李艷艷++李明煬++蘇恒博

摘要：對4個高強鋼筋高韌性混凝土框架中節(jié)點進行低周往復加載試驗，對比不同范圍采用高韌性混凝土進行增強的節(jié)點與同條件下未增強的節(jié)點的承載能力、變形能力、滯回特性、剛度退化、耗能能力等抗震性能指標。結果表明，在節(jié)點中采用高韌性混凝土進行增強，可以改善節(jié)點破壞形態(tài)，提高試件的承載能力和變形能力，提高構件的抗震性能，由節(jié)點核心區(qū)延伸至1倍有效梁高范圍內采用高韌性混凝土進行增強的節(jié)點對變形性能、剛度退化、延性和耗能能力增強效果最佳。

關鍵詞：中節(jié)點；高強鋼筋；高韌性混凝土；抗震性能

中圖分類號：TU375文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）01008607

收稿日期：20160304

基金項目：河北省自然科學基金（E2015202035）； 天津建委科技項目（20152）

作者簡介：李艷艷（1979），女，教授，博士，主要從事工程抗震研究，（Email）nicole_820@163.com。

Received：20160304

Foundation item： Hebei Province Nature Found（No. E2015202035）； Science and Technology Project of Tianjin Construction（No.20152）

Author brief：Li Yanyan（1979）， professor， PhD， main research interest： engineering seismology， （Email）nicole_820@163.com.Experimental analysis of seismic behavior of interior joints with

highstrength reinforcement and hightoughness 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）

Abstract：Four interior joints with highstrength reinforcement and hightoughness concrete were investigated with low cyclic loading. Joints under different rage of hightoughness 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 hightoughness concrete were improved， and the offective rarge of hightoughness concrete was from core area of joint to the one time adjacent height of beam to improve deformability and stiffness degradation.

Keywords：interior joints； highstrength reinforcement； hightoughness concrete； seismic behavior

節(jié)點區(qū)域是框架結構主要傳力樞紐，由于其承受和傳遞左右梁端彎矩、剪力以及柱子的軸力，使其處于最不利的受力狀態(tài)，成為框架最薄弱的環(huán)節(jié)[12]。改善框架結構節(jié)點的抗震性能已引起許多學者的關注。高韌性混凝土具有比普通混凝土更強的韌性、更大的延性、更高的抗拉強度和更好的耐久性，與高強鋼筋配合，可以有效解決高強鋼筋混凝土構件裂縫寬以及延性差的問題[34]，從而能夠充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢，形成高性能的結構。迄今為止，許多學者對纖維增強鋼筋混凝土框架結構節(jié)點進行了研究分析[514]，得出纖維增強混凝土可改善框架梁柱節(jié)點的破壞特征、滯回性能等抗震性能指標，但是對高強鋼筋與高韌性混凝土在節(jié)點中的應用研究相對較少。因此，文中對高強鋼筋高韌性混凝土中節(jié)點進行低周往復加載試驗，研究高韌性混凝土對構件抗震性能的增強作用以及確定高韌性混凝土的最佳摻入范圍。

1試驗概況

設計4個構件，柱高2.8 m，柱截面350 mm×350 mm，梁截面b×h=250 mm×400 mm。對比試件JZP1未進行增強，試件JZQ1僅在節(jié)點核心區(qū)采用高韌性混凝土進行增強，試件JZQ2在節(jié)點核心區(qū)及向梁延伸350 mm（1倍有效梁高）范圍內采用高韌性混凝土進行增強，試件JZQ3在節(jié)點核心區(qū)及向梁延伸550 mm（1.5倍有效梁高）范圍內采用高韌性混凝土進行增強。

試件混凝土強度等級為C55，高韌性混凝土是將一種端鉤形剪切鋼纖維按1.2%體積分數摻入到混凝土配合比中，該鋼纖維長度30 mm，長徑比為60，抗拉強度約為1 000 MPa，高韌性混凝土的等效彎曲強度平均值為4.5 MPa，彎曲韌性比為082[15]。梁柱縱筋為600 MPa級鋼筋，符號用E來表示，柱中構造短柱筋強度等級為HRB400級鋼筋，箍筋采用HRB400級鋼筋，具體混凝土力學性能實測平均值見表1，鋼筋力學性能實測值見表2，試件配筋圖如圖1所示。表1節(jié)點混凝土性能指標

Table 1Property indexes of concrete of joint強度

等級立方體抗壓

強度fcu/MPa軸心抗壓強

度fc/ MPa彈性模量

Ec/GPaC5555.435.435.4高韌性C5555.135.035.3

表2鋼筋力學性能指標

Table 2Mechanical indexes of steel鋼筋

等級鋼筋直徑

d/mm屈服強度

fy/MPa極限強度

fu/MPaHRB40010521.99696.39HRB40018471.81623.18HRB40020530.26638.54600 MPa18635.47785.04600 MPa25619.76784.03

圖1試件配筋圖

Fig. 1Reinforcement detailing of Specimen試驗采用擬靜力加載，柱頂施加恒定軸力510 kN，梁端施加低周往復荷載，加載裝置如圖2。試驗采用荷載位移聯(lián)合控制，即在試件屈服之前采用荷載控制，該階段每一級加載只循環(huán)1次，直至試件屈服；在試件屈服之后采用位移控制，每一級加載循環(huán)3次，直至加載至曾達到的最大荷載的85%時，宣告試件破壞。

圖2加載裝置

Fig.2Test loading device2破壞特征

4個節(jié)點的破壞特征如圖3所示，通過對比其破壞特征可以發(fā)現：節(jié)點JZP1梁柱端以及節(jié)點核心區(qū)裂縫出現較早，裂縫數量較少，但裂縫寬度較大。當加載至試件破壞時，梁柱交界處和節(jié)點核心區(qū)大部分混凝土脫落，核心區(qū)出現交叉的X形混凝土脫落縫，且箍筋全部外露。而采用高韌性混凝土進行增強的節(jié)點JZQ1、JZQ2和JZQ3，節(jié)點核心區(qū)裂縫出現較晚，裂縫數量多，但其裂縫寬度較小，與JZP1相比，減緩了斜裂縫的開展，直至加載至試件破壞時，梁柱交界處混凝土保護層裂而不碎，節(jié)點核心區(qū)出現交叉多條X形斜裂縫，幾乎沒有混凝土脫落。通過分析可知，采用高韌性混凝土進行增強的節(jié)點可以減小節(jié)點裂縫寬度，減緩裂縫發(fā)展速度，改善節(jié)點破壞形態(tài)。對比JZQ1、JZQ2和JZQ3，JZQ2節(jié)點核心區(qū)最大裂縫寬度最小，且其梁柱交界處破壞最輕，表明由節(jié)點核心區(qū)延伸至1倍有效梁高范圍內采用高韌性混凝土進行增強對節(jié)點的改善能力最佳。

圖3節(jié)點破壞特征

Fig.3Failure characteristics of joints3試驗結果分析

3.1荷載位移滯回曲線

為實現梁兩端同步加載，通過三通將兩根油管分別連接在左右梁千斤頂上，由于導管與千斤頂的封閉性不同，無法使左右梁端實現完全同步，數據存在一定偏差，試驗規(guī)定左右梁端同時施加推力為正向加載，同時施加拉力為反向加載，4個構件的荷載位移滯回曲線如圖4所示。

圖4荷載位移曲線

Fig.4Loadingdisplacement curves由圖4可知，滯回曲線由開始的梭形逐漸轉變?yōu)楣危茐臅r呈反S形。試件屈服后，隨著循環(huán)次數增加，試件梁端變形不斷增大，但是試件梁端承載力提高效果并不顯著，加載曲線的斜率隨荷載增大而減小，表明試件屈服后，構件剛度隨著控制位移的增大而減小。同位移控制下的3次循環(huán)加載曲線斜率在不斷減小，這是因為往復加載作用下結構的累積損傷。在卸載初期，滯回曲線斜率較大，卸載剛度較大。隨著荷載的不斷減小，曲線逐漸趨于平緩，在接近于0時，構件有一定的不能恢復的殘余變形，且殘余變形隨著循環(huán)次數的增加而增加。

未增強的試件JZP1在加載前期滯回性能較好，但其在加載后期出現明顯的“捏縮”現象，且剛度退化較快。反觀采用高韌性混凝土進行增強的試件JZQ1、JZQ2和JZQ3，剛度退化更加緩慢，后期變形能力更大，可見采用高韌性混凝土進行增強可提高試件的耗能能力，改善試件的滯回性能。

3.2承載能力和變形能力

4個試件的骨架曲線如圖5所示。采用高韌性混凝土進行增強的試件與未增強的試件相比，其屈服后強化幅度更長，變形能力更好，曲線包圍面積更大，有效的改善了節(jié)點強度、剛度等脆性特征。

圖5骨架曲線

Fig.5Skeleton curves由表3可得出，中節(jié)點試件JZQ1、JZQ2、JZQ3分別比未增強中節(jié)點試件JZP1的開裂荷載均值提高0%～4.52%，屈服荷載均值提高1.9%～4%，極限荷載均值高1%～7%，表明采用高韌性混凝土增強的中節(jié)點在一定程度上可提高試件的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載，但提高效果不顯著。

試件JZQ1、JZQ2、JZQ3的開裂位移平均值比試件JZP1分別提高37%、46%、29%，可見高韌性混凝土增強對加載初期變形能力具有很好的改善作用。加載后期提高幅度有所下降，JZQ1、JZQ2與JZQ3破壞位移較JZP1提高0%～10.8%，其中JZQ2提高了10.8%，說明采用高韌性混凝土增強的中節(jié)點可提高試件的變形能力，試件JZQ2增強效果最佳。

構件的延性性能一般用位移延性系數來評價。位移延性系數是試件破壞位移與試件屈服位移之比，其數學表達式如式（1）所示。μu = Δ u Δ y （1）式中：μu為位移延性系數；Δu為破壞位移，即試件承載力下降到極限荷載85%時所對應的位移；Δy為屈服位移，試件屈服時所對應的位移。

為保證試件具有較高的曲率延性，位移延性系數取為3～5，表中所有試件的位移延性都大于3.5，且采用高韌性混凝土進行增強試件較未增強的試件提高幅度為1.3%～4.4%，JZQ2提高幅度最大，表明所有摻加高韌性混凝土試件具有較好的延性，主要原因是由于高韌性混凝土提高了混凝土的致密性，改善了節(jié)點脆性破壞特征。綜合節(jié)點承載能力、變形能力、位移延性、強度和剛度可以看出，由節(jié)點延伸至梁中1倍有效梁高范圍內采用高韌性混凝土進行增強效果最佳。

表3節(jié)點承載力、位移及延性系數

Table.3Bearing capacity， displacement and ductility coefficient of joints試件

編號加載

方向荷載/kN開裂屈服極限破壞位移/mm開裂屈服極限破壞延性

系數JZP1JZP1JZP1JZQ1JZQ1JZQ1JZQ2JZQ2JZQ2JZQ3JZQ3JZQ3正向61.3697.85114.9896.828.9226.8653.66107.424.00反向62.38101.07112.695.718.0522.1447.7979.283.58平均61.8799.46113.7996.278.4824.5050.7393.353.79正向62.6996.54113.6792.5111.9524.3152.81101.274.17反向66.65106.14116.2098.7711.2225.2251.2388.673.52平均64.67101.34114.9495.6411.5824.2752.0294.973.84正向64.5793.79111.5994.8512.2526.3846.1190.723.44反向63.58112.53126.62107.8312.5025.9051.50116.204.49平均64.07103.16119.11101.3412.3828.6448.81103.463.96正向63.30103.71122.0196.6310.4026.7639.3694.253.52反向60.13103.14121.14102.9711.4224.4441.1689.293.65平均61.72103.43121.5899.8010.9125.6040.2691.773.593.3剛度退化

框架中節(jié)點剛度指的是等效剛度，是骨架曲線原點與滯回環(huán)頂點連線的斜率。剛度退化率指試件在第i次循環(huán)加載時的剛度與初始剛度之比。具體試件正反向平均位移與平均剛度退化率曲線見圖6。試件總體上在加載前期剛度退化較快，在加載后期曲線趨于平緩，剛度退化較慢。采用高韌性混凝土增強的試件在各工況下的剛度均大于同條件下未增強的試件，且增強的節(jié)點剛度退化曲線較為平緩，這是由于高韌性混凝土的加入能夠很好地減緩混凝土裂縫的發(fā)展，在裂縫出現以后還能保持較好的整體性，表明節(jié)點中采用高韌性混凝土進行增強可降低剛度退化速率，提高節(jié)點抵抗變形的能力，且試件JZQ2曲線最為平緩，減緩剛度退化效果最佳。

圖6剛度退化曲線

Fig.6Curves of stiffness degradation3.4耗能能力

一般用等效粘滯阻尼系數he來評定試件耗能能力大小，he越大，耗能能力越大，結構或構件的延性越好。he定義為he=12π×SABCDSOCF+SOAE（2）式中：SABCD為滯回環(huán)ABCD的面積；SOCF、SOAE為理想狀況下彈性階段達到相同位移OF、OE時所吸收的能量。

圖7滯回環(huán)示意圖

Fig.7Hysteresis circle試件各級位移下最后一次循環(huán)時的等效粘滯阻尼系數與位移關系曲線如圖8所示。

圖8等效粘滯阻尼系數

Fig.8Coefficient of equivalent viscous damping由圖8可知，采用高韌性混凝土進行增強的試件等效粘滯阻尼系數在各個工況下均大于同條件下未增強的試件，表明采用高韌性混凝土進行增強可提高試件的耗能能力，綜合來看，在節(jié)點核心區(qū)延伸至1倍有效梁高范圍內采用高韌性混凝土進行增強效果最佳。

3.5剪力轉角滯回曲線

根據《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)定框架梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力設計值計算出中間節(jié)點核心區(qū)剪力，試驗時剪切變形主要通過如圖9所示的布置在節(jié)點核心區(qū)對角線上LVDT的伸縮量，通過幾何關系計算出節(jié)點核心區(qū)的剪切角。節(jié)點核心區(qū)剪切變形如圖10所示，節(jié)點剪切變形可近似按式（3）計算，從而得到核心區(qū)剪力轉角滯回曲線，如圖11所示，JZP1試件在加載過程中量測節(jié)點核心區(qū)變形的LVDT損壞未能測出數據。

圖9節(jié)點核心區(qū)

LVDT布置

Fig.9LVDT arrangement

of joints core area圖10梁柱節(jié)點

剪切變形

Fig.10Shear

deformation of joints

γ=a2+b2ab×|δ1+δ′1+δ2+δ′2|2 （3）式中：γ為節(jié)點核心區(qū)剪切變形； b、a為節(jié)點區(qū)寬度與高度；δ1+δ′1、δ2+δ′2LVDT1與LVDT2變形。

圖11剪力轉角滯回曲線

Fig.11Hysteretic curves of shearrotation由圖11可看出，試件JZQ1、JZQ2與JZQ3均有較大的抗剪承載能力，節(jié)點試件抗剪承載能力隨著高韌性混凝土摻加范圍的增大而增大，JZQ3抗剪承載能力最大。JZQ1、JZQ2破壞時剪切轉角均未超過0.01 rad，JZQ3剪切轉角超過0.01 rad，且JZQ3剪切剛度退化較小。

3.6節(jié)點核心區(qū)箍筋應變

為了分析節(jié)點核心區(qū)箍筋垂直受力方向和平行受力方向箍肢在不同受力階段的狀態(tài)，在箍筋在平行受力方向和垂直受力方向上各取一肢，每肢中部粘貼應變片，具體應變片位置見圖12。

圖12節(jié)點區(qū)箍筋應變片的位置

Fig.12Location of stirrup strain gauge為了消除實際混凝土強度不同對試件承載能力的影響，可以用承載力除以混凝土強度實測值與試件節(jié)點核心區(qū)面積的乘積來表征，即單位混凝土的受剪能力剪壓比。剪壓比定義為γ=Vfcbchc（4）式中：γ為剪壓比；V為節(jié)點核心區(qū)剪力；fc為混凝土軸心抗壓強度；bc為驗算方向柱截面寬度；hc為驗算方向柱截面高度。

節(jié)點的剪壓比箍筋應變曲線如圖13所示，取平行于受力方向的橫向箍筋應變片G3和垂直于受力方向縱向箍筋應變片G4為例進行說明節(jié)點核心區(qū)箍筋應變片的應變變化情況。

圖13剪壓比箍筋應變

Fig.13Shear compression ratiostirrup strain1）對比節(jié)點核心區(qū)不同位置箍筋應變變化，中節(jié)點平行于受力方向的箍筋應變片G3在加載前期有較大應變，且其隨著剪壓比的增大而迅速增大，表明中節(jié)點試件中與剪力平行方向位置的箍筋先承受剪力，且其承受的拉力較大。相比之下，與剪力垂直方向的箍筋拉力相對較小，且與剪力方向平行的箍筋承擔的拉力大于與剪力方向垂直的箍筋的拉力。

2）對比不同試件同一位置處箍筋應變變化，JZQ1、JZQ2和JZQ3核心區(qū)箍筋屈服應變發(fā)生推遲，且破壞時最大應變較小，說明采用高韌性混凝土進行增強可提高核心區(qū)混凝土抗剪能力，且JZQ2核心區(qū)箍筋破壞應變最小，能承受更大的剪力，故由節(jié)點核心區(qū)延伸至梁中1倍有效梁高范圍內采用高韌性混凝土進行增強效果最為顯著。

4結論

1）在中節(jié)點中采用高韌性混凝土進行加強，可有效改善節(jié)點破壞形態(tài)，減少節(jié)點核心區(qū)裂縫數量，減小裂縫寬度。

2）采用高韌性混凝土增強的中節(jié)點可提高試件的承載能力和變形能力，且框架中節(jié)點組合體的位移延性系數處于3～5之間，具有較好的延性。

3）采用高韌性混凝土進行增強可以減緩試件剛度的退化，提高試件耗能能力，增強節(jié)點抵抗變形的能力。

4）采用高韌性混凝土進行增強可提高核心區(qū)混凝土抗剪能力，推遲核心區(qū)箍筋屈服，能夠承受更大的剪力，且JZQ2增強效果最佳。

5）綜合考慮節(jié)點破壞特征、變形能力以及剛度退化等各項指標，在由節(jié)點核心延伸至1倍有效梁高范圍內采用高韌性混凝土進行增強效果最佳。

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