X形配筋增強高強鋼筋異形柱邊節點抗震性能試驗研究

戎賢　王勝男　張健新

摘要：

通過對核心區應用X形配筋增強的高強鋼筋異形柱邊節點和同等條件下未被增強的高強鋼筋異形柱邊節點進行擬靜力試驗研究，對比分析異形柱邊節點的破壞特征、滯回曲線、承載能力、位移及延性、剛度退化、耗能能力等抗震性能指標。研究結果表明，配置HRB500高強鋼筋異形柱邊節點比配置600 MPa級的邊節點承載能低，但滯回性能好，變形能力強，剛度退化推遲，耗能能力強；在核心區加入X形配筋，均可以改善高強鋼筋異形柱邊節點的破壞特征，使邊節點抗剪能力、變形能力、耗能能力增強，剛度退化推遲，提高異形柱邊節點抗震性能，配置HRB500高強鋼筋的試件核心區應用X形配筋加強后抗震性能提高效果更好。

關鍵詞：

高強鋼筋；邊節點；異形柱；X形配筋；抗震性能

中圖分類號：TU375.4

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）02010006

Abstract：

The exterior joints of specially shaped columns with highstrength reinforcement， and with or without Xshaped reinforcement were tested under low cyclic loading. The damage characteristic， hysteretic curve， bearing capacity， displacement， ductility， stiffness degradation and energy dissipation capacity were compared. The results showed that for the exterior joints of specially shaped columns， the bearing capacity of the HRB500 joint was lower， but the hysteretic behavior， deformability， energy dissipation capacity were increased， the stiffness degradation was postponed. When Xshaped highstrength reinforcement added to the joints， the failure characteristics of the joint was improved， the stiffness degradation was postponed， the deformability， shear capability and energy dissipation capacity were increased， the seismic behavior of specially shaped column joints was improved significantly，and the seismic behavior of the HRB500 joint was improved more.

Keywords：

highstrength reinforcement； exterior joint； specially shaped column； Xshaped reinforcement； seismic behavior

相對于普通截面柱結構，異形柱結構體系由于具有節省室內空間、平面布置靈活等特點，可以較好地滿足中國居民的居住要求[12]，學者們做了許多關于異形柱結構體系的各類試驗研究及分析[310] ，中國學者也對異形柱結構進行了大量的研究，戎賢等[11]指出，增大配箍率可以提高異形柱試件的延性，改善其滯回特性。雷敏等[12]提出了T形鋼管混凝土單向偏壓柱承載力的計算方法。同時有學者針對異形柱節點薄弱問題，進行了節點增強的探討。戎賢等[1314]指出，在節點核心區混凝土中加入鋼纖維，可以改善異形柱節點滯回性能。曾磊等[15]提出，提高鋼骨混凝土異形柱鋼梁節點核心區的配箍率，可以提高試件的延性，改善耗能能力。

高強鋼筋的應用可以節約鋼材的使用量，降低工程造價，節約生產鋼材所消耗的能源與資源，但是《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ 149—2006）尚未納入此類鋼筋，對于高強鋼筋異形柱邊節點核心區配置X形配筋的增強作用，相關研究也較少。通過將X形配筋加入高強鋼筋混凝土異形柱邊節點核心區，進行低周往復荷載試驗，根據實驗現象及數據分析X形配筋的增強效果，針對高強鋼筋異形柱邊節點的薄弱問題，提供理論指導，為規范的修訂提供資料支持。

1設計概況

試驗設計4個1/2縮尺的異形柱節點，各試件尺寸相同，梁柱縱筋、X形筋、箍筋位置及直徑一致，配筋強度等級情況如表1所示，其模型配筋情況以JTX2為例，如圖1所示。在試件制作的過程中，對于核心區有X形配筋的試件，注意先僅固定下柱部分和核心區的箍筋，由此確定柱縱筋位置并綁扎，隨后將2對（共4根）X形筋分別通過核心區箍筋、柱縱筋隨X形筋彎曲變化情況調整穿入路線，最終將其放置在核心區并綁扎固定。之后在規定位置綁扎梁縱筋，此時事先經過斜邊長度計算的X形筋恰位于梁柱縱筋的內側且斜邊長度貫穿于節點核心區，最后進行其他鋼筋的綁扎。經試驗測得，混凝土強度等級為C50，立方體抗壓強度為55.7 MPa，軸心抗壓強度37.3 MPa，試件梁柱縱筋及箍筋性能指標實測值如表2所示。

試驗模型原型分別取節點上下柱和梁的反彎點之間的部分，使用梁端加載方案，在梁端用拉壓千斤頂控制施加豎向荷載，并將力的大小通過力傳感器傳送至計算機，實現低周往復加載，同時柱底放在位于靜力臺座的球鉸支座上，柱頂利用夾梁與鋼錨桿將構件固定在反力墻上，并用液壓千斤頂施加恒定豎向荷載，大小為250 kN。在梁頭加載端的形心處利用位移計測量梁端變形，并將位移計固定在牢固的架子上，確保整個試驗過程位移計不會受到擾動，加載裝置如圖2所示。試驗加載為荷載位移聯合控制，即試件屈服前，對試件梁端荷載實施由力控制，以每20 kN為一級，試件屈服后，由試件屈服位移的整數倍控制梁端荷載；“加載、卸載、反向加載、反向卸載”為一個荷載控制的過程，屈服前進行1次荷載控制循環，屈服后進行3次循環，比較每個循環中的梁端最大豎向荷載，先升高后下降，下降到最大荷載的85%，試件破壞。

將規格為2 mm×3 mm的應變片粘貼在鋼筋上，并用絕緣膠帶和防水膠保護，應變片通過導線編號，并與DH3818靜態電阻應變測量系統相連，對計算機采集到的鋼筋應變片數據進行記錄處理，進而得到試驗過程中的鋼筋應變。當位于梁端塑性鉸區應變片的測量數據達到鋼筋屈服應變時，將力加載控制轉為位移加載控制。由于下文重點分析箍筋應變和X形配筋應變，故僅表達箍筋和X形配筋應變片的粘貼位置，將最接近節點核心區中間部位的一對箍筋和任選其中一組X形配筋貼應變片如圖3所示。

2破壞特征

試件的破壞特征如圖4所示。

加載初期，豎向彎曲裂縫先出現于試件梁端，隨后試件核心區腹板出現數條斜向彎曲裂縫，繼續加載，斜裂縫由腹板經翼緣側面延伸至翼緣正面。試件JT3、JTX4的破壞程度分別比試件JT1、JTX2嚴重；試件JTX2、JTX4破壞時梁端混凝土脫落嚴重，出現貫通裂縫，試件核心區腹板內較多的細微斜裂縫，破壞時梁端及核心區混凝土均脫落；試件JT1核心區腹板斜裂縫寬度達到2.2 mm，而試件JTX2核心區腹板斜裂縫寬度僅為1.5 mm。這說明配置HRB500高強鋼筋異形柱邊節點的破壞程度比配置600 MPa級高強鋼筋異形柱邊節點嚴重，在高強鋼筋異形柱邊節點核心區配置X形筋進行增強，剪切裂縫發展得到明顯限制，邊節點核心區的破壞特征隨混凝土表層開裂和剝落現象的減輕而改善。

3試驗結果分析

3.1滯回特性

根據試驗得到的異形柱節點荷載位移滯回曲線如圖5所示。滯回曲線在加載的正反方向基本對稱。加載初期，試件變形及殘余變形較小，滯回曲線幾乎成直線。加載至試件屈服后，試件的變形隨荷載的增加而增加，滯回曲線也趨于飽滿。綜合來看，試件JT3、JTX4的滯回曲線飽滿程度分別比JT1、JTX2好；同時，試件JTX2、JTX4的滯回曲線分別與JT1、JT3相比，加載后期曲線更加飽滿，變形能力增強，承載力下降慢，且JTX4的變形能力和滯回曲線飽滿程度增強效果較明顯。這表明對于配置高強鋼筋的異形柱邊節點試件，配置HRB500高強鋼筋的試件滯回性能比配置600 MPa級高強鋼筋的試件滯回性能好，在核心區加入X形配筋進行增強，高強鋼筋異形柱邊節點后期變形能力增大，滯回性能改善。

從表3中可知，JTX4的位移延性系數比JTX2提高了26.83%，JTX4的延性系數比JT3提高了13.87%；對于開裂荷載、開裂位移，JTX2比JT1顯著提高；對于屈服荷載、屈服位移、極限位移，JT3比JT1略有增大，JTX2比JT1分別提高4.52%、287%、14.22%，JTX4比JT3分別提高14.84%、6.73%、8.72%，但JTX2、JTX4的極限荷載分別與JT1、JT3比較，沒有明顯變化。JTX2延性比JT1小，可能是由于外在原因造成構件平面外失穩，使構件提前破壞，進而延性系數減少。表中屈服荷載是根據骨架曲線結合“等面積法”求得，雖然JT1的屈服荷載比JT3的屈服荷載略小，但JT1、JTX2的極限承載能力分別大于JT3、JTX4，故這樣的試驗結果可能是試驗誤差引起的。JTX2的正向屈服荷載過小，且正負向屈服荷載相差較大，可以推測此組數據可能是由于試驗過程中，力傳感器的短期接觸不良導致計算機采集數據不準確，導致骨架曲線的局部與實際情況略有偏差，進而影響了JTX2屈服荷載的計算。因此個別數據只反映了試驗的局部偏差，綜合試件的極限荷載來看，仍然可以判斷出試件的承載能力。

總體來看，配置HRB500的高強鋼筋異形柱邊節點比配置600 MPa級高強鋼筋的邊節點變形能力強；在核心區配置X形配筋加強，可以延緩高強鋼筋混凝土異形柱節點的斜裂縫產生，提高高強鋼筋混凝土異形柱邊節點的開裂荷載、屈服荷載和變形能力，配置HRB500高強鋼筋的試件提高效果更明顯，同時核心區配置X形配筋對配置HRB500高強鋼筋的試件的延性和承載能力有明顯增強作用。

3.3骨架曲線

試驗得到的骨架曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，試件JTX4的骨架曲線最為飽滿；試件JT1、JTX2的最大承載力分別比JT3、JTX4略高，但變形能力均分別明顯減小；試件JTX2、JTX4的變形能力分別比JT1、JT3明顯提高，后期承載力下降速度慢；JTX2、JTX4的最大承載力分別與JT1、JT3比較來看，沒有明顯區別。這說明配置600 MPa級高強鋼筋異形柱節點最大承載力比配置HRB500的試件高，變形能力差；在高強鋼筋異形柱邊節點核心區配置X形配筋，可以提高試件變形能力和承載能力，后期承載力下降速度減慢，試件的抗震能力相應提高。

3.4剛度退化

根據試驗得到的剛度退化曲線如圖7。

從4個構件的剛度退化曲線可以看出，試件JT3、JTX4的剛度退化曲線分別比試件JT1、JTX2平緩，且變形能力強；試件JTX2、JTX4的后期變形能力比試件JT1、JT3明顯增強，剛度退化曲線平緩，但JTX2對于JT1的剛度退化延緩程度、變形提高程度不如JTX4相對于JT3明顯。這說明配置HRB500的高強鋼筋異形柱邊節點與配置600 MPa級的邊節點相比，剛度退化推遲，變形能力強；在核心區配置X形配筋，高強鋼筋異形柱節點的變形能力提高，剛度退化推遲，配置HRB500高強鋼筋的試件剛度退化延緩程度與變形提高程度更明顯。

3.5耗能能力

試件在各級位移下的等效粘滯阻尼系數見圖8。

由圖8可知，在達到屈服狀態前，未增強試件和增強試件的等效粘滯阻尼系數接近，達到屈服荷載之后，JT3的等效粘滯阻尼系數遠大于JT1，同時JTX2、JTX4的等效粘滯阻尼系數分別比JT1、JT3提高37.5%、16.7%，JTX2、JTX4的等效粘滯阻尼系數相差不大。這說明配置HRB500高強鋼筋混凝土異形柱節點的耗能能力強于配置600MPa級高強鋼筋的邊節點，在核心區配置X形筋進行加強，可以提高高強鋼筋異形柱邊節點的耗能能力。

3.6箍筋應變及X形筋應變

由于JTH2與JTH3、JTH4與JTH5、JTX1與JTX3、JTX2和JTX4分別對稱，故分析其一即可。根據異形柱邊節點破壞形態和箍筋應變實測值大小可知，異形柱翼緣端面沒有明顯破壞，且箍筋、X形筋應變極小，故不再進行分析。根據試驗得到的JTH1、JTH2、JTH4、JTX2的應變如圖9。

由圖中可以看出，JTH1與JTH4通過約束核心區混凝土來承擔邊節點剪力，試驗加載初期時，由于混凝土承擔主要的剪力，其箍筋應變值較小；隨著節點核心區逐漸開裂，箍筋應變也逐漸增加。腹板側面箍筋JTH2的應變最大，對比各構件來看，JTX2、JTX4中JTH2的應變比JT1、JT3小很多，這說明核心區有X形筋增強的節點，X形筋能承擔一部分剪力，進而提高試件抗剪能力，改變試件破壞形態。由JTX2的應變可以看出，試件JTX2和JTX4中X形筋均發揮作用，加載后期，JTX2、JTX4中的X形筋接近于屈服，表示配置高強鋼筋的異形柱邊節點，核心區加入X形筋可以充分發揮作用，提高節點抗剪能力，改善節點的薄弱問題。

圖9中可以看出，對比幾個試件中的鋼筋測點，發現JT3的JTH2測點處鋼筋達到了屈服應變，而其余試件相應測點鋼筋應變未達到屈服應變，這可以證明對于配置HRB500高強鋼筋異形柱邊節點，X形筋可以降低核心區箍筋應變，使核心區箍筋充分發揮強度作用，進而改善節點核心區混凝土破壞形態；對比試件JTX2、JTX4中的X形筋，發現不同試件的X形筋應變有所不同，但均未達到屈服應變。然而以上兩個方面的屈服應變情況，只是針對鋼筋應變片粘貼位置相應測點的反映，旨在對比分析相同測點下，不同試件鋼筋應變的差異，對于在節點核心區全部箍筋、X形筋中，是否有屈服應變，以及屈服應變的大小，會在接下來的有限元軟件模擬研究中有整體的反映。總之，雖然測點處鋼筋少有屈服應變，并不能根據圖9得到“核心區鋼筋沒有有效發揮強度作用”的結論。

4結論

通過對高強鋼筋混凝土異形柱邊節點核心區配置X形配筋進行擬靜力試驗研究，得出結論：

1）配置HRB500高強鋼筋異形柱邊節點比配置600 MPa級高強鋼筋的邊節點破壞程度嚴重，承載能力低。

2）配置HRB500高強鋼筋異形柱邊節點比配置600 MPa級高強鋼筋的邊節點滯回性能好，變形能力與耗能能力強，剛度退化推遲。

3）在核心區配置X形筋，可以提高配置HRB500高強鋼筋異形柱邊節點的延性及承載能力，分別提高配置HRB500、600 MPa級高強鋼筋異形柱邊節點的耗能能力，提高高強鋼筋異形柱節點的抗剪能力，改善高強鋼筋異形柱邊節點的破壞形態，使邊節點的變形能力提高，承載能力下降速度減慢，剛度退化推遲，進而提高高強鋼筋異形柱邊節點的抗震能力。

4）綜合考慮高強鋼筋異形柱節點變形能力、延性系數、剛度退化等，配置HRB500的試件核心區應用X形筋加強后抗震性能提高效果更明顯。在今后的工程應用中，對于高強鋼筋異形柱邊節點，尤其是配置HRB500的構件，可以通過在節點核心區增加X形筋改善其薄弱狀態，提高其抗震性能。具體施工方法參照之前的有關專利[16]，并需在實際工程經驗中探索最適宜方法。

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