3 配箍率

鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂荷載與配箍率的關(guān)系如圖4所示。由圖可見，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂荷載隨著配箍率的減小呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗焦拷顚?duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土的約束作用，以及水平箍筋依靠其拉力直接承擔(dān)部分節(jié)點(diǎn)剪力作用,從而提高了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂性能。

圖4 抗裂荷載與配箍率關(guān)系

2.4 鋼纖維摻加范圍

鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂荷載與配箍率的關(guān)系如圖5所示。由圖可見，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗裂荷載隨著梁端鋼纖維摻加范圍的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

圖5 抗裂荷載與鋼纖維摻加范圍關(guān)系

3 邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜截面抗裂荷載的計(jì)算方法

如圖6所示，由材料力學(xué)主應(yīng)力計(jì)算公式得:

式中，Vjcr為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)開裂荷載；ft為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土抗拉強(qiáng)度;fc為節(jié)點(diǎn)柱端的混凝土抗壓強(qiáng)度；n為柱端軸壓比；bj為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)截面的寬度；hj為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)界面的高度。

圖6 單元體與應(yīng)力圓

由于梁端彎矩的作用，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)并非完全處于剪切狀態(tài)，而式（3）沒有考慮柱端彎矩所造成的影響。文獻(xiàn)[5]表明箍筋對(duì)鋼纖維混凝土節(jié)點(diǎn)抗剪初裂強(qiáng)度影響不大，僅為全部抗剪初裂強(qiáng)度的2%～ 5%，可以忽略不計(jì)。而試驗(yàn)利用抗剪初裂影響系數(shù)β考慮了梁端彎矩和箍筋對(duì)抗剪初裂荷載的影響，對(duì)式（3）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，故普通混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)的開裂荷載可以用下式求得:

在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)摻入鋼纖維對(duì)控制核心區(qū)混凝土的開裂具有顯著作用，因?yàn)殇摾w維混凝土中亂向分布的短纖維阻礙了混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和阻滯了宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而改善了混凝土抗拉性能。對(duì)于鋼纖維高強(qiáng)混凝土邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的開裂荷載，參照普通混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)開裂荷載的計(jì)算公式取為:

利用本試驗(yàn)研究結(jié)果，通過數(shù)值回歸分析得到:β=0.89。因此，鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力計(jì)算公式為:

表3列出了鋼筋鋼纖維混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)開裂荷載理論值與試驗(yàn)值的比較情況。試驗(yàn)值與理論值之比的平均值為1.002，均方差為0.263，變異系數(shù)為0.262。離散較大的主要原因是參考文獻(xiàn)所用試件為鋼纖維混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)，其強(qiáng)度低于C50。

表3列出了鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)開裂荷載理論值與試驗(yàn)值的比較情況。試驗(yàn)值與理論值之比的平均值為0.997，均方差為0.089，變異系數(shù)為0.089。

利用本試驗(yàn)以及文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)研究結(jié)果，通過數(shù)值回歸分析得到:β=0.69。因此，鋼纖維混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力計(jì)算公式為:

表3 開裂荷載理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比

4 結(jié)論

1）鋼纖維體積率、軸壓比和配箍率都是影響鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗裂性能的重要因素。隨著鋼纖維體積率、軸壓比和鋼纖維摻加范圍的增大，鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗裂荷載呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。隨著配箍率的減小，鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗裂荷載呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

2）在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，參照普通混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜截面抗裂荷載計(jì)算公式，提出了鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜截面抗裂荷載的計(jì)算公式，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

[1]張軍偉,王廷彥.鋼筋鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究和有限元分析[J].混凝土,2011,(4):33-37.

[2]張軍偉,王廷彥.鋼纖維局部增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2011,(7):13-16.

[3]王廷彥,李長(zhǎng)永,張軍偉.鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].混凝土,2011,(9):32-35.

[4]張軍偉.鋼纖維混凝土邊節(jié)點(diǎn)和牛腿受力性能研究[D].鄭州大學(xué),2010.

[5]唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震[M].南京:東南大學(xué)出版社,1988.

[6]魏林,鄭七振,邵震蒙.鋼纖維混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗裂強(qiáng)度的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(2):155-159.

[7]唐九如,楊開建,周起敬.鋼纖維砼對(duì)框架節(jié)點(diǎn)性能的改善[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1988,(4):37-44.

國(guó)家自然科學(xué)基金（50678159）；河南省創(chuàng)新型科技人才隊(duì)伍建設(shè)工程(094100510009)資助項(xiàng)目。