配置500MPa縱筋鋼筋混凝土框架頂層端節(jié)點抗震性能試驗研究

朱愛萍，肖從真，黃小坤

（中國建筑科學研究院，建研科技股份有限公司，北京 100013）

在地震作用下，混凝土框架頂層端節(jié)點無論受負彎矩還是正彎矩作用，根據(jù)力的平衡原理，梁端彎矩Mb與柱端彎矩Mc平衡，梁端剪力Vb與柱端軸力Nc平衡，梁端軸力值Nb與柱端剪力值Vc平衡。也就是說，對任意一個經(jīng)節(jié)點內(nèi)折角的斜截面（圖1中Ⅱ、Ⅲ截面）中的彎矩值總是等于梁端（截面Ⅳ）和柱端（截面Ⅰ）的彎矩值，頂層端節(jié)點連接區(qū)可以視為一根截面尺寸不同的90°的折梁［1］。目前，新西蘭的學者認為節(jié)點區(qū)中的“斜壓桿機構(gòu)”和“桁架機構(gòu)”共同承擔水平剪力和豎向剪力，而美國設計思路認為節(jié)點是受剪力較大的特殊柱段，只要箍筋提供足夠的約束，就可以保證節(jié)點受力性能。

圖1 頂層端節(jié)點在負彎矩作用下受力狀態(tài)Fig.1 Stress status of top story corner joint under negative moment

大量的構(gòu)件試驗已經(jīng)表明［2－9］，由于500MPa的鋼筋的彈性模量與HRB335的彈性模量差別很小，配置500MPa縱筋構(gòu)件的屈服位移就會相應增大，縱筋屈服時鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能將變差，當通過頂層端節(jié)點的梁柱縱筋采用500MPa級鋼筋時，梁柱鋼筋由于承擔節(jié)點負彎矩需要彎折搭接，而鋼筋的搭接性能以及梁柱鋼筋在承擔節(jié)點正彎矩的錨固性能是否能夠滿足抗震性能，需要進行驗證。此外，在地震的雙向交替斜壓作用下，節(jié)點區(qū)混凝土將發(fā)生明顯的橫向變形，為了滿足節(jié)點的延性需求，節(jié)點箍筋必須提供足夠的約束，現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010—2010）［10］對節(jié)點中箍筋所采用的構(gòu)造措施和計算方法能否滿足節(jié)點在結(jié)構(gòu)中的抗震性能要求也需要進行驗證。

對6個接近足尺并配置500MPa級縱筋的框架頂層端節(jié)點進行了低周反復加載試驗，對在不同軸壓比、不同負彎矩鋼筋搭接長度、不同正彎矩鋼筋相對錨長、不同剪壓比、不同配箍特征值等參數(shù)對框架頂層端節(jié)點抗震性能的影響，得出配置500MPa級縱筋的框架頂層端節(jié)點合理的抗震受力性能，并與配置HRB335級縱筋節(jié)點的受力性能進行對比，對采用不同延性指標評價配置不同強度鋼筋節(jié)點的延性性能差異進行了討論，為500MPa級抗震框架頂層端節(jié)點設計提供依據(jù)。

1 試驗方案及加載制度

試驗加載裝置如圖2所示。節(jié)點組合體尺寸及配筋如圖3所示，各試件主要數(shù)據(jù)見表1。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test setup

圖3 試件尺寸及配筋示意Fig.3 Reinforcement plan for specimens

為模擬節(jié)點實際受力情況，在施加水平力之前，利用豎向作動器在橫梁中點施加豎向恒定集中力N，并在整個水平力施加過程中保持該豎向集中力不變。試驗中由梁端部的水平作動器對試件施加低周反復荷載。開始試驗時，水平作動器先采用力加載方式，正向推至梁端上部縱筋（或柱外側(cè)縱筋）受拉屈服，隨后卸載至零，再反向拉至梁下部縱筋屈服。隨后根據(jù)正、反向屈服位移整數(shù)倍進行位移加載，每個位移水準下循環(huán)兩周，到水平荷載下降至峰值水平荷載85%認為試件失效。試件失效時并不停止試驗，繼續(xù)加載考察節(jié)點梁柱負彎矩鋼筋的搭接性能以及梁端下部縱筋受拉錨固性能。試驗節(jié)點箍筋采用HRB335鋼筋，fcu150為150mm立方體壓塊（一組3個）試驗當天實測強度平均值。

表1 頂層端節(jié)點參數(shù)表Table 1 The parameters of specimens of corner joint in reinforced concrete frames

2 主要試驗結(jié)果分析

2.1 試件主要參數(shù)及位移延性系數(shù)

表2給出了主要試驗結(jié)果。各試件采用了HRB500級縱筋，其屈服應變明顯大于HRB335級鋼筋的屈服應變，梁端屈服時節(jié)點區(qū)、梁端與柱端的裂縫數(shù)量明顯比采用HRB335級鋼筋的試件多，組合體非線性變形程度較大，其屈服位移比HRB335級鋼筋試件有較大增長，而達到極限狀態(tài)下的變形略大或大致相當，從而導致最終試件失效時的位移延性系數(shù)偏低。總體上講試件KJ－04、KJ－05和KJ－06不論正向加載（梁端負彎矩作用）還是反向加載（梁端正彎矩作用）達到失效時的層間位移角或位移延性系數(shù)均大于 KJ－01、KJ－02和 KJ－03試件，這與KJ－04～KJ－06節(jié)點作用的剪壓比偏低以及節(jié)點的配箍特征值相對較大有關(guān)系。圖4為6個試件試驗結(jié)束時的外觀。

圖4 試件破壞外觀Fig.4 Failure patterns of specimens

表2 各試件的主要試驗結(jié)果Table 2 Experimental results of specimens

2.2 各試件的破壞形態(tài)和滯回曲線

6個試件的荷載－位移滯回曲線如圖所示5。所有試件滯回曲線的再加載段均表現(xiàn)出不同程度的捏縮現(xiàn)象。梁端鋼筋粘結(jié)滑移與裂縫閉合引起的捏縮：試件在正向加載弧范圍出現(xiàn)粘結(jié)破壞，形成節(jié)點外推裂縫，外推裂縫張開過程中荷載低變形大。在受力初期，外推裂縫導致節(jié)點頂部破損不嚴重，隨后加載剛度可以進一步升高，導致滯回曲線形成捏縮。這是框架頂層端節(jié)點在反復受力時的特有現(xiàn)象。在正彎矩作用下節(jié)點出現(xiàn)外推裂縫，反向加載（梁端正彎矩作用）外推裂縫張開后，彎弧外混凝土被推開。反向加載結(jié)束正向加載開始時，外推裂縫難以閉合，負彎矩筋彎弧也未能與彎弧內(nèi)混凝土重新接觸。隨著正向加載的繼續(xù)，鋼筋先要在節(jié)點頂部滑移一段距離，待彎弧和混凝土重新接觸后試件剛度才開始增大，而這必然造成滯回曲線中的捏縮現(xiàn)象。試件KJ－05和KJ－06在節(jié)點頂部柱筋彎弧處加設了豎向短筋，它和頂部箍筋一起對彎弧外混凝土形成了較好的約束效果，這一構(gòu)造措施能有效防止節(jié)點中外推裂縫的進一步發(fā)展。節(jié)點核心區(qū)裂縫引起的捏縮：在反復加載條件下，節(jié)點區(qū)域會形成由主拉應力作用下產(chǎn)生的斜向網(wǎng)格狀裂縫，斜裂縫的交替張開，閉合也將使滯回曲線產(chǎn)生捏縮，由于節(jié)點內(nèi)的主拉應力裂縫較配置335級鋼筋試件大很多，節(jié)點主拉應力裂縫引起的捏縮更加明顯。

圖5 各試件荷載－位移滯回曲線圖Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.3 試件耗能、剛度退化、承載力退化分析

試件采用等效粘滯阻尼系數(shù)heq來衡量其耗能能力。各試件的等效粘滯阻尼系數(shù)隨位移比變化如圖6。位移比為1.0時各試件的卸載線和加載線斜率相近，等效粘滯阻尼系數(shù)heq均較小。各試件的heq從位移比2.0開始普遍增大，除KJ－2外增幅較明顯。隨后heq保持平緩降低，僅KJ－2在位移比3.0之后都沒有降低。延性系數(shù)較高的試件KJ－04耗能性較好。

各試件剛度的退化如圖7。總體上隨位移比的增大而減小，各試件剛度的退化程度沒有過于明顯的差別，但依然可以看出剪壓比較低、配箍特征值較大的試件KJ－03～KJ－06其剛度退化較慢，相比之下，剪壓比較高、配箍特征值較小的試件KJ－02、KJ－03剛度退化較快。剪壓比較低、混凝土強度較高的試件KJ－04剛度退化較慢。

圖6 試件的等效粘滯阻尼與位移比關(guān)系Fig.6 The Relationship of viscous resistance and displacement ratio of specimens

圖7 各試件剛度的退化Fig.7 Stiffness degradation of specimens

荷載－位移滯回曲線的骨架曲線能夠反映出加載過程中試件承載力的退化程度如圖8。反向加載承載力（梁端正彎矩作用）退化較快，主要與梁端正彎矩筋在節(jié)點內(nèi)錨固性能退化以及節(jié)點頂部外推裂縫的過度開展直接相關(guān)；位移延性系數(shù)較高的幾個試件承載力退化速度較慢，試件KJ－05節(jié)點負彎矩鋼筋采用梁內(nèi)搭接方式，在正、反向加載下承載力的退化規(guī)律基本相同。正向加載時，在位移比為3.0時試件還保持極高的承載力水平，到位移比為4.0時承載力迅速下降，反向加載時，位移比至2.0達到極限荷載后急劇下降，試件破壞區(qū)域在節(jié)點內(nèi)側(cè)靠近梁端處。就其原因與柱內(nèi)側(cè)鋼筋采用直錨，其錨固長度沒有取鋼筋充分發(fā)揮屈服強度時的長度而引起后期錨固不足，導致粘結(jié)破壞有很大關(guān)系。

圖8 試件的承載力的退化Fig.8 Bearing capacity degradation of specimens

2.4 試件梁端正彎矩的錨固性能分析

試驗中，除KJ－04以外，梁下部鋼筋受拉錨固發(fā)生嚴重退化時試件反向加載的延性系數(shù)均沒有超過3.0。由于KJ－4正彎矩筋的水平錨固長度最長，達到0.72 laE，當荷載下降到峰值荷載的85%時，節(jié)點邊正彎矩裂縫寬度很小。從試件的綜合抗震性能來看，正向荷載下的性能也較好。6個節(jié)點試件下部梁筋在受壓時直到試驗結(jié)束時壓入滑移量均很小，且各試件基本沒有明顯差異，表明試驗試件的下部梁筋受壓錨固滿足要求。受拉時僅有試件KJ－04沒有發(fā)生明顯的粘結(jié)滑移，其余試件在荷載下降到峰值荷載的85%時，發(fā)生下部梁筋滑移量較大的粘結(jié)退化。

2.5 節(jié)點剪壓比限值

綜合比較6個試件的試驗結(jié)果，剪壓比較高的試件抗震性能指標較剪壓比較低的試件差。考慮到配置普通強度鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)非線性動力反應中頂層節(jié)點大震下的位移延性需求小于中間層節(jié)點，可以將滿足抗震延性需求頂層節(jié)點的位移延性系數(shù)需求限值確定為3.0。對于一般框架結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點中的剪壓比通常比中間層節(jié)點低，《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010－2010）中關(guān)于節(jié)點區(qū)的剪壓比不大于0.3的上限條件對500MPa級梁、柱縱筋的頂層端節(jié)點而言要求偏低。根據(jù)試驗結(jié)果，建議對500級梁、柱縱筋頂層端節(jié)點的剪壓比上限條件控制加嚴，建議取0.25，對這一上限條件通常對頂層端節(jié)點是能夠得到滿足的。

2.6 異型節(jié)點與常規(guī)節(jié)點受力機理對比分析

從本次配置500MPa級縱筋的頂層端節(jié)點在柱筋粘結(jié)完全退化前，其節(jié)點受力機理跟配置普通強度鋼筋的節(jié)點類似。其中，節(jié)點水平箍筋既承擔“桁架機構(gòu)”的水平拉力，又承擔對核心區(qū)斜壓混凝土約束所產(chǎn)生的拉力。節(jié)點的柱筋在產(chǎn)生較嚴重粘結(jié)退化后，在正、負彎矩作用下，使薄弱區(qū)發(fā)展貫通，最終導致節(jié)點組合體承載力失效。

3 500MPa級鋼筋節(jié)點與配置HRB335級鋼筋節(jié)點的對比

為便于與梁、柱配置335級鋼筋頂層端節(jié)點試件對比，試驗試件幾何尺寸、鋼筋構(gòu)造方式、試驗加載方案與文獻［1］進行的梁、柱配置335級鋼筋試驗完全相同。試驗結(jié)果中的最顯著規(guī)律是所有試件的位移延性系數(shù)比配置335級鋼筋的試件小很多。經(jīng)分析主要是500級的鋼筋強度比335級的鋼筋強度高很多，而兩者的彈性模量基本相同，造成500級鋼筋達到屈服時的屈服應變比335級鋼筋大，使得配置500級鋼筋的試件在梁端達到屈服時，其梁端、節(jié)點區(qū)的裂縫產(chǎn)生較多，發(fā)展較充分，試件變形呈現(xiàn)出明顯的非彈性特點，試件屈服位移比配置335級鋼筋的試件大很多。在隨后的位移加載循環(huán)過程中，由于Δy增大，即使配置500MPa鋼筋試件達到失效時的絕對變形量Δu不小，但得到的位移延性系數(shù)卻偏低。表3列出了文獻［1］完成的與本文尺寸相同的頂層端節(jié)點梁內(nèi)搭接試件失效時的絕對位移量、位移延性系數(shù)μ以及層間位移角。可以看出，如果以位移延性系數(shù)作為評價試件延性的標準，則配置500MPa級鋼筋試件延性較低，但如以絕對層間位移量（或以試件達到失效時的構(gòu)件極限位移角）來評價，500級鋼筋試件要比HRB335試件塑性變形能力好。對比表2和表3中的數(shù)據(jù)可以看出：除由于混凝土強度偏低，正向位移延性系數(shù)只達到4.0的試件UNIT－12以外，其余試件位移延性系數(shù)均達到6.0以上，比本次試件的延性系數(shù)高出很多；但如果比較兩批試件失效時對應的極限位移角可以發(fā)現(xiàn)，配置500級鋼筋試件達到失效時的絕對變形能力則普遍比配置HRB335級鋼筋的試件大很多。

表3 文獻［1］試件節(jié)點區(qū)主要參數(shù)及試驗結(jié)果Table 3 Experimental results and the parameters of specimens of reference［1］

圖9為文獻［1］完成的縱筋為HRB335級鋼筋試件與本文完成的配置500MPa級縱筋試件在坐標Vj／fcbjhj－ρsvfyv／fc中的位置對比。其中 HRB335級鋼筋試件UNIT－15和500級鋼筋試件KJ－05的位置基本重合，有較強的可比性。圖10給出了試件UNIT－15和KJ－05在同一比例坐標下滯回曲線對比。從圖10中可以看出，試件UNIT－15正向位移延性系數(shù)達到了6.0，而試件KJ－05正向位移延性系數(shù)僅為3.5，兩者相差很大，但KJ－05的絕對位移和層間位移角卻比UNIT－15大。另外，試件UNIT－15所表現(xiàn)的耗能能力要比試件KJ－05好。其他條件相同或相似試件也都有類似的規(guī)律。

圖9 配置500MPa與335MPa鋼筋頂層端節(jié)點與《規(guī)范》公式的關(guān)系Fig.9 The relationship between code formula and top story corner joints with 500MPa and 300MPa rebars

圖10 試件KJ－05與UNIT－15的滯回曲線Fig.10 Hysteretic curves of KJ－05and UNIT－15

4 結(jié) 論

1）對頂層端節(jié)點按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010—2010）規(guī)范中的抗震構(gòu)造措施，當采用500MPa級鋼筋時，試件達到的位移延性系數(shù)較HRB335小，但是試件失效時的構(gòu)件極限位移角卻較配置335MPa級鋼筋的試件偏大。表明采用不同的延性指標作為衡量標準會得出截然不同的結(jié)論，采用什么延性指標來衡量配置高強鋼筋構(gòu)件的延性還需要進一步研究。

2）采用500MPa鋼筋時，現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010—2010）節(jié)點剪壓比上限值0.3偏高，試件剪壓比超過0.25試件的抗震性能都有所下降。建議對配置高強鋼筋的節(jié)點，宜采用0.25作為節(jié)點剪壓比的上限條件。

3）對配置高強鋼筋的節(jié)點，為提高節(jié)點的抗裂能力，避免節(jié)點在梁端屈服前進入明顯的非線性，改善貫穿節(jié)點梁筋的粘結(jié)退化程度，提高梁筋90°彎弧下混凝土的局部抗壓能力和錨固能力，對二級抗震等級以上的框架節(jié)點，建議混凝土強度等級不宜低于C40。

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