板柱邊節點抗震性能研究

黃 強，付瑞佳，李 林，傅劍平

（1.重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶400045；2.建研科技股份有限公司，北京100013；3.中國建筑西南設計研究院有限公司，成都610041）

板柱結構是由柱和支撐在柱上的不帶梁的板所構成的結構。通常在荷載比較小并且跨度也不大的情況下可以采用這種結構形式。采用板柱結構可降低建筑物的總高，降低建筑物的造價，增加經濟效益；并且在施工時，模板安置簡單，鋼筋綁扎方便，可以加快施工進度，因此板柱結構越來越受到人們的青睞。但是在板柱節點的連接區會產生很大的剪應力，板柱連接區容易發生脆性的沖切破壞，甚至引起整個結構的連續倒塌［1］，其次在使用荷載下，板容易在柱子周圍產生寬度較大的裂縫，這些裂縫將會導致板柱連接區剛度的進一步降低和板過大的變形；另外，板柱結構的樓板厚度比一般框架或剪力墻結構的樓板都要大，從抗震的角度來考慮，樓板的自重大，使得本來側向剛度就比較弱的板柱結構體系更不利。試驗研究結果證明，在剪力和不平衡彎矩的共同作用下，板柱連接區可能發生兩種破壞形態：彎曲破壞和沖切破壞。板柱連接區具有典型的彎剪扭共同作用的三維受力特點，受力分析非常復雜，到現在為止，國內外對連接區的不同破壞形態和傳力機理還沒有得到比較一致的認識，計算方法也不是很完善。因此有必要進行更深入的試驗研究和理論分析。此外，雖然近年來對混凝土板柱結構已有許多研究，但大多數集中在內柱節點，而忽視了邊、角柱節點的研究。因此，本文在總結了國內外試驗資料的基礎上［2－12］，進行了3個板柱邊節點試件的試驗研究［13］，其中有兩個節點采用了抗沖切螺栓，考察了試件的滯回曲線、裂縫開展情況、各層間位移角下的鋼筋應變分布、板柱連接區的破壞過程等內容，并進一步探討沖切錨栓對板柱連接區的強度、側向剛度、延性和側向變形能力的影響，運用通用有限元程序ABAQUS對本次試驗的三個構件進行模擬，對模擬得到的裂縫分布、鋼筋應變和荷載位移曲線與試驗值進行了對比分析。

1 原型試件

為敘述方便，用BZ1、BZ2、BZ3對此次試驗中的構件進行編號。所有3個構件的柱截面尺寸、柱子高度、板厚、板的尺寸、板的縱筋的配置情況完全一樣，見圖1；試件BZ2、BZ3配置的抗沖切螺栓及間距見圖2（a）、（b），螺栓直徑為8mm，長110mm；BZ1沒有配置抗沖切螺栓。各試件配筋見表1。

圖1 試件設計詳圖

圖2 抗沖切錨栓布置圖

表1 各試件的配筋表

試驗主要研究板柱邊節點在自重和水平荷載共同作用下的受力性能。水平力通過作用在板邊的作動器施加的豎向力來實現；試驗采用逐級對稱反復加載的加載制度，并以位移進行控制。試驗加載裝置圖如圖3所示。試驗進行到后期，需要對試件何時失效作出判斷，試驗采用以下規定：當試件突然發生沖切破壞或者最大承載力下降到包絡線最大值的85%以下時，即可終止試驗，并認為此時試件發生破壞。

圖3 試驗加載裝置

2 主要試驗結果

2.1 試驗現象

3個構件的試驗方法、幾何尺寸、板的鋼筋分布都一樣，因此破壞形態的差異主要是由錨栓的布置引起的。從裂縫的角度看，沒有配置錨栓的BZ1，在板的自由面上的斜裂縫數量少，但是寬度大，而配置了錨栓的BZ2和BZ5板自由面上的裂縫數量相對較多，裂縫的寬度相對較小。3個構件相同的是，裂縫都是在柱邊附近的板上首先出現裂縫，然后再向外擴展延伸，最終的裂縫模式都是柱兩側邊的板面產生斜向的扭轉裂縫，柱正面的板面產生大量徑向裂縫，圍繞柱子存在環向裂縫。從破壞荷載的角度看，配置了較多數量錨栓的BZ5的最大受壓承載力是77kN，最大受拉承載力是101kN，配置了較少數量錨栓的BZ2的最大受壓承載力是66.7kN，最大受拉承載力是90kN，沒有配置錨栓的BZ1的最大受壓承載力是64kN，最大受拉承載力是81kN。可見，錨栓的配置明顯地提高了構件的承載能力，而且在一定范圍內，承載能力隨著錨栓配置量的增多而增大。從層間變形能力方面來看，未配置錨栓的BZ1到達最大受壓承載力時層間位移角是0.9%，承載力下降至峰值的85%時層間位移角是1.5%；配置較少數量錨栓的BZ2到達最大受壓承載力是層間位移是1.2%，承載力下降至峰值的85%時層間位移角是3.9%；配置較多數量錨栓的BZ5到達最大受壓承載力時層間位移是1.5%，承載力下降至峰值的85%時層間位移角是4.3%。由此可見，錨栓明顯提高了構件的層間變形能力。

2.2 滯回曲線

圖4給出了3個試件的“板邊荷載 位移”滯回曲線對比圖。從圖中不難看出，3個試件均經歷了混凝土開裂前的彈性階段、承載力達到峰值強度前的非線性階段以及下降段。3個試件的滯回曲線都不是很飽滿，說明板柱邊節點的耗能性能不是很好；另外由圖4還可知，配置了錨栓的BZ2和BZ5試件，其承載力和層間變形能力均高于未配置錨栓的BZ1試件。

2.3 延性及變形能力

圖4 各試件的P－Δ滯回曲線

延性是反映結構塑性變形能力、衡量結構抗震性能好壞的重要指標。結構或構件的延性一般采用延性系數來表示，延性系數的定義是結構或構件最大變形與屈服變形的比值，它可以用位移、轉角和曲率的比值來表示，3個試件的延性評價以位移延性系數作為指標，其中屈服位移的確定參照了Robert Park［14］給出的“基于等效耗能能力”計算模式。3個試件的延性特征參數見表2。

表2 延性特征參數

從上表可以看出，沒有配置錨栓的位移延性系數較小，配置了錨栓的BZ2和BZ5的位移延性系數則顯著提高。

3 有限元分析

采用大型通用商業軟件ABAQUS進行有限元分析。混凝土本構模型采用考慮了塑性損傷的規范單軸應力-應變模型［15］；鋼筋則采用彈塑性加硬化的三折線模型。混凝土與鋼筋的粘結滑移則通過延長受拉軟化曲線、簡單近似考慮鋼筋和混凝土之間界面效應的方式予以考慮，認為混凝土開裂后應力并未完全釋放，仍有一部分抗拉能力，從而模擬鋼筋在混凝土單元裂縫間荷載傳遞。混凝土部分采用三維實體單元C3D8R進行模擬，鋼筋則采用三維二節點線性桁架單元T3D2來模擬。將程序計算得到的骨架曲線與通過試驗獲得的骨架曲線進行對比，如圖5所示。

從上圖可以看出，程序計算結果與試驗結果在骨架曲線的上升階段符合得較好；而到了下降段，由于試件產生了較寬裂縫，鋼筋與混凝土之間的相對滑移比較嚴重，程序考慮粘結滑移的方式不能較好地處理該問題，因此兩者的下降段曲線有一定的差異。

圖5 試驗與計算的荷載 位移曲線對比

通過對比程序受拉損傷云圖與試件裂縫分布圖，發現兩者趨勢基本一致，即靠近柱子的周圍，損傷情況比較嚴重，該處也是裂縫集中開展的部位；通過對比程序鋼筋應變分布圖與試驗結果發現，靠近柱子的鋼筋、錨栓，應變均較大，而遠離柱子的鋼筋或錨栓，應變則較小。

4 結 論

1）配置抗沖切錨栓，可以顯著提高板柱邊節點的承載能力、變形能力以及抗震性能，在一定范圍內，板柱邊節點的承載能力、變形能力和抗震性能隨著配置抗沖切錨栓數量的增多而提高。

2）板柱邊節點的自由邊靠近柱子處是薄弱部位，該部位很容易產生貫通的交叉斜裂縫，從而降低構件的承載力和抗震性能，該部位應該采取一定的措施加強。

3）2個配置抗沖切錨栓的板柱邊節點達到極限荷載時的最小層間位移角為3／200，滿足我國現行規范的限值要求；配置錨栓的兩個試件延性為3.7～5.3，達到了中等延性水平。

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［13］李林.板柱邊節點抗震性能試驗研究及有限元分析［D］.重慶大學，2011.

［14］R.帕克，T.波利，著.鋼筋混凝土結構［M］.秦文鉞等，譯.重慶：重慶大學出版社，1985.

［15］中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范GB50010－2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.