【摘要】研究表明混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)與普通矩形柱節(jié)點(diǎn)相比受力情況更為復(fù)雜，單靠理論分析不足以全面揭示其受力性能，因此試驗(yàn)成為研究異形柱節(jié)點(diǎn)受剪承載力及抗震性能的必要手段。本文根據(jù)試驗(yàn)室具體條件，對(duì)兩個(gè)混凝土異形柱中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)，并對(duì)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)處理。研究表明，加載方式和裝置的選擇對(duì)異形柱中間節(jié)點(diǎn)受力過(guò)程和采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響嚴(yán)重，尤其是對(duì)左右梁端荷載—位移滯回曲線的影響尤為突出，因此在試驗(yàn)條件允許的情況下應(yīng)采用更為完善的加載方式，而本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算處理，得到異形柱中間節(jié)點(diǎn)的受剪承載力，能夠減小試驗(yàn)帶來(lái)的影響。同時(shí)針對(duì)較高地震烈度地區(qū)普通混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)抗震性能不足的具體情況，本文提出了改善措施并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】異形柱； 中間節(jié)點(diǎn)； 試驗(yàn)； 數(shù)據(jù)處理

梁柱節(jié)點(diǎn)是混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震的關(guān)鍵部位，其受力情況較為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)普通混凝土矩形柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量理論或試驗(yàn)研究，取得了豐富的研究成果[1-3]，但異形柱節(jié)點(diǎn)由于可能采用不同截面形式的異形柱，且節(jié)點(diǎn)核心區(qū)分為腹板和翼緣兩部分，因此其受力情況與普通混凝土矩形柱節(jié)點(diǎn)相比更為復(fù)雜，單靠理論分析不足以全面揭示混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)的受力性能，因此試驗(yàn)成為了研究混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)受剪承載力必要的手段[4-5]，而混凝土節(jié)點(diǎn)受剪性能試驗(yàn)與框架梁、框架柱，甚至整體框架試驗(yàn)相比較為復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求也較高，因此試驗(yàn)方法、加載過(guò)程及試驗(yàn)設(shè)備的選擇對(duì)混凝土節(jié)點(diǎn)受剪性能的研究具有重要影響，而試驗(yàn)手段及試驗(yàn)設(shè)備主要根據(jù)試驗(yàn)室現(xiàn)有條件進(jìn)行選擇。本文根據(jù)天津大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室具體情況，設(shè)計(jì)了兩個(gè)混凝土異形柱中間節(jié)點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，借以研究混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，對(duì)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)歸納，并進(jìn)行深入分析，同時(shí)針對(duì)較高地震烈度地區(qū)普通混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)抗震性能不足的具體情況，本文提出了改善措施并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。

1、模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了2個(gè)1/2縮尺異形柱中間節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，為改善高地震烈度地區(qū)普通混凝土異形柱節(jié)點(diǎn)受剪承載力薄弱的不利現(xiàn)象，本文采用了相應(yīng)的改善措施，即在異形柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加入聚丙烯纖維。兩個(gè)異形柱中間節(jié)點(diǎn)模型尺寸及配筋情況完全一樣，區(qū)別為其中一個(gè)為C45普通混凝土澆筑（編號(hào)為J+），另一個(gè)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)為C45聚丙烯纖維混凝土澆筑，其余部位仍為C45普通混凝土澆筑（編號(hào)為J+A）。

2、試驗(yàn)概況

和一個(gè)三通裝置控制左右兩個(gè)拉壓千斤頂，即油壓泵通過(guò)三通裝置同時(shí)控制兩個(gè)千斤頂?shù)募虞d、卸載情況，理論上左右梁端荷載—位移變化情況應(yīng)同步進(jìn)行。

異形柱中間節(jié)點(diǎn)加載方式為荷載—位移聯(lián)合控制，即梁內(nèi)鋼筋屈服前以荷載控制分級(jí)加載，每級(jí)加載卸載、反向加載卸載循環(huán)一次，梁內(nèi)鋼筋屈服后改為位移控制，以屈服位移的整數(shù)倍加載卸載、反向加載卸載循環(huán)三次，當(dāng)荷載下降到極限荷載的85%時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)際加載過(guò)程中，異形柱中間節(jié)點(diǎn)按本文所采用加載控制方式產(chǎn)生了左右梁端荷載—位移不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象隨著節(jié)點(diǎn)逐漸進(jìn)入塑性階段顯現(xiàn)的更為突出，造成所采集到的荷載—位移數(shù)據(jù)也出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，這與試驗(yàn)前預(yù)計(jì)的結(jié)果出現(xiàn)矛盾，且項(xiàng)目組成員利用該方法所進(jìn)行的后續(xù)異形柱中間節(jié)點(diǎn)低周往復(fù)荷載試驗(yàn)均出現(xiàn)此現(xiàn)象，這表明利用一個(gè)油壓泵通過(guò)三通裝置控制兩個(gè)拉壓千斤頂對(duì)異形柱中間節(jié)點(diǎn)施加低周往復(fù)荷載會(huì)造成其左右梁端荷載—位移不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象。

3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 荷載和位移

試驗(yàn)所采集到兩個(gè)異形柱中間節(jié)點(diǎn)各主要階段的荷載及位移如表1所示。

對(duì)比兩個(gè)異形柱中間節(jié)點(diǎn)的荷載—位移數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的左右梁端荷載—位移數(shù)據(jù)均出現(xiàn)了不同程度的不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，其中位移數(shù)據(jù)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象更為突出，進(jìn)一步表明利用一個(gè)油壓泵通過(guò)三通裝置控制兩個(gè)千斤頂所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象是存在的，且不可避免的。表1中的延性系數(shù)是位移延性系數(shù)，其值為破壞位移（荷載下降到極限荷載85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移）與屈服位移（利用等面積法計(jì)算得到）的比值，由于采集到的左右梁端的位移數(shù)據(jù)存在不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，因此計(jì)算得到的位移延性系數(shù)也存在左右不對(duì)稱(chēng)情況。表1中，節(jié)點(diǎn)J+左右梁端的均值極限荷載分別為67kN和66kN，節(jié)點(diǎn)J+A左右梁端的均值極限荷載分別為65kN和74kN，節(jié)點(diǎn)J+A左右梁端均值比節(jié)點(diǎn)J+高4kN，從而表明聚丙烯纖維混凝土可以提高異形柱節(jié)點(diǎn)的承載能力，提高其抗剪強(qiáng)度。且實(shí)際情況是兩個(gè)異形柱中間節(jié)點(diǎn)所采用混凝土并非同一批澆筑，中間節(jié)點(diǎn)J+所用混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比節(jié)點(diǎn)J+A的立方體抗壓強(qiáng)度高約10MPa，由此可預(yù)測(cè)，如兩種異形柱中間節(jié)點(diǎn)采用同一強(qiáng)度混凝土?xí)r，應(yīng)用聚丙烯纖維可以顯著提高混凝土異形柱中間節(jié)點(diǎn)的受剪承載力，從而改善其抗震性能。

3.2 梁端滯回曲線

試驗(yàn)采集到兩個(gè)異形柱中間節(jié)點(diǎn)左右梁端荷載—位移滯回曲線如圖3所示。該試驗(yàn)為低周往復(fù)加載試驗(yàn)，采用荷載—位移聯(lián)合控制加載方式，但由于中間節(jié)點(diǎn)有左右兩個(gè)框架梁，因此加載時(shí)應(yīng)選擇以左或右梁端的荷載—位移數(shù)據(jù)采集情況為控制依據(jù)，由于一個(gè)油壓泵通過(guò)三通裝置控制兩個(gè)拉壓千斤頂存在左右梁端荷載—位移變形不同步現(xiàn)象，因此不起控制作用的節(jié)點(diǎn)梁端的荷載—位移滯回曲線出現(xiàn)了不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，對(duì)節(jié)點(diǎn)J+進(jìn)行低周往復(fù)加載時(shí)，以左梁端試驗(yàn)數(shù)據(jù)為控制條件，因此圖3（b）中右梁端滯回曲線表現(xiàn)出了顯著得不對(duì)稱(chēng)性；而對(duì)節(jié)點(diǎn)J+A進(jìn)行低周往復(fù)加載時(shí)，以右梁端試驗(yàn)數(shù)據(jù)為控制條件，因此圖3（c）中左梁端滯回曲線表現(xiàn)出了顯著得不對(duì)稱(chēng)性。由此可見(jiàn)，采用一個(gè)油壓泵通過(guò)三通裝置控制兩個(gè)拉壓千斤頂對(duì)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載時(shí)，左右梁端滯回曲線不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象是不可避免的。

（a）節(jié)點(diǎn)J+左梁端 （b） 節(jié)點(diǎn)J+右梁端

（c） 節(jié)點(diǎn)J+A左梁端 （d） 節(jié)點(diǎn)J+A右梁端

圖3 中間節(jié)點(diǎn)滯回曲線

Fig.3 Hysteretic curves of middle joints

3.3 中間節(jié)點(diǎn)剪力計(jì)算

研究表明決定異形柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的是其節(jié)點(diǎn)剪力，而試驗(yàn)中能夠直接量測(cè)得到異形柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力是非常困難的，但本文已量測(cè)得到異形柱中間節(jié)點(diǎn)左右梁端荷載，通過(guò)力學(xué)公式即可計(jì)算得到其節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力。

《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ149-2006）[6]規(guī)定混凝土異形柱中間節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力設(shè)計(jì)值 （外力）應(yīng)按下列公式計(jì)算：

（1）

式中 ， ， 和 分別為左右梁端彎矩，邊節(jié)點(diǎn)只有一端彎矩； —鋼筋屈服強(qiáng)度； —節(jié)點(diǎn)區(qū)受拉一側(cè)鋼筋面積； —節(jié)點(diǎn)區(qū)受壓一側(cè)鋼筋面積； —節(jié)點(diǎn)核心區(qū)組合的剪力設(shè)計(jì)值； —核心區(qū)剪力增大系數(shù)； —柱的計(jì)算高度； —梁縱向受壓鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊的距離； 、 —梁的截面有效高度、截面高度。

通過(guò)試驗(yàn)采集到的兩個(gè)異形柱中間節(jié)點(diǎn)左右梁端荷載—位移滯回曲線，利用公式（1）及異形柱中間節(jié)點(diǎn)具體截面尺寸計(jì)算得到兩個(gè)中間節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力—梁端轉(zhuǎn)角滯回曲線如圖4所示。

由此可見(jiàn)，雖然本文采用異形柱中間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)方法采集得到梁端荷載—位移滯回曲線出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，但通過(guò)計(jì)算得到中間節(jié)點(diǎn)剪力—梁端轉(zhuǎn)角滯回曲線不對(duì)稱(chēng)情況得到顯著緩解，且計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)剪力能夠正確反應(yīng)異形柱中間節(jié)點(diǎn)受力特性。由圖4可知，正反向加載時(shí)節(jié)點(diǎn)J+A核心區(qū)剪力平均值約為552kN，較節(jié)點(diǎn)J+核心區(qū)剪力平均值523kN高約29kN，且中間節(jié)點(diǎn)J+A所用混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比節(jié)點(diǎn)J+的立方體抗壓強(qiáng)度低約10Mpa，由此可知，聚丙烯纖維可以顯著提高混凝土異形柱中間節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力，從而改善其抗震性能。

（a） 節(jié)點(diǎn)J+ （b） 節(jié)點(diǎn)J+A

圖4 中間節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)剪力—梁端轉(zhuǎn)角滯回曲線

Fig.4 Hysteretic curve of shear in joint core and rotation at end of beams

4、結(jié)論

（1）通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象及異形柱中間節(jié)點(diǎn)左右梁端滯回特性可知，采用一個(gè)油壓泵通過(guò)三通裝置控制兩個(gè)拉壓千斤頂對(duì)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載時(shí)，左右梁端荷載—位移滯回曲線存在不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象是不可避免的，因此在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用兩個(gè)油壓泵分別控制異形柱中間節(jié)點(diǎn)左右兩個(gè)梁端的加載過(guò)程。

（2）雖然本文采用試驗(yàn)方法所獲得的異形柱中間節(jié)點(diǎn)左右梁端荷載—位移滯回曲線存在不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，但通過(guò)計(jì)算得到的中間節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力仍然是正確的，能夠反應(yīng)異形柱中間節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力情況，且中間節(jié)點(diǎn)剪力—梁端轉(zhuǎn)角滯回曲線不對(duì)稱(chēng)情況得到顯著緩解，表明利用本文試驗(yàn)方法對(duì)異形柱中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)仍能正確揭示異形柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力性能。

（3）通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力計(jì)算結(jié)果表明，聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土異形柱中間節(jié)點(diǎn)的破壞特征，提高混凝土異形柱中間節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力，從而改善其抗震性能，有利于異形柱結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)一步推廣。

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