王麗萍，羅文文，劉思危，張 偉，蔣利成，楊仕建

(1.重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331；2.能源工程力學與防災減災重慶市重點實驗室，重慶 401331)

強震作用下建筑結(jié)構(gòu)合理的破壞模式是實現(xiàn)抗震設防目標的決定因素之一。以能力設計法為基礎的結(jié)構(gòu)強震破壞模式設計遵循“強柱弱梁”“強剪弱彎”“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設計原則。RC框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點起到保持與之相連梁柱內(nèi)力平衡的重要作用，其受力復雜，發(fā)生損傷后對整體結(jié)構(gòu)變形影響大。但歷次地震中RC梁柱節(jié)點發(fā)生非預期損傷破壞的情況屢見不鮮[1―2]。主要原因為節(jié)點區(qū)域箍筋配置不足、錨固條件不滿足要求以及混凝土強度不足等方面[1,3―4]。然而與節(jié)點受剪密切相關(guān)的梁受彎損傷軸向伸長現(xiàn)象卻被廣泛忽視。

RC梁受彎開裂和屈服后會發(fā)生軸向伸長[5_6]，此現(xiàn)象是由RC梁受彎形心軸位于受拉區(qū)，以及縱筋殘余變形、混凝土接觸壓力和塑性鉸區(qū)剪力傳遞機制引起的[5,7]。實際結(jié)構(gòu)中梁伸長會受到現(xiàn)澆板、抗側(cè)力構(gòu)件等周邊構(gòu)件的約束作用，從而在梁中產(chǎn)生了不可低估的軸力(梁軸向約束效應)，影響構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗震性能[8_11]。Zerbe和Durrani[9]對一個2跨連續(xù)RC梁柱子結(jié)構(gòu)進行了低周往復加載試驗，研究發(fā)現(xiàn)一榀框架周邊柱對梁伸長的約束作用在梁中產(chǎn)生的約束軸力增加了節(jié)點區(qū)域抗剪負擔，導致節(jié)點區(qū)域混凝土損傷加重，箍筋應變增大。Kim等[12]通過數(shù)值模擬分析梁軸向伸長效應可能會導致梁柱節(jié)點抗剪需求增加。軸向約束效應在梁中產(chǎn)生的約束軸力對梁柱節(jié)點的受力機理及抗震性能的影響尚不明確。此約束軸力一方面會增加梁柱節(jié)點抗剪需求，另一方面也會影響節(jié)點抗剪承載力，而節(jié)點實際抗震性能是取決于抗剪需求和能力之間的相對關(guān)系。目前相關(guān)研究缺乏，亟待開展考慮梁軸向約束效應的RC梁柱節(jié)點受力機理和抗震性能研究。

本文首先對梁中約束軸力影響節(jié)點抗剪需求和抗剪能力進行理論分析。進一步采用等效約束裝置代替周邊構(gòu)件對梁伸長的約束作用，以RC梁柱子結(jié)構(gòu)為對象進行低周反復加載擬靜力試驗，直接量測因梁伸長受約束時產(chǎn)生的被動軸力，研究軸向約束剛度大小、梁縱筋配筋率等因素對梁軸向約束效應的影響，重點考察研究軸向約束效應對節(jié)點抗震性能的影響。本文為進一步完善RC框架結(jié)構(gòu)抗震延性設計提供理論基礎。

1 考慮軸向約束效應的RC梁柱節(jié)點受力機理分析

RC梁中約束軸力與柱中軸力、預應力梁中預加軸力不同，其是梁受彎損傷軸向伸長受到周邊構(gòu)件約束時而產(chǎn)生的被動軸力，此軸力出現(xiàn)在梁受彎開裂和鋼筋屈服后，且隨梁非線性變形的增加而增加。本節(jié)將分析梁約束軸力對節(jié)點抗剪需求、傳力機制及抗剪能力的影響。

1.1 梁約束軸力對節(jié)點抗剪需求影響

基于能力設計原理的RC框架結(jié)構(gòu)，節(jié)點抗剪需求設計值是以節(jié)點兩邊所連梁端分別在正、負彎矩下達到屈服后，依據(jù)“強剪弱彎”原則確定的[13]。強震下，RC梁、柱端作用給節(jié)點的力如圖1所示。當梁中無軸向力時，節(jié)點受力如圖1(a)所示，節(jié)點實際抗剪需求Vj計算公式為：

式中：Cs,l、Cc,l分別為節(jié)點左側(cè)梁端受壓區(qū)鋼筋壓力、混凝土壓力；Tl、Tr分別為節(jié)點左側(cè)和右側(cè)梁端受拉區(qū)縱向鋼筋拉力；Vc,u為上柱所受剪力。梁受彎產(chǎn)生的Cs,l+Cc,l與Tl相等。

圖1 梁柱節(jié)點受力圖Fig.1 Force diagrams in RC beam-column joint

梁受彎損傷軸向伸長受約束時，會在梁中產(chǎn)生不可低估的約束軸力。此約束軸力作用在節(jié)點兩側(cè)梁端受壓區(qū)，如圖1(b)所示。梁中存在軸力時，節(jié)點抗剪需求為式(2)。

式中：Nl為節(jié)點左側(cè)梁中軸力；Ns,l、Nc,l分別為節(jié)點左側(cè)梁軸力在梁端受壓區(qū)縱筋中和混凝土中產(chǎn)生的壓力。

梁端受彎屈服后，左右梁端受拉鋼筋拉力之和Tl+Tr幾乎無變化。而梁中約束軸力會提高梁抗彎承載力，由節(jié)點力矩平衡可知，柱端彎矩也會相應增大，因而導致柱中剪力Vc,u增大。此外，節(jié)點一側(cè)的梁中約束軸力Nl有一部分會直接傳遞至柱中，形成柱剪力。因此，考慮梁中軸力后，節(jié)點抗剪需求的變化取決于約束軸力Nl和上柱剪力Vc,u相對變化量Nl_Vc,u。

1.2 梁約束軸力對節(jié)點抗剪機理和承載力影響

節(jié)點核心區(qū)軸力的出現(xiàn)將會影響節(jié)點傳力機制，進而影響節(jié)點抗剪承載力。節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)軸力的情況有兩種：柱中軸力和梁中軸力。

柱中軸力主要是結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生的。柱中軸力主要影響穿過節(jié)點區(qū)的梁縱筋和“斜壓桿機構(gòu)”中主壓應力的大小和方向進而對節(jié)點區(qū)傳力機制和抗震性能產(chǎn)生影響[14]。柱中軸力可在一定的非彈性變形范圍內(nèi)適度減小梁縱筋貫穿段的粘結(jié)應力退化和滑移，減小主要因節(jié)點開裂而形成的節(jié)點剪切變形，但即使在中等及偏低剪壓比條件下，柱軸壓比的增大也不能改善梁柱組合體的延性性能；而當節(jié)點剪壓比偏高時，節(jié)點區(qū)交叉斜裂縫的發(fā)展將對梁筋粘結(jié)產(chǎn)生不利影響，在很大程度上削弱了柱中軸壓力對梁筋粘結(jié)的有利作用，同時，隨著柱軸壓比增大，將增大核心區(qū)斜壓混凝土的壓應力，使核心區(qū)混凝土處于更為不利的受力狀態(tài)，梁柱組合體在節(jié)點發(fā)生剪切失效前所能達到的位移延性將逐步降低，給節(jié)點抗震性能帶來不利影響[15_16]。因此，節(jié)點抗剪公式中不能像柱抗剪那樣全面考慮柱中軸壓力的有利影響，現(xiàn)行抗震規(guī)范節(jié)點抗剪能力計算公式見文獻[13]式(D.1.4-1)。

梁中出現(xiàn)軸力的情況可以分為兩種：一種是預應力梁；另一種則是本文重點研究的考慮梁軸向約束效應在梁中產(chǎn)生約束軸力。對于預應力梁，其梁柱節(jié)點核心區(qū)混凝土受到了預應力筋傳來的預壓力，由于梁中預壓應力作用使節(jié)點核心區(qū)受到豎向的柱壓力和水平向的預壓力，為平面雙向受壓狀態(tài)，可約束混凝土變形，明顯提高節(jié)點核心區(qū)混凝土的抗剪強度[17_18]，此外，梁中預應力使核心區(qū)混凝土主拉應力有所減小，提高了節(jié)點抗裂度。當預應力筋從一個方向或兩個方向穿過節(jié)點核心區(qū)，設置在梁截面高度中部1/3范圍內(nèi)時，節(jié)點抗剪承載力在文獻[13]式(D.1.4-1)基礎上增加 0.4Npe，計算公式見文獻[19]式(4.4.1-2)。Npe為作用在節(jié)點核心區(qū)預應力筋的總有效預加力，新西蘭混凝土規(guī)范NZS 3101-1[20]中此值取為0.7倍梁截面高度中部1/3范圍內(nèi)預應力鋼筋的有效合力。

雖然，梁受彎損傷軸向伸長受到周邊構(gòu)件約束時而產(chǎn)生的被動軸力同樣會通過梁端傳遞至節(jié)點區(qū)，但與預應力梁中的預應力作用相比，梁中約束軸力可能不會顯著改善梁和節(jié)點抗裂能力，此外，也不能像柱中軸力一樣明顯改善節(jié)點區(qū)梁縱筋的粘結(jié)退化和滑移。約束軸力主要出現(xiàn)在節(jié)點受力第一階段[14]中梁縱筋屈服后至梁縱筋開始全面粘結(jié)退化，以及第二受力階段[14]，主要影響“斜壓桿機構(gòu)”。即使不考慮梁中約束軸力與預應力梁中軸力的差異，結(jié)合式(2)和文獻[19]式(4.4.1-2)，梁中約束軸力對抗剪需求的影響比抗剪能力的影響大。

綜合上述分析：一方面，梁軸向約束效應在梁中產(chǎn)生的約束軸力，會造成節(jié)點軸力和柱剪力增大，導致節(jié)點抗剪需求增加；而另一方面，約束軸力的出現(xiàn)會影響節(jié)點區(qū)梁縱筋粘結(jié)滑移性能和節(jié)點抗剪斜壓桿機構(gòu)主壓應力的大小和方向，節(jié)點抗震性能取決于約束軸力對節(jié)點抗剪需求和能力影響的動態(tài)關(guān)系。本文將采用試驗研究進一步研究梁軸向約束效應，揭示此效應對節(jié)點抗剪需求和能力的影響規(guī)律，探究其對節(jié)點實際抗震性能的影響。

2 試驗概況

2.1 試驗設計

試驗原型為一榀 3層 4跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。以底層中間跨梁柱反彎點處的“十字型”梁柱子結(jié)構(gòu)作為試驗研究對象，共設計了6個1/2比例的試件，試件尺寸完全相同。梁截面250 mm×400 mm，柱截面350 mm×300 mm。柱高為1670 mm，柱底鉸支座中心與作動器中心距離為 1600 mm。梁長4260 mm，梁兩端鉸支座中心距為4000 mm，試件尺寸與截面配筋如圖2所示。試驗以約束剛度、梁縱筋配筋率、混凝土強度為試驗變量，通過進行擬靜力試驗，研究梁軸向約束效應對RC梁柱節(jié)點抗震性能的影響。RC梁受彎損傷軸向伸長現(xiàn)象主要出現(xiàn)在梁受彎混凝土開裂和縱筋屈服后，因而試件設計是以梁端先屈服為原則進行的，盡可能保證節(jié)點不先發(fā)生破壞?？紤]到梁軸向約束效應會提高試件的抗彎承載力[9]，試件設計時節(jié)點配箍量在抗震等級為二級的框架結(jié)構(gòu)相應要求基礎上進行了適當?shù)奶岣?，?jié)點區(qū)配筋見表1。

圖2 試件尺寸與截面配筋圖/mmFig.2 Specimen dimensions and reinforcement details

表1 試驗模型參數(shù)Table 1 Experimental parameters of specimens

試驗模型參數(shù)見表1。構(gòu)件編號由一位數(shù)字和一個字母組成。數(shù)字表示梁上部縱筋配筋率大?。?表示低配筋率，4表示高配筋率；字母表示有無約束作用及約束剛度的高低：N表示無約束，L表示低約束，H表示高約束。3N、3L、4N、4L混凝土強度為 C35，3H、4H混凝土為 C50。試驗試件縱筋采用 HRB400，箍筋采用 HPB300。鋼筋、混凝土實測力學性能如表2所示。

表2 鋼筋、混凝土實測力學性能Table 2 Mechanical properties of steel bars and concrete

2.2 加載裝置及加載制度

試驗加載裝置見圖3。試驗采用柱端主動加載方式。通過與三角反力架和柱頂相連的水平作動器在柱頂施加往復水平位移。梁端設置兩端為鉸支的豎向鏈桿以約束梁端豎向位移。柱上、下端均為鉸支座。

圖3 試驗加載圖Fig.3 Test apparatus

實際框架結(jié)構(gòu)是高次超靜定結(jié)構(gòu)，難以通過試驗的方式直接測量周邊構(gòu)件對梁伸長的約束軸力。本文采用等效約束剛度的方式，從原型結(jié)構(gòu)(3層4跨一榀框架)取出底層中間“十字型”梁柱節(jié)點，采用約束鋼棒等效代替周邊構(gòu)件對此梁伸長的約束，將超靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為靜定結(jié)構(gòu)，即可在試驗過程中直接測量被動產(chǎn)生的約束軸力的大小，研究軸向約束效應對節(jié)點受力機理和抗震性能的影響。

采用有限元分析軟件建立原型結(jié)構(gòu)分析模型，以強柱弱梁破壞模式為前提，考慮構(gòu)件開裂和屈服引起的剛度折減(柱剛度折減系數(shù)取0.5，梁剛度折減系數(shù)取0.5)[21]，以等效力代替底層中間跨梁與周邊構(gòu)件的相互作用，如圖4(a)所示，計算單位力作用下，梁兩端產(chǎn)生的相對位移，最后即可計算得到周邊構(gòu)件對底層中間“十字型”梁柱子結(jié)構(gòu)中梁的約束剛度。根據(jù)剛度相等的原則，采用約束鋼棒等效代替周邊構(gòu)件對試驗對象的約束作用，如圖4(b)所示。經(jīng)計算，約束系統(tǒng)提供的約束剛度應為70 kN/mm，只需要2根直徑約為30 mm的鋼棒。綜合考慮試驗安裝過程中的縫隙等問題，約束鋼棒實際采用兩根直徑為50 mm的鋼棒。50 mm鋼棒對應的約束系統(tǒng)為低約束剛度，而選用60 mm的鋼棒代表高約束剛度。約束裝置如圖4(c)所示。因梁伸長受約束產(chǎn)生的軸向力近似作用在梁軸線上。試驗安裝時，圖4(c)中螺母的位置可以調(diào)節(jié)，既可以考慮試件制作誤差，也可以保證安裝時不會向梁中施加預加軸力。

圖4 軸向約束系統(tǒng)圖Fig.4 Axial restraint system

試驗關(guān)注的重點是梁-柱子結(jié)構(gòu)屈服后的狀態(tài)，為了加載方便，全程采用位移加載控制。試驗加載制度參考ACI 374.1-05(R2014)[22]的要求設置，各加載等級對應的柱頂位移幅依次為 6 mm、8 mm、12 mm、16 mm、24 mm、32 mm、48 mm、64 mm，每一級位移幅值往復循環(huán)3次，加載制度如圖5所示。試驗規(guī)定作動器伸長時(圖3)，柱頂水平位移為正值，反之為負值。

圖5 加載制度圖Fig.5 Lateral loading history

2.3 試驗量測

柱頂水平力由布置在作動器中的拉壓傳感器測量，梁兩端剪力則由設置在梁端鏈桿中的拉壓傳感器測量。約束產(chǎn)生的被動軸力由約束系統(tǒng)左端設置的環(huán)形壓力傳感器測量。柱頂水平位移由布置在柱頂?shù)奈灰朴嫓y得。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 約束剛度與約束軸力

梁中約束軸力是影響節(jié)點抗剪需求和承載力的關(guān)鍵，而約束軸力的大小則取決于梁伸長量和周邊構(gòu)件對梁伸長的約束作用的大小。試驗測得未受約束的試件3N和4N，在位移角為2%時，梁伸長分別為7.36 mm、7.31 mm；位移角為4%時，梁伸長分別為16.60 mm、17.55 mm，為梁高的4.15%、4.39%，梁受彎損傷軸向自由伸長量較大。而受到約束作用時梁伸長量大幅度減?。何灰平菫?%時，3L、4L、3H、4H的伸長量分別為3.11 mm、3.07 mm、4.51 mm、2.89 mm；位移角為4%時，伸長量分別為4.15 mm、3.63 mm、4.52 mm、4.09 mm。等效約束系統(tǒng)約束剛度大小見圖6。

圖6 軸向約束剛度Fig.6 Axial restraint stiffness

整個加載過程中約束剛度是變化的：當梁受彎損傷較小梁伸長量較小時，約束系統(tǒng)中各部件間有少量間隙，約束剛度?。浑S加載位移逐漸增加，梁伸長量增加，約束系統(tǒng)中各部件間隙逐漸填滿，約束剛度逐漸變大。當位移角超過2%，各試件約束剛度增加趨于平緩。試件3L、4L、3H、4H在位移角為2%時，正負加載方向平均約束剛度約為57.7 kN/mm、71.0 kN/mm、97.1 kN/mm和100.9 kN/mm。

4個有約束的試件，梁伸長受約束時在梁中產(chǎn)生的約束軸力與位移角之間的關(guān)系相似。以試件3H為例，約束軸力與位移角如圖7所示。各試件各加載等級第一個加載循環(huán)最大約束軸力與位移角之間的關(guān)系見圖8。

圖7 約束軸力-位移角圖Fig.7 Axial restraint force vs drift ratio

圖8 最大約束軸力軸壓比-位移角圖Fig.8 Peak axial restraint force ratio vs drift ratio

軸壓比計算時，混凝土強度采用實測立方體抗壓強度對應的棱柱體抗壓強度。綜合圖7和圖8可知，4個受約束的試件，位移角在2%時，最大約束軸力軸壓比在0.07~0.17，位移角在4%時，最大約束軸力軸壓比在0.18~0.30。試件最大約束軸力與位移角之間的關(guān)系大致可以分為3個階段：試件屈服前、屈服后至位移角為3%、位移角大于3%。

1)試件屈服前階段：試驗實測梁縱筋屈服對應的位移角在 0.71%~1.28%，屈服之前約束系統(tǒng)約束剛度較小，最大約束軸力隨加載的進行增加緩慢，位移角在1%時，4個試件最大約束軸力軸壓比都在0.02~0.04。

2)試件屈服后至位移角為 3%階段：試件屈服后約束系統(tǒng)約束剛度較大，各試件最大約束軸力隨加載的進行迅速增加。

3)位移角大于3%階段：隨著位移角的增加，梁端損傷也隨之加重，部分試件梁端受壓區(qū)保護層混凝土被壓碎，梁端自身的軸向剛度減小，最大約束軸力隨加載的進行，增加的趨勢減緩，試件3H和4H，同一加載等級不同加載循環(huán)約束軸力出現(xiàn)退化現(xiàn)象。

由圖8可知，約束剛度是影響約束軸力大小的主要因素，試件屈服后，高約束剛度的試件3H和4H最大約束軸力比其他兩個試件的最大約束軸力大。

3.2 試件承載力分析

節(jié)點抗剪需求變化除了取決于梁中約束軸力大小外，還受柱剪力影響。梁中約束軸力的出現(xiàn)會引起梁抗彎承載力增加，從而導致柱中剪力相應增大。

各試件各加載等級第一循環(huán)柱頂水平力Vc,u與位移角的關(guān)系見圖9。6個試件初始剛度差異較小，試件3N和4N屈服后，承載力幾乎不再增長，出現(xiàn)了一個平臺段。與3N配筋相同，但受約束的試件3L和3H，梁中出現(xiàn)了被動約束軸力，試件屈服后承載力繼續(xù)增加，無平臺段出現(xiàn)，試件承載力提高幅度較大。位移角為2%時，試件3L和3H的承載力是試件3N的1.39倍、1.91倍；位移角為4%時是1.80倍和2.45倍。試件4L和4H屈服后也無平臺段出現(xiàn)，屈服后承載力繼續(xù)增加，試件承載力提高幅度較大。位移角為2%時，試件4L、4H的承載力是試件4N的1.45倍、1.78倍；位移角為4%時是1.59倍和2.20倍。

圖9 柱頂水平力-位移角骨架曲線Fig.9 Skeleton curves of lateral load vs drift

3.3 節(jié)點區(qū)抗剪影響分析

由第1節(jié)節(jié)點受力分析可知，當梁中存在約束軸力，節(jié)點實際抗剪需求可由式(2)計算。其中，Nl和Vc,u分別由設置在約束系統(tǒng)左端的環(huán)形壓力傳感器和設置在柱頂作動器中的拉壓傳感器測得；而節(jié)點左右兩側(cè)梁端縱筋拉力Tl、Tr則根據(jù)鋼筋的屈服強度和受拉應變硬化特性計算得到。試驗實測梁縱筋屈服對應的位移角在0.71%~1.28%，因而假定當位移角大于等于1.5%時，考慮梁縱筋的受拉應變硬化，梁縱筋中的拉力等于屈服力乘以強化系數(shù)1.25。各試件在位移角為 1.5%~4%，節(jié)點區(qū)抗剪需求見表3。

表3 節(jié)點抗剪需求/kNTable 3 Shear force demands in joints

由表3可知，與梁端配筋相同的無約束3N試件相比，位移角為±2%時，3L、3H的抗剪需求平均提高了1.31、1.68倍；位移角為±4%時，提高倍數(shù)為 1.73、2.22倍。與梁端配筋相同的無約束 4N試件相比，位移角為±2%時，4L、4H的抗剪需求平均提高了1.14、1.46倍；位移角為±4%時，提高倍數(shù)為1.34、1.86倍。式(2)中，梁端配筋相同的試件Tl+Tr相同，雖然梁端有約束的試件承載力有所提高，柱頂水平力Vc,u變大，但相比于梁中軸力Nl，Vc,u變化的幅度小，因此有約束的試件中Nl-Vc,u增大較多，試件節(jié)點區(qū)抗剪需求變化較大。

由文獻[13]式(D.1.4-1)計算未考慮梁中約束軸力影響時節(jié)點區(qū)抗剪承載力。計算過程中取RE＝1.0，系數(shù)?j＝1.0，且暫不考慮軸力的影響，節(jié)點區(qū)箍筋配置和箍筋強度均相同，僅混凝土項中混凝土強度存在差異。試件3N、3L、4N、4L、3H、4H混凝土抗拉強度平均值分別取 2.51 MPa、2.51 MPa、2.65 MPa、2.32 MPa、2.15 MPa、2.58 MPa，則節(jié)點抗剪承載力Vu分別為1387 kN、1387 kN、1404 kN、1365 kN、1346 kN、1395 kN。

各試件在位移角為1.5%~4%時，節(jié)點抗剪需求與抗剪承載力的比值見圖10。位移角為1.5%~4%，6個試件節(jié)點抗剪需求比為 0.35~0.85，均未超過1.0。梁端無約束的試件 3N和 4N，位移角為1.5%~4%時承載力變化較小，因此節(jié)點抗剪需求比變化較小。而有約束的試件，約束軸力隨位移角增加而增大，因而節(jié)點抗剪需求比隨位移增加而增大。約束軸力增大了試件的抗剪需求比。約束剛度大的試件3H和4H節(jié)點抗剪需求比大于約束剛度較小的試件3L和4L，3L和4L的節(jié)點抗剪需求比又大于無約束的試件3N和4N。

圖10 節(jié)點抗剪需求比Fig.10 Shear demands and capacity ratios

梁端縱筋配筋高的試件受拉縱筋拉力Tl+Tr比低配筋率的大，而在約束剛度相當時，雖然高配筋率試件承載力稍高，梁縱筋配筋率對約束軸力的影響不顯著。綜合這幾項因素，約束剛度相當時，配筋率高的試件節(jié)點區(qū)抗剪需求比配筋率低的高。

因試件設計時節(jié)點區(qū)進行了加強處理，箍筋配置比規(guī)范計算的多，因而在整個試驗過程中節(jié)點抗剪需求比均未超過1.0，可以認為節(jié)點區(qū)并未發(fā)生受剪破壞。但梁中軸力的出現(xiàn)較大地增加了節(jié)點區(qū)的抗剪需求，加大了節(jié)點區(qū)發(fā)生受剪破壞的風險。

3.4 節(jié)點區(qū)損傷特征

以下從節(jié)點區(qū)損傷情況來研究梁中約束軸力對節(jié)點抗剪性能的影響。整個加載過程中節(jié)點區(qū)域裂縫寬度記錄于圖11。試驗過程中6個試件損傷發(fā)展過程如下：加載初期，位移角在0.375%~0.5%，梁端受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)少量受拉裂縫，裂縫寬度在0.1 mm~0.4 mm，節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)少量剪切裂縫，裂縫寬度在0.05 mm~0.1 mm；隨著水平加載位移不斷增大，梁端受拉裂縫和節(jié)點剪切裂縫不斷開展，數(shù)量增加，裂縫長度逐漸延伸；各試件在位移角為0.71%~1.28%，梁端縱筋出現(xiàn)受拉屈服，梁端裂縫數(shù)量仍較少，部分裂縫出現(xiàn)貫通，裂縫寬度在0.3 mm~1.25 mm，節(jié)點區(qū)域剪切裂縫逐漸增多，裂縫寬度在0.05 mm~0.2 mm；試件屈服后至位移角為2%階段，梁端裂縫數(shù)量仍在增多，多條裂縫已貫通，裂縫寬度在 0.75 mm~2.0 mm，節(jié)點區(qū)域裂縫數(shù)量和裂縫寬度也都在增加，裂縫寬度在0.15 mm~0.5 mm，節(jié)點區(qū)斜裂縫將節(jié)點區(qū)分割成了多個菱形塊，如圖12(a)所示；位移角在3%~4%階段，梁端新增裂縫數(shù)量較少，裂縫寬度不斷增大，寬度大于2.0 mm，混凝土出現(xiàn)剝離和壓碎現(xiàn)象，節(jié)點區(qū)域裂縫數(shù)量少量增加，裂縫寬度增加較少，寬度在0.4 mm~0.5 mm，試件4L節(jié)點區(qū)裂縫稍寬，節(jié)點區(qū)部分菱形塊表面起酥脫落，部分試件節(jié)點區(qū)域柱邊混凝土出現(xiàn)剝離，如圖12(b)所示。整個試驗過程中，六個試件柱中縱筋均未屈服，柱端只有少量的寬度較小的裂縫。受約束的試件節(jié)點區(qū)損傷比無約束的試件嚴重。試件 4L混凝土強度較低，在位移角為 3%時節(jié)點區(qū)裂縫寬度就已經(jīng)達到1.5 mm，混凝土剝落現(xiàn)象也比較嚴重。約束剛度大混凝強度高的3H試件，在位移角3%后節(jié)點區(qū)裂縫寬度也較大。

圖11 節(jié)點區(qū)裂縫寬度Fig.11 Width of inclined shear cracks in joint zone

綜合上述分析，梁受彎損傷軸向伸長受“周邊構(gòu)件”約束時，梁中會產(chǎn)生較大的被動約束軸力。受此軸力的影響，梁抗彎承載力出現(xiàn)較大幅度提高，考慮約束軸力和上柱剪力的影響，節(jié)點抗剪需求增大，受約束試件抗剪需求比增大，節(jié)點發(fā)生剪切破壞的風險增大。因試件設計對節(jié)點進行了專門的加強處理，六個試件均未發(fā)生剪切破壞，但受約束試件節(jié)點區(qū)損傷程度均比無約束試件的嚴重。

圖12 節(jié)點區(qū)損傷分布Fig.12 Damage condition of specimens

4 結(jié)論

從上述考慮軸向約束效應的RC梁柱節(jié)點受力機理分析以及6個鋼筋混凝土梁柱子結(jié)構(gòu)試驗的試驗結(jié)果和相關(guān)分析可得出以下結(jié)論：

(1)梁中存在的被動約束軸力同時會影響節(jié)點抗剪需求和節(jié)點區(qū)傳力機制與抗剪能力，約束軸力對節(jié)點抗剪需求的影響比抗剪能力的影響大。

(2)梁受彎損傷軸向伸長受到周邊構(gòu)件約束時產(chǎn)生的被動軸力較大。位移角為 2%~4%時，約束軸力軸壓比在 0.07~0.30，約束剛度越大約束軸力越大。

(3)梁中約束軸力的出現(xiàn)，較大幅度提高了梁的抗彎承載力。位移角為 2%~4%時，與無約束試件相比，梁柱子結(jié)構(gòu)承載力提高了1.39倍~2.45倍。

(4)考慮梁軸向約束效應，節(jié)點抗剪需求大幅度提高。位移角為2%~4%時，與無約束試件相比，受約束試件節(jié)點抗剪需求提高幅度在1.14倍~2.22倍，節(jié)點區(qū)斜裂縫寬度較大，損傷情況相對嚴重。

應當指出的是，本文暫未考慮有樓板存在的情況，也未考慮柱中軸力的影響，試件設計是以梁端先屈服的原則進行的，對柱和節(jié)點進行了特別的加強處理，同時實際結(jié)構(gòu)中梁受到的約束作用會隨著結(jié)構(gòu)進入非線性的程度而減弱，約束剛度是變化的，此外試驗試件數(shù)量有限。