異形柱中間節點受剪承載力試驗及數據處理方法探討

【摘要】研究表明混凝土異形柱節點與普通矩形柱節點相比受力情況更為復雜，單靠理論分析不足以全面揭示其受力性能，因此試驗成為研究異形柱節點受剪承載力及抗震性能的必要手段。本文根據試驗室具體條件，對兩個混凝土異形柱中間節點進行了低周往復加載試驗，并對采集到的試驗數據進行了相應處理。研究表明，加載方式和裝置的選擇對異形柱中間節點受力過程和采集到的試驗數據影響嚴重，尤其是對左右梁端荷載—位移滯回曲線的影響尤為突出，因此在試驗條件允許的情況下應采用更為完善的加載方式，而本文通過對試驗數據進一步計算處理，得到異形柱中間節點的受剪承載力，能夠減小試驗帶來的影響。同時針對較高地震烈度地區普通混凝土異形柱節點抗震性能不足的具體情況，本文提出了改善措施并加以試驗驗證。

【關鍵詞】異形柱； 中間節點； 試驗； 數據處理

梁柱節點是混凝土框架結構抗震的關鍵部位，其受力情況較為復雜，國內外雖然對普通混凝土矩形柱節點進行了大量理論或試驗研究，取得了豐富的研究成果[1-3]，但異形柱節點由于可能采用不同截面形式的異形柱，且節點核心區分為腹板和翼緣兩部分，因此其受力情況與普通混凝土矩形柱節點相比更為復雜，單靠理論分析不足以全面揭示混凝土異形柱節點的受力性能，因此試驗成為了研究混凝土異形柱節點受剪承載力必要的手段[4-5]，而混凝土節點受剪性能試驗與框架梁、框架柱，甚至整體框架試驗相比較為復雜，對試驗設備的要求也較高，因此試驗方法、加載過程及試驗設備的選擇對混凝土節點受剪性能的研究具有重要影響，而試驗手段及試驗設備主要根據試驗室現有條件進行選擇。本文根據天津大學結構試驗室具體情況，設計了兩個混凝土異形柱中間節點并對其進行低周往復加載試驗，借以研究混凝土異形柱節點的抗震性能，對采集到的試驗數據進行總結歸納，并進行深入分析，同時針對較高地震烈度地區普通混凝土異形柱節點抗震性能不足的具體情況，本文提出了改善措施并加以試驗驗證。

1、模型設計

本次試驗共設計制作了2個1/2縮尺異形柱中間節點，如圖1所示，為改善高地震烈度地區普通混凝土異形柱節點受剪承載力薄弱的不利現象，本文采用了相應的改善措施，即在異形柱節點核心區加入聚丙烯纖維。兩個異形柱中間節點模型尺寸及配筋情況完全一樣，區別為其中一個為C45普通混凝土澆筑（編號為J+），另一個節點核心區為C45聚丙烯纖維混凝土澆筑，其余部位仍為C45普通混凝土澆筑（編號為J+A）。

2、試驗概況

和一個三通裝置控制左右兩個拉壓千斤頂，即油壓泵通過三通裝置同時控制兩個千斤頂的加載、卸載情況，理論上左右梁端荷載—位移變化情況應同步進行。

異形柱中間節點加載方式為荷載—位移聯合控制，即梁內鋼筋屈服前以荷載控制分級加載，每級加載卸載、反向加載卸載循環一次，梁內鋼筋屈服后改為位移控制，以屈服位移的整數倍加載卸載、反向加載卸載循環三次，當荷載下降到極限荷載的85%時試驗結束。

實際加載過程中，異形柱中間節點按本文所采用加載控制方式產生了左右梁端荷載—位移不對稱的現象，并且這種現象隨著節點逐漸進入塑性階段顯現的更為突出，造成所采集到的荷載—位移數據也出現不對稱現象，這與試驗前預計的結果出現矛盾，且項目組成員利用該方法所進行的后續異形柱中間節點低周往復荷載試驗均出現此現象，這表明利用一個油壓泵通過三通裝置控制兩個拉壓千斤頂對異形柱中間節點施加低周往復荷載會造成其左右梁端荷載—位移不對稱的現象。

3、試驗數據處理

3.1 荷載和位移

試驗所采集到兩個異形柱中間節點各主要階段的荷載及位移如表1所示。

對比兩個異形柱中間節點的荷載—位移數據可發現，兩個節點的左右梁端荷載—位移數據均出現了不同程度的不對稱現象，其中位移數據不對稱現象更為突出，進一步表明利用一個油壓泵通過三通裝置控制兩個千斤頂所采集的試驗數據不對稱現象是存在的，且不可避免的。表1中的延性系數是位移延性系數，其值為破壞位移（荷載下降到極限荷載85%時所對應的位移）與屈服位移（利用等面積法計算得到）的比值，由于采集到的左右梁端的位移數據存在不對稱現象，因此計算得到的位移延性系數也存在左右不對稱情況。表1中，節點J+左右梁端的均值極限荷載分別為67kN和66kN，節點J+A左右梁端的均值極限荷載分別為65kN和74kN，節點J+A左右梁端均值比節點J+高4kN，從而表明聚丙烯纖維混凝土可以提高異形柱節點的承載能力，提高其抗剪強度。且實際情況是兩個異形柱中間節點所采用混凝土并非同一批澆筑，中間節點J+所用混凝土的立方體抗壓強度比節點J+A的立方體抗壓強度高約10MPa，由此可預測，如兩種異形柱中間節點采用同一強度混凝土時，應用聚丙烯纖維可以顯著提高混凝土異形柱中間節點的受剪承載力，從而改善其抗震性能。

3.2 梁端滯回曲線

試驗采集到兩個異形柱中間節點左右梁端荷載—位移滯回曲線如圖3所示。該試驗為低周往復加載試驗，采用荷載—位移聯合控制加載方式，但由于中間節點有左右兩個框架梁，因此加載時應選擇以左或右梁端的荷載—位移數據采集情況為控制依據，由于一個油壓泵通過三通裝置控制兩個拉壓千斤頂存在左右梁端荷載—位移變形不同步現象，因此不起控制作用的節點梁端的荷載—位移滯回曲線出現了不對稱現象，對節點J+進行低周往復加載時，以左梁端試驗數據為控制條件，因此圖3（b）中右梁端滯回曲線表現出了顯著得不對稱性；而對節點J+A進行低周往復加載時，以右梁端試驗數據為控制條件，因此圖3（c）中左梁端滯回曲線表現出了顯著得不對稱性。由此可見，采用一個油壓泵通過三通裝置控制兩個拉壓千斤頂對中間節點進行低周往復加載時，左右梁端滯回曲線不對稱現象是不可避免的。

（a）節點J+左梁端 （b） 節點J+右梁端

（c） 節點J+A左梁端 （d） 節點J+A右梁端

圖3 中間節點滯回曲線

Fig.3 Hysteretic curves of middle joints

3.3 中間節點剪力計算

研究表明決定異形柱節點抗震性能的是其節點剪力，而試驗中能夠直接量測得到異形柱節點核心區剪力是非常困難的，但本文已量測得到異形柱中間節點左右梁端荷載，通過力學公式即可計算得到其節點核心區剪力。

《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ149-2006）[6]規定混凝土異形柱中間節點核心區剪力設計值 （外力）應按下列公式計算：

（1）

式中 ， ， 和 分別為左右梁端彎矩，邊節點只有一端彎矩； —鋼筋屈服強度； —節點區受拉一側鋼筋面積； —節點區受壓一側鋼筋面積； —節點核心區組合的剪力設計值； —核心區剪力增大系數； —柱的計算高度； —梁縱向受壓鋼筋合力點至截面近邊的距離； 、 —梁的截面有效高度、截面高度。

通過試驗采集到的兩個異形柱中間節點左右梁端荷載—位移滯回曲線，利用公式（1）及異形柱中間節點具體截面尺寸計算得到兩個中間節點核心區剪力—梁端轉角滯回曲線如圖4所示。

由此可見，雖然本文采用異形柱中間節點試驗方法采集得到梁端荷載—位移滯回曲線出現不對稱現象，但通過計算得到中間節點剪力—梁端轉角滯回曲線不對稱情況得到顯著緩解，且計算得到節點剪力能夠正確反應異形柱中間節點受力特性。由圖4可知，正反向加載時節點J+A核心區剪力平均值約為552kN，較節點J+核心區剪力平均值523kN高約29kN，且中間節點J+A所用混凝土的立方體抗壓強度比節點J+的立方體抗壓強度低約10Mpa，由此可知，聚丙烯纖維可以顯著提高混凝土異形柱中間節點的抗剪承載力，從而改善其抗震性能。

（a） 節點J+ （b） 節點J+A

圖4 中間節點節點剪力—梁端轉角滯回曲線

Fig.4 Hysteretic curve of shear in joint core and rotation at end of beams

4、結論

（1）通過試驗現象及異形柱中間節點左右梁端滯回特性可知，采用一個油壓泵通過三通裝置控制兩個拉壓千斤頂對中間節點進行低周往復加載時，左右梁端荷載—位移滯回曲線存在不對稱現象，且這種現象是不可避免的，因此在條件允許的情況下，應優先選用兩個油壓泵分別控制異形柱中間節點左右兩個梁端的加載過程。

（2）雖然本文采用試驗方法所獲得的異形柱中間節點左右梁端荷載—位移滯回曲線存在不對稱現象，但通過計算得到的中間節點核心區剪力仍然是正確的，能夠反應異形柱中間節點核心區的受力情況，且中間節點剪力—梁端轉角滯回曲線不對稱情況得到顯著緩解，表明利用本文試驗方法對異形柱中間節點進行低周往復加載試驗仍能正確揭示異形柱節點核心區的受力性能。

（3）通過試驗現象及節點核心區受剪承載力計算結果表明，聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土異形柱中間節點的破壞特征，提高混凝土異形柱中間節點的抗剪承載力，從而改善其抗震性能，有利于異形柱結構體系的進一步推廣。

參考文獻：

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[6] 中華人民共和國建設部. JGJ 149-2006 混凝土異形柱結構技術規程[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2006.