活性粉末混凝土梁柱節點抗裂性能試驗研究

鞠彥忠，沈浩，王德弘, ，鄭文忠

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活性粉末混凝土梁柱節點抗裂性能試驗研究

鞠彥忠1，沈浩1，王德弘1, 2，鄭文忠2

(1. 東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林,132012；2. 哈爾濱工業大學 結構工程災變與控制教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱, 150090)

為了研究活性粉末混凝土梁柱節點的抗裂性能，開展24個活性粉末混凝土梁柱節點試件(12個邊節點和12個中節點試件)的低周反復荷載試驗，研究節點類型、尺寸效應、軸壓比、節點核心區配箍率、貫穿節點的梁內腰筋及柱內非角部鋼筋等因素對活性粉末混凝土梁柱節點抗裂性能的影響；提出活性粉末混凝土梁柱節點的開裂荷載計算公式。研究結果表明：與中節點試件相比，邊節點試件的初裂剪力與極限承載力更接近，為極限承載力的51.8%～70.4%；活性粉末混凝土梁柱節點的開裂荷載存在尺寸效應，隨著節點截面面積的增大，節點開裂時的平均剪應力降低；節點核心區的開裂荷載隨配箍率和軸壓比增大而增大；貫穿節點的柱內非角部鋼筋和梁腰筋對初裂剪力影響不明顯，但對節點核心區的斜裂縫分布有影響；本文提出的開裂荷載公式計算結果與試驗結果較吻合，可為實踐工程提供參考。

活性粉末混凝土；梁柱節點；開裂荷載；影響因素

當混凝土達到極限拉應變時就會發生開裂。普通混凝土的極限拉應變較小，容易開裂，并且開裂后裂縫不斷發展，不易控制。鋼筋混凝土構件的開裂及裂縫寬度關系到結構或構件能否滿足正常使用及耐久性要求，尤其是沿海、鹽湖地區的鋼筋混凝土結構長期處于腐蝕性環境，控制混凝土結構或構件的裂縫寬度及重要部位的開裂，對保證鋼筋混凝土結構耐久性至關重要。我國沿海地區氣候濕熱，海水中的氯離子以海霧等形式深入混凝土中，形成腐蝕，嚴重影響鋼筋混凝土結構的性能及使用壽命[1]。我國是一個多鹽湖國家，在干燥、高風速、大溫差的沿湖地區，空氣中含有較多鹽類等腐蝕性物質，鋼筋混凝土結構的耐久性問題比沿海地區更嚴重、更復雜[2]。在高侵蝕環境中采用具有高開裂應變、超高耐久性的活性粉末混凝土(RPC)代替普通混凝土(NC)，是解決該類強腐蝕環境下鋼筋混凝土結構耐久性問題的有效途徑之一。RPC是一種超高性能的水泥基復合材料，具有優異的力學性能和耐久性[3–4]。目前制備比較成熟的RPC立方體抗壓強度一般為120~200 MPa，其軸拉強度為4.07~11.15 MPa，彎曲開裂應變達705×10–6~ 864×10–6，均比普通混凝土和高強度混凝土的高[5–6]。因此，RPC框架節點的開裂荷載計算方法與鋼筋普通混凝土或高強混凝土框架節點的開裂荷載計算方法必定存在差異，有必要進行RPC框架節點核心區開裂荷載計算的研究。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗以框架中間層梁柱邊節點和中節點為原型，共設計制作24個梁柱組合體節點試件，試驗參數包括節點類型、軸壓比和核心區配箍率、貫穿節點的梁內腰筋、柱內非角部鋼筋5個影響因素。表1所示為各試件的設計參數。其中縮尺比為1/2的邊節點試件12個、中節點試件4個，縮尺比為3/4的中節點試件8個。1/2比例試件的柱截面寬×高為200 mm× 200 mm，梁截面寬×高為150 mm×250 mm，試件尺寸見文獻[7]；3/4比例試件的柱截面寬×高為 300 mm×300 mm，梁截面寬×高為250 mm× 350 mm。圖1所示為試件尺寸及配筋示意圖(其中L和R為荷載，①~⑧為鋼筋編號)。

表2所示為試件制作所用鋼筋的參數。試驗用活性粉末混凝土采用細圓高強鋼絲切斷型鋼纖維，纖維表面鍍銅，長度為13～15 mm、直徑為0.2～0.3 mm，抗拉強度為2950 MPa。RPC中鋼纖維體積分數為1.3%，活性粉末混凝土配合比見文獻[8]，采用常溫自然養護。

1.2 試驗加載方案

梁端施加低周反復荷載，柱端為恒定荷載，柱頂和柱底為鉸支座。圖2所示為加載裝置示意圖。柱頂荷載采用2 MN液壓千斤頂施加，千斤頂下方設置荷載傳感器以便在試驗過程中讀取荷載，并保持軸壓恒定。梁端往復荷載采用電液伺服作動器施加，試驗加載采用荷載、位移混合控制的加載制度[9]。加載初期采用荷載控制，每級荷載循環1次；當試件核心區開裂或梁內鋼筋達到屈服時改為位移控制，每級位移循環3次。中節點加載時左、右梁端反向等速率同步加載。

2 試驗結果與分析

2.1 節點裂縫開展情況

在低周反復荷載作用下，同類試件的破壞過程及破壞形態基本相似。試件首先在彎矩作用下梁端開裂，然后節點核心區出現裂縫，在反復荷載下最終發生核心區剪切破壞。根據裂縫開展情況，可以把節點核心區的破壞過程大致分為3個階段即彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，試件破壞過程示意圖如圖3所示。

節點核心區開裂前，構件基本處于彈性階段。節點核心區箍筋、RPC的應變很小，且卸載后應變基本能夠恢復。雖然與節點相鄰的梁端出現裂縫，但是梁端裂縫發展緩慢，反復加載和卸載后，節點的強度、剛度退化均不明顯，節點殘余變形較小。

梁柱節點核心區中部的RPC處于雙向拉壓受力狀態，當梁柱節點核心區混凝土的最大拉應變達到RPC的極限拉應變時，RPC開裂，第1條裂縫通常位于核心區中心附近，近似沿對角線方向。反向加載時，另1條對角線出現斜裂縫(見圖3(a))。核心區開裂時節點內箍筋應變均較小，此階段箍筋的作用較小，斜拉力主要由RPC承擔，而斜壓力全部由RPC承擔。

隨著加載位移幅值及循環次數的增加，節點核心區相繼出現多條平行于對角線的細小裂縫，將核心區分割成若干菱形塊。對角線位置的主裂縫發展延伸貫穿整個節點區，形成通裂裂縫，主裂縫最大寬度為0.3～0.9 mm，見圖3 (b)。

表1 試件參數

數據單位: mm

表2 鋼筋參數

通裂之后，隨著加載位移的增加，斜裂縫繼續發展，向上、下延伸至柱內(見圖3(c))。主裂縫寬度增加顯著，“橋架”在主斜裂縫兩端的鋼纖維部分被拔出，主裂縫相交位置出現少量RPC起皮現象。主裂縫兩側及柱邊仍有新裂縫出現，但新增裂縫長度及寬度均較小。核心區箍筋應變增加較快，荷載達到最大值時核心區箍筋屈服。此階段箍筋作用較大，斜拉力由箍筋和RPC共同承擔，斜壓力仍由RPC承擔。

大清早塆里人聽說了，都跑到我屋來。他們來看桂生，更多的人是來看阿黃。女人們在一邊抹淚，男將都說，義犬啊，阿黃是義犬。對門塆有名的塾師李先生，就是住在塘角兒的楊細婆她娘屋三叔，還專門打發學童給阿黃送來一副挽聯：

隨著加載位移及循環次數繼續增大，節點核心區主裂縫寬度繼續增大，核心區中部交叉裂縫處RPC隆起為2～5 mm，裂縫邊沿有少量RPC剝落。

2.2 節點開裂荷載主要影響因素

試驗結果表明，核心區剪切破壞邊節點試件的初裂剪力為峰值剪力的51.8%～70.4%，1/2比例中節點試件的初裂剪力為峰值剪力的48.11%～61.82%，3/4比例中節點試件的初裂剪力為峰值剪力的27.1%～39.33%，說明邊節點試件的初裂承載力與極限承載力更接近，這是因為邊節點內梁筋垂直錨固段對核心區RPC的側向壓力較大，能夠抵消一部分拉應力，提高邊節點的初裂承載力。另一方面，邊節點核心區斜壓桿傾角比中節點試件的大，斜壓桿有效面積比中節點試件的小，其極限承載力比中節點的低。大比例尺試件的初裂剪力與峰值剪力之比比小比例尺試件的小，這是因為節點開裂時核心區剪應力分布不均勻，核心區中部應力更大，一旦達到開裂應變節點即會開裂，而峰值剪力與節點核心區斜壓桿及箍筋配置有關。

圖2 試驗加載裝置示意圖

(a) 初裂階段; (b) 通裂階段; (c) 破壞階段

RPC梁柱節點的開裂荷載存在尺寸效應，隨 著節點截面尺寸增大，節點開裂時的平均剪應力降低。 1/2比例尺中節點試件的平均初裂剪應力為4.30 MPa， 高于3/4比例尺中節點試件的平均初裂剪應力 3.01 MPa。對文獻[10–11]中的3種比例尺RC梁柱節點的試驗結果進行計算，得到節點初裂平均剪應力分別為3.26，4.08和4.20 MPa，可見RC梁柱節點的開裂荷載同樣具有尺寸效應。

節點初裂時，雖然箍筋承擔的剪力較小，但對初裂荷載仍有一定影響。通裂之后，箍筋能夠在一定程度上抑制裂縫的發展，減小最大裂縫寬度，使裂縫分布更均勻。這是因為箍筋對核心區RPC具有一定的約束作用，且箍筋與RPC的黏結能夠較好地傳遞剪力。

RPC梁柱節點的初裂剪力隨柱端軸壓比增大而增大。隨著軸壓比的增加，節點核心區的裂縫數量增多，裂縫分布范圍增大。這是因為軸壓比增大使節點受壓區面積增加，但當節點核心箍筋數量較少時，對核心區RPC的約束作用不足，導致產生較多的細小裂縫；在破壞階段，隨著軸壓比增大，在核心區上端和下端柱內新增多條接近豎向分布的受壓裂縫，這說明核心區幾乎全截面受壓。

貫穿節點的柱內非角部鋼筋和梁腰筋對初裂剪力影響不明顯，但影響節點核心區的斜裂縫分布，由于貫穿節點的柱內非角部鋼筋或梁腰筋的存在，斜裂縫間距及最大裂縫寬度均減小。

3 節點核心區開裂荷載計算

根據本文節點試驗結果及國內外普通混凝土節點的試驗結果可知：斜裂縫首先出現在核心區中心處，之后向對角方向延伸，節點開裂前核心區基本處于彈性階段[12–13]。假定RPC節點開裂前核心區處于彈性階段，節點主拉應力最大值出現在核心區中心點處；節點初裂時貫穿節點區的鋼筋（橫向鋼筋和柱縱筋）應力很小，節點剪力主要由活性粉末混凝土承擔，當達到RPC的抗拉強度時節點開裂。

從節點核心區的中心點處取出一微小平面單元進行應力分析，其應力狀態如圖4所示。根據材料力學基本理論可得該點處RPC的主拉應力1為

式中：為上柱的軸向壓應力；τcr為剪應力；，n為軸壓比，N為柱端軸壓力；bc為柱截面寬度；hc為柱截面長度；fc為混凝土抗壓強度。

節點核心區開裂時，核心區中心點處主拉應 力1等于RPC應力和該點處鋼筋應力在主拉應力方向上的和，即：

節點開裂時核心區剪應力分布不均勻[13]，引入考慮剪應力分布不均勻影響系數cr，可得核心區開裂時節點的最大剪應力cr-為

式中：jcr為開裂時節點所受的剪力；j為框架節點核心區的截面有效驗算寬度；j為框架節點核心區的截面高度，本文取驗算方向的柱截面高度。

將式(4)代入式(3)可得節點核心區開裂時的剪力jcr為

式中：c,RPC為RPC的軸心抗壓強度。

本文對文獻[14–18]中RPC抗拉強度與立方體抗壓強度的試驗結果進行回歸分析，得到鋼纖維RPC抗拉強度t,RPC與立方體抗壓強度cu,RPC的關系為

根據本文核心區配置箍筋和未配箍筋試件初裂承載力試驗結果的比較結果，建議配置箍筋時cr取1.06，無箍筋時cr取1.00。回歸分析得到剪力分布不均勻系數cr=0.58。

從式(5)可以看出，節點核心區的抗裂強度主要與混凝土的抗拉強度和柱端軸壓比有關，而與節點核心區配箍率關系不大。根據開裂荷載試驗結果，計算得到24個RPC節點試件開裂時的平均剪應力，并對31個未摻加纖維的普通混凝土(NC)節點開裂時的平均剪應力[10, 11, 13, 19–21]進行計算，RPC和NC節點開裂時的平均剪應力見圖5。由圖5可知：普通混凝土節點開裂時的平均剪應力為2.762 MPa，RPC節點開裂時的平均剪應力為3.423 MPa，較普通混凝土節點提高23.93%。這是由于RPC中含有較多的膠凝材料及高效減水劑，且不含粗骨料，RPC基體與鋼纖維具有更高的黏結強度。當RPC基體即將出現裂縫時，高彈性模量的鋼纖維與RPC基體之間的黏結力承擔一部分拉力，同時將應力向周圍傳遞，使RPC基體中拉應力分布更均勻，RPC內部微裂縫的出現推遲，RPC材料的抗拉彈性模量和開裂強度增大，從而使節點的開裂荷載顯著提高。

圖5 不同混凝土節點開裂時的平均剪應力

4 結論

1) 邊節點內梁筋垂直錨固段對核心區RPC的側向壓力作用可提高節點的初裂荷載，在相同截面情況下，邊節點試件的初裂剪力與其極限承載力更接近，為極限承載力的51.8%～70.4%；邊節點核心區斜裂縫的傾角比中節點試件的大；RPC梁柱節點的開裂荷載存在尺寸效應，隨著節點截面面積增大，節點開裂時的平均剪應力降低；本文1/2比例尺中節點試件的平均初裂剪應力為4.30 MPa，高于3/4比例尺中節點試件平均初裂剪應力(3.01 MPa)。

2) 核心區箍筋數量增加能夠提高節點初裂剪力，一定程度上抑制裂縫的發展，減小最大裂縫寬度，使裂縫分布更均勻；軸壓比增大能夠提高RPC節點核心區的初裂剪力，使裂縫數量增多；貫穿節點的柱內非角部鋼筋和梁腰筋對初裂剪力影響不明顯，但影響節點核心區的斜裂縫分布，能夠減小斜裂縫間距及最大裂縫寬度。

3)提出RPC梁柱節點開裂荷載計算公式；節點開裂剪力計算值與試驗值較吻合，可為實際工程設計提供參考。

4) 與普通混凝土相比，RPC梁柱節點具有更高的初裂荷載，開裂時的節點平均剪應力為3.423 MPa，較普通混凝土節點提高了23.93%。

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Experimental study on crack resistance of reactive powder concrete beam-column joints

JU Yanzhong1, SHEN Hao1, WANG Dehong1, 2, ZHENG Wenzhong2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China 2. Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control of the Ministry of Education, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

To investigate the crack resistance of reactive powder concrete (RPC) beam-column joints, twenty-four (twelve exterior and twelve interior) beam-column joint specimens were tested under low-frequency cyclic loading. The influences of variables on crack resistance of reactive powder concrete joints were analyzed, including joint types, size effect, the axial compression ratio, stirrup ratio in joint, web reinforcement and non-corner vertical reinforcement across joint core. A formula for predicting the crack bearing capacity of RPC joints was proposed. The results show that the crack capacity of RPC exterior joint is closer to the ultimate bearing capacity than the interior joint, and the ratio of crack capacity to ultimate capacity is 51.8%?70.4%. There exists size effect in the crack capacity of RPC joint specimens, and the average shear stress decreases with the increase of joint sectional area when cracks appear in joint core. The crack capacity increases with the increase of the stirrup ratio and axial compression ratio in joint. Web reinforcement and non-corner vertical reinforcement across joint core have no obvious influence on crack shear force of joint, but have influence on distribution of diagonal cracks in joint. Results from the proposed formula is in agreement with that of experimental results, which provides reference for actual project.

reactive powder concrete; beam-column joints; crack capacity; influence factors

TU375.4

A

1672?7207(2019)05?1203?07

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.05.024

2018?06?22；

2018?08?22

國家自然科學基金資助項目(51378095)；吉林省科技發展計劃項目(20180101064JC)(Project(51378095) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20180101064JC) supported by the Science and Technology Development Program of Jilin Province)

王德弘，博士，講師，從事高性能混凝土材料與結構研究，E-mail：hitwdh@126.com

(編輯 伍錦花)