鋼纖維混凝土節點核心區抗裂性能試驗研究

張軍偉 周冉

河南農業大學基建處（450002）

鋼纖維混凝土節點核心區抗裂性能試驗研究

張軍偉 周冉

河南農業大學基建處（450002）

通過對鋼纖維高強混凝土框架邊節點試件在低周反復加載下的試驗研究，探討了鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、柱端軸壓比和配箍率等對邊節點核心區抗裂性能的影響。結果表明，隨著鋼纖維體積率、軸壓比和鋼纖維摻加范圍的增大，鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點抗裂荷載呈現增大的趨勢。隨著配箍率的減小，鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點抗裂荷載呈現降低的趨勢。并在普通混凝土框架邊節點核心區斜截面抗裂荷載計算公式的基礎上，提出了鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區斜截面抗裂荷載的計算公式，計算值與試驗值吻合較好。

鋼纖維高強混凝土；框架邊節點；核心區；抗裂荷載

0 引言

在配筋密集的框架節點區域中摻入鋼纖維不但可以顯著增強其受力性能，而且還能夠明顯改善節點區域鋼筋的擁擠狀況，降低施工難度，在高強混凝土框架節點中摻入鋼纖維已成為一種有效的增強和增韌方法受到了極大的關注。但是，國內外對鋼筋鋼纖維高強混凝土框架節點抗裂性能的研究較少。因此，這里通過9個鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點試件在低周反復荷載作用下的試驗研究，探討了鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、軸壓比和配箍率等對框架邊節點核心區斜截面抗裂荷載的影響，并提出了鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區斜截面抗裂荷載的計算公式。

1 試驗概況

選取承重框架中間層端部上、下柱和梁反彎點之間的平面組合體作為試件模型，為實際結構尺寸的1/2。按照《鋼筋混凝土結構設計規范》（GB 50010-2002）的有關規定，采用的試件尺寸和配筋如圖1所示。試件制作時的有關參數稍有變化，分析時以每個試件的實際參數為準。

圖1 節點試件的尺寸和配筋圖

試驗主要考慮了鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、軸壓比和配箍率等試驗參數的影響，設計了A、B、C和D四個系列，共計9個試件，見表1。節點核心區及其梁端1/2梁高范圍內采用體積率為1%的CF60鋼纖維高強混凝土，其余部分用C60高強混凝土。試件制作時，采用鋼錠銑削型纖維（AMI04-32-600），其長徑比為35～40 mm、等效直徑為0.94 mm、抗拉強度≥700 MPa；42.5#高強硅酸鹽水泥，細度模數為2.91的中粗砂，最大粒徑20 mm、連續級配的石子；減水劑為JKH-1型粉狀高效減水劑（FDN），減水率為18%～25%。同時，在制作時每個試件均分別預留混凝土和鋼纖維混凝土材性試塊各12個，用于測試試件的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈拉強度、彈性模量和泊松比。

試驗采用多通道電液伺服動態疲勞試驗系統進行梁端低周反復加載，柱端采用固定在承力架上的2 000 kN油壓千斤頂施加軸向荷載。試驗時先在柱頂用油壓千斤頂對試件施加軸向荷載直至達到預定的軸壓比值，并在試驗過程中保持不變，然后由梁端的電液伺服作動器施加低周反復荷載（或位移）。試驗的前兩個循環采用控制作用力加載，其中第一循環加載至試件屈服荷載計算值的75%，用來模擬正常使用階段的受力狀況。由于研究的重點在于試件的塑性變形階段，第二循環直接加載至試件屈服狀態。之后采用控制位移加載，取梁端屈服時位移的倍數逐級加荷，在每一級位移值情況下循環2次，直至第n次循環的極大荷載值低于最高荷載值的85%左右，試件破壞。

表1 試件主要參數

2 斜截面抗裂荷載的影響因素

表2 節點試件試驗結果

鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點試件的試驗結果見表2[1-4]?？梢钥闯觯绊戜摻钿摾w維高強混凝土框架邊節點斜截面抗裂荷載的主要因素除了混凝土強度、截面尺寸外，鋼纖維體積率、梁端鋼纖維摻加范圍、軸壓比和配箍率都是鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點斜截面抗裂性能的重要影響因素。

2.1 鋼纖維體積率

鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區抗裂荷載與鋼纖維體積率的關系如圖2所示。由圖可見，節點核心區的抗裂荷載隨鋼纖維體積率的增加呈現增大的趨勢。這是因為鋼纖維對節點核心區內部的微裂縫和內部缺陷的發展具有明顯的限制作用。

圖2 抗裂荷載與鋼纖維體積率關系

2.2 軸壓比

鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區抗裂荷載與軸壓比的關系如圖3所示。由圖可見，節點核心區的抗裂荷載隨著軸壓比的增加而逐漸減小。這是因為增大柱端軸向荷載的作用，增強了對節點區域混凝土的約束作用，從而提高了節點核心區的抗裂性能。

圖3 抗裂荷載與軸壓比關系

2.3 配箍率

鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區抗裂荷載與配箍率的關系如圖4所示。由圖可見，節點核心區的抗裂荷載隨著配箍率的減小呈現降低的趨勢。這是因為水平箍筋對節點核心區混凝土的約束作用，以及水平箍筋依靠其拉力直接承擔部分節點剪力作用,從而提高了節點核心區的抗裂性能。

圖4 抗裂荷載與配箍率關系

2.4 鋼纖維摻加范圍

鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區抗裂荷載與配箍率的關系如圖5所示。由圖可見，節點核心區的抗裂荷載隨著梁端鋼纖維摻加范圍的增大呈現增大的趨勢。

圖5 抗裂荷載與鋼纖維摻加范圍關系

3 邊節點核心區斜截面抗裂荷載的計算方法

如圖6所示，由材料力學主應力計算公式得:

式中，Vjcr為節點核心區開裂荷載；ft為節點核心區的混凝土抗拉強度;fc為節點柱端的混凝土抗壓強度；n為柱端軸壓比；bj為節點核心區截面的寬度；hj為節點核心區界面的高度。

圖6 單元體與應力圓

由于梁端彎矩的作用，節點核心區并非完全處于剪切狀態，而式（3）沒有考慮柱端彎矩所造成的影響。文獻[5]表明箍筋對鋼纖維混凝土節點抗剪初裂強度影響不大，僅為全部抗剪初裂強度的2%～ 5%，可以忽略不計。而試驗利用抗剪初裂影響系數β考慮了梁端彎矩和箍筋對抗剪初裂荷載的影響，對式（3）的計算結果進行修正，故普通混凝土框架邊節點的開裂荷載可以用下式求得:

在節點核心區摻入鋼纖維對控制核心區混凝土的開裂具有顯著作用，因為鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維阻礙了混凝土內部微裂縫的擴展和阻滯了宏觀裂縫的發生和發展，從而改善了混凝土抗拉性能。對于鋼纖維高強混凝土邊節點核心區的開裂荷載，參照普通混凝土框架邊節點開裂荷載的計算公式取為:

利用本試驗研究結果，通過數值回歸分析得到:β=0.89。因此，鋼纖維高強混凝土框架節點核心區抗剪承載力計算公式為:

表3列出了鋼筋鋼纖維混凝土框架邊節點開裂荷載理論值與試驗值的比較情況。試驗值與理論值之比的平均值為1.002，均方差為0.263，變異系數為0.262。離散較大的主要原因是參考文獻所用試件為鋼纖維混凝土框架邊節點，其強度低于C50。

表3列出了鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點開裂荷載理論值與試驗值的比較情況。試驗值與理論值之比的平均值為0.997，均方差為0.089，變異系數為0.089。

利用本試驗以及文獻[6]和文獻[7]的試驗研究結果，通過數值回歸分析得到:β=0.69。因此，鋼纖維混凝土框架節點核心區抗剪承載力計算公式為:

表3 開裂荷載理論值與試驗值的對比

4 結論

1）鋼纖維體積率、軸壓比和配箍率都是影響鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區抗裂性能的重要因素。隨著鋼纖維體積率、軸壓比和鋼纖維摻加范圍的增大，鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點抗裂荷載呈現增大的趨勢。隨著配箍率的減小，鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點抗裂荷載呈現降低的趨勢。

2）在試驗研究的基礎上，參照普通混凝土框架邊節點核心區斜截面抗裂荷載計算公式，提出了鋼纖維高強混凝土框架邊節點核心區斜截面抗裂荷載的計算公式，計算值與試驗值吻合較好。

[1]張軍偉,王廷彥.鋼筋鋼纖維高強混凝土框架邊節點抗震性能試驗研究和有限元分析[J].混凝土,2011,(4):33-37.

[2]張軍偉,王廷彥.鋼纖維局部增強高強混凝土框架邊節點抗震性能試驗研究[J].混凝土,2011,(7):13-16.

[3]王廷彥,李長永,張軍偉.鋼纖維高強混凝土框架邊節點抗震性能研究[J].混凝土,2011,(9):32-35.

[4]張軍偉.鋼纖維混凝土邊節點和牛腿受力性能研究[D].鄭州大學,2010.

[5]唐九如.鋼筋混凝土框架節點抗震[M].南京:東南大學出版社,1988.

[6]魏林,鄭七振,邵震蒙.鋼纖維混凝土框架節點抗裂強度的研究[J].上海理工大學學報,2004,26(2):155-159.

[7]唐九如,楊開建,周起敬.鋼纖維砼對框架節點性能的改善[J].建筑結構學報,1988,(4):37-44.

國家自然科學基金（50678159）；河南省創新型科技人才隊伍建設工程(094100510009)資助項目。