ECC/RC鍵槽節點裝配整體式梁柱結構倒塌性能試驗研究

何慶鋒　張麟斌　易偉建

摘???要：為了研究鍵槽連接節點裝配整體式梁柱結構倒塌性能以及不同后澆混凝土對其性能的影響，完成了2榀單層兩跨梁柱結構的移柱靜力加載試驗，其分別在節點鍵槽處后澆普通C30混凝土、高延性ECC混凝土.?試驗獲取了構件力-位移曲線、破壞形態以及變形性能等試驗數據.?研究結果表1明：鍵槽連接節點梁柱結構在滿足常規抗震荷載要求下，變形過程中能較好地形成梁機制、壓拱機制以及懸索機制，是一種較好的裝配式結構可采取的抗倒塌節點形式.?依靠ECC高延性、高極限壓應變等優越的材料性能，ECC鍵槽節點梁柱結構能表1現出更高的承載能力以及更好的節點延性.?鋼筋與混凝土之間的局部不均勻相對滑移有利于結構發展大變形，提高結構的抗倒塌性能.

關鍵詞：鍵槽節點;倒塌性能;梁柱結構;ECC;節點延性

中圖分類號：TU317???????????????????????????????????文獻標志碼：A

Experiment?Study?on?Collapse?Performance?of?Precast

ECC/RC?Composite?Beam-column?Structure?with?Key-way?Joints

HE?Qingfeng？，ZHANG?Linbin，YI?Weijian

（College?of?Civil?Engineering，Hunan?University，Changsha?410082，China）

Abstract：In?order?to?study?the?collapse?performance?of?beam-column?structure?with?key-way?joints?and?to?study?the?effect?of?different?post-cast?concrete?on?its?performance，static?loading?tests?for?two?single-story?two-span?beam-column?structures?were?performed.?In?the?two?specimens，ordinary?C30?concrete?and?high?ductility?ECC?concrete?were?poured?at?the?key-way?joints，respectively.?The?test?dates?of?force?displacement?curve，failure?mode?and?deformation?performance?were?obtained.?The?research?indicated?that?the?beam-column?structure?with?key-way?joints?developed?beam?mechanism，arch?mechanism?and?catenary?mechanism?in?turn?during?the?deformation?process?under?the?requirements?of?the?conventional?seismic?load.?It?was?a?good?anti-collapse?node?form?for?the?assembled?structure.?Relying?on?the?superior?material?properties?of?ECC，such?as?high?ductility?and?high?ultimate?compressive?strain，beam-column?structure?with?ECC?key-way?joints?can?exhibit?greater?load-carrying?capacity?and?better?ductility?of?joints.?The?local?non-uniform?relative?slip?between?steel?and?concrete?was?conducive?to?the?development?of?large?deformation?of?the?structure?and?improved?the?collapse?resistance?of?the?structure.

Key?words：key-way?joint;collapse?performance;beam-column?structure;ECC;node?ductility

何慶鋒等：ECC/RC鍵槽節點裝配整體式梁柱結構倒塌性能試驗研究

結構的連續倒塌是指由于外力使結構的某些關鍵構件失效后，相鄰結構發生與初始破壞不相稱的一系列倒塌破壞的過程[1].?結構的連續性倒塌不僅會導致人員傷亡和財產損失，還會有比較明顯的關于社會、心理、經濟的不良影響.近年來，我國大力推進住宅產業化和建筑工業化，裝配式結構由于現場濕作業少、建造工期短[2]等優點逐漸走進人們的視線.?然而裝配式結構難以完全實現“等同現澆”的倒塌性能，在現今的倒塌事故中裝配式結構不在少數，因此研究裝配式結構的抗連續倒塌性能具有重要的工程意義.

當前，已有國內外學者對裝配式結構的抗震性能進行了深入研究，朱張峰等人[3]完成了2種不同節點連接構造的裝配式混凝土剪力墻低周往復試驗，試驗結果表1明2種不同節點連接構造形式的剪力墻耗能性能與現澆結構基本一致，但干濕連接形式施工較復雜且優點不明顯，不建議采用.?蔡建國等人[4]完成了3個不同鍵槽長度世構體系框架中節點的低周往復試驗，試驗結果表1明世構體系能滿足現行的抗震規范要求.?Vasconez等人[5]完成了13個裝配式梁柱結構的低周往復試驗，其后澆層采用高強高延性纖維混凝土，結果表1明高強纖維混凝土能使結構節點更好地發揮塑性鉸性能.?裝配式結構抗倒塌性能的研究還處于起步階段，Kang等人[6-7]研究了梁柱結構的節點形式對結構抗連續倒塌的影響，結果表1明鋼筋搭接鍵槽節點和鋼筋彎起節點的抗倒塌性能基本與現澆結構一致.

在中柱失效的情況下，結構抵抗倒塌的能力取決于破壞節點底部鋼筋的連續與否以及失效節點的延性.?對于裝配式結構，底部鋼筋的連續性至關重要，而鍵槽連接節點很好地解決了這個問題，其采用U形連續鋼筋橫穿中節點，另一方面，該節點使得在結構關鍵部位后澆高延性材料變得方便且易施工.?工程水泥基復合材料（Engineered?Cementifious?Composite，簡稱ECC）在單軸拉伸作用下表1現為多縫開裂以及高拉伸應變等特性，極限拉應變可穩定地達到3%以上[8]，因此可在節點處后澆ECC來提高結構的倒塌能力.

本文基于鍵槽節點的基本構造及特性，設計并完成2榀單層兩跨梁柱結構的移柱靜力加載試驗，研究鍵槽連接節點梁柱結構的倒塌性能與受力特性，并通過后澆高延性ECC混凝土材料，分析節點延性對結構抗倒塌性能的影響.

1???試驗概況

1.1???試件設計

本試驗設計了2榀鍵槽連接節點單層兩跨梁柱結構，編號為J1、J2.?梁截面尺寸為150?mm×320?mm，柱截面尺寸為300?mm×300?mm，總跨度6?400?mm，總高度2?570?mm，梁高跨比為1?∶?10.?試件采用C30混凝土澆筑，預制梁、柱縱筋均采用HRB400，箍筋采用HPB300，鍵槽連接節點底筋基于承載能力等效原則采用HRB400鋼筋，兩榀框架節點后澆混凝土分別采用C30普通混凝土與高延性ECC混凝土.?鍵槽連接節點主要是由U形鋼筋、鍵槽、后澆混凝土三部分組成，其中U形鋼筋的作用主要是連接節點的兩端.?梁柱結構均按照二級抗震等級設計.?具體試件信息見表11，鍵槽節點詳圖如圖1所示，預制梁詳圖如圖2所示.

1.2???加載裝置和測量方案

試驗加載裝置如圖3所示.?模型框架通過壓梁及地腳螺栓固定在實驗室地基梁上，為防止框架在平面外失穩，在框架中柱的兩側設有側向反力架.?為了更真實地模擬結構的實際受力狀態，在邊柱反彎

（a）預制梁構造

點位置設置側向約束裝置以模擬邊跨對其的約束.?本試驗選取中柱為失效柱，在中柱上部通過液壓千斤頂進行加載，在澆筑階段由機械千斤頂頂替初始失效中柱.

試驗加載過程主要分為兩階段：第一階段為中柱下部機械千斤頂的卸載，每級卸載2?kN，并觀察是否有初始裂縫，直到千斤頂與中柱徹底脫開，到此為止，模擬中柱失效階段結束.?第二階段為中柱上部液壓千斤頂的加載，在結構未進入塑性階段前采用荷載控制加載，每級加載3?kN，每級加載完待數據穩定后，讀取各測點的荷載、應變、位移，并繪制裂縫.?當結構進入塑性狀態后，采用位移控制加載，每級加載20?mm，直到結構達到倒塌控制點.?試驗主要的測量內容包括中柱上下的荷載大小、各測點的位移、鋼筋和混凝土的應變以及兩側約束鋼桿軸力應變.?其中兩側約束鋼桿應變片布置及軸力計算見文獻[9].?具體測點布置方案如圖4所示.

1.3???材料性能試驗

為研究梁柱節點處后澆混凝土對抗倒塌性能的影響，本文主要采用普通混凝土以及ECC混凝土.?ECC是一種由水、水泥、粉煤灰、石英砂、減水劑、PVA等組成的水泥基復合材料.?目前常用的配合

比[10-12]見表12，本試驗采用密西根大學的配合比.

本試驗所采用的PVA纖維為日本可樂麗公司生產，其直徑為0.04?mm，長度12?mm.?通過對ECC澆筑的300?mm×50?mm×20?mm薄板試件進行四點彎薄板試驗，可考察其彎曲變形能力及多縫開裂性能，利用反分析法[13]，可得到材料的極限拉伸應變.?四點彎試驗裝置圖、典型荷載-撓度曲線如圖5所示.?由圖可看出，隨著薄板的第一次開裂，荷載并沒有突降至0，而是繼續增加，其最大跨中位移可達4.42?mm，根據試驗數據，通過文獻[13]所提出的公式計算ECC試件的極限拉應變.?表13給出了ECC以及普通混凝土、鋼筋的材料性能.

2???試驗結果及分析

2.1???荷載與位移曲線

圖6、圖7分別給出了中柱豎向荷載和兩側約束水平軸力與中柱豎向位移的關系曲線.?表14總結了XJ、J1、J2試件梁機制、壓拱機制以及懸索機制最大荷載值.?其中XJ結構為文獻[9]所完成，其結構配筋等與本文完全一致.?由圖可見，隨著中柱豎向位移的增加，梁柱結構依次經歷了明顯的梁機制階段（0a）、壓拱機制階段（ab）、懸索機制階段（ac）.

在梁機制階段，中柱端梁截面及邊柱端梁截面均受彎矩作用，直至截面受拉鋼筋屈服并形成塑性鉸，此階段結構抗力主要由梁截面的抗彎承載力來提供，即主要控制因素為梁縱筋強度.?三榀框架的梁柱配筋完全相同，因此三者的梁機制階段最大荷載基本一致.?XJ結構梁機制最大荷載為48.3?kN，J1、J2結構分別為47.1?kN及47.6?kN，鍵槽節點相比于現澆節點梁機制最大荷載偏小的原因在于鍵槽節點預留鍵槽使得梁下部鋼筋的保護層厚度增加至50?mm，因此抗彎承載力偏小.?在按塑性理論計算結構的抗彎承載力時，假設了靠近中柱端梁底受拉鋼筋和靠近邊柱端梁頂受拉鋼筋均達到屈服狀態.?由表14可見結構理論抗彎承載力與試驗值吻合良好.

隨著中柱豎向位移的繼續增加，結構進入壓拱機制階段.?邊柱端梁中性軸的下移以及中柱端梁中性軸的上移導致中性層在梁截面高度方向進行轉動，而此轉動變形被兩端柱所約束，從而在梁內產生了軸向壓力，結構抗力得以繼續增加.?在此階段，梁端縱筋已屈服，主要控制因素變為梁端截面受壓區混凝土.?由表14可見由于壓拱作用的存在，XJ、J1、J2三個試件壓拱機制階段的最大荷載值相比于梁機制階段最大荷載值均增加了約20%.?即壓拱機制階段結構的抗力由結構抗彎承載力和壓拱作用共同組成，壓拱作用在結構抗力中占比約為20%，對于有壓拱作用的結構，其壓拱階段結構最大抗力可由結構抗彎承載力乘一個放大系數1.25進行預測.

在壓拱機制階段，XJ結構的最大荷載為60.6?kN，J1結構為57.2?kN，比J1大5.6%，其同梁機制階段荷載偏小原因一致.?而在鍵槽內后澆高極限壓應變的ECC材料使得結構壓拱機制最大荷載相比于后澆普通C30混凝土增大了約4.3%.?從圖6曲線中可看出，隨著梁端受壓區混凝土的壓碎，荷載開始下降，對于J1結構，普通C30混凝土由于延性、密實度較差，下降出現明顯的拐點，且下降數值較大，節點延性較差;而對于J2結構，ECC混凝土延性較高，密實度較好，荷載下降平緩，且下降的幅度較小，即高延性、高密實度的ECC混凝土能有效地改善新舊混凝土表1面之間的黏結問題、提高節點的延性.

在懸索機制階段，XJ結構的最大荷載值為86.1?kN，相比于壓拱機制階段最大荷載值增加了42%，J1結構的最大荷載值為59.1?kN，相比于壓拱機制階段最大荷載增加了3%，即懸索機制的存在使得結構在大變形階段仍能保持小變形階段的抗力甚至更高，進而規避結構倒塌的風險.?但是鍵槽節點懸索機制帶來的效應遠沒有現澆結構高，其原因為在懸索機制階段，結構主要是通過鋼筋的拉力來提供抗力，對于鍵槽節點，其底筋并非完全連續，需要通過鋼筋與混凝土之間的摩擦力來傳遞拉力，因此懸索階段的最大荷載有所降低，具體解釋見下文.

2.2???破壞形態

裂縫開展主要分為兩階段，即梁機制與壓拱機制發展階段.?裂縫主要出現在梁兩端，由受拉方向向受壓方向發展.?當受拉鋼筋屈服后，梁端裂縫開展集中在梁與中柱交界面處，這一階段的裂縫主要由結構發生彎曲變形所引起，此階段J1、J2試件的裂縫發展情況基本一致.?在懸索階段，梁全截面受拉，因此從梁兩端向內不斷出現受拉裂縫，直至發展成截面貫通裂縫，J1由于在加載過程中中柱有一定的偏轉，因此偏轉側梁的受拉裂縫明顯多于另一側梁.?由圖8（d）可看出，由于J2并未開展懸索階段，因此J1比J2受拉裂縫開展更加充分，J2受拉裂縫較少，并且全截面貫穿裂縫也較少.?試件最終破壞形態照片見圖8，具體描述見表15.

（a）倒塌極限狀態

（b）J1中柱底筋斷裂

（c）J2中柱底筋斷裂

（d）裂縫開展情況

試驗中并未發生后置U形鋼筋被拔出等黏結失效破壞，表1明鍵槽長度能滿足鋼筋錨固長度要求.?表16為各學者試驗所用的鍵槽長度，也可表1明規范[14]規定的鍵槽長度能同時滿足結構抗倒塌要求以及抗震要求.?在梁疊合層交界面處未觀察到水平裂縫，說明預制梁頂部粗糙面的施工滿足要求，后澆混凝土和預制梁結合良好.

2.3???應變變化

梁柱鋼筋應變測點及混凝土應變測點見圖4.?由圖9可看出，靠近中柱端梁底部鋼筋S14在試驗加載開始后就一直處于受拉狀態，隨著懸索機制的開展，鋼筋受拉導致應變片瞬間破壞.?梁頂部鋼筋S15起初處于受壓狀態，大約在底部鋼筋屈服后，逐漸轉化為受拉狀態.?靠近邊柱梁端鋼筋S3、S5的變化趨勢與S15、S14基本一致.?隨著梁機制的形成，柱底左側鋼筋S20及混凝土C4起初處于受壓狀態，之后隨著結構由壓拱機制向懸索機制的轉化，受壓應變逐漸轉化為受拉應變，柱底右側的趨勢剛好與左側相反.?這與結構的實際受力情況基本一致.?在梁跨中沿截面布置了3個混凝土應變片，用來測量梁在試驗中軸力的變化，布置C1、C2是為了消除彎矩對軸力的影響.?由圖中可看出，梁起初軸力為壓力，這與梁機制、壓拱機制的開展一致.?隨著懸索機制的開展，梁軸壓力逐漸轉化為軸拉力.

試驗中通過放置在梁跨中的位移計獲取不同階段的位移，圖10和表17分別給出了J1、J2的梁變形曲線和弦轉角.?總體上看，梁變形曲線均呈現出彎曲變形狀態.?隨著中柱位移的增加，節點處混凝土壓碎剝落，邊柱節點發生轉動.?在梁機制、壓拱機制階段，中柱位移較小，此時梁幾乎保持直線，J1、J2左弦轉角和右弦轉角基本一致.?在懸索機制階段，J1梁的左右弦轉角差別較大，這是由于鍵槽節點內鋼筋與混凝土之間發生了相對滑移，導致中柱端左側梁與右端梁鋼筋受力不一致，中柱發生偏轉.?而J2梁最終狀態中柱也偏轉嚴重是因為中柱端右側梁底部鋼筋斷裂之后繼續加載，導致中柱往受力較弱側方向

偏轉.

2.4.2???受力機制

圖11為中節點處梁端鋼筋分布的俯視圖，圖6中荷載突然下降點為J1、J2中柱端梁截面底縱筋A/B的斷裂，在圖中用×表1示.?由圖12中柱端梁截面縱筋的應變變化情況可知，J1結構的S14鋼筋應變片（鋼筋B）在中柱位移150～200?mm時基本保持不變，并在210?mm左右有些許下降，并且包裹此鋼筋鍵槽的混凝土也有水平裂縫，說明鋼筋B相對于混凝土產生了相對滑移.?其原因可能是普通C30混凝土骨料粒徑相對較大且不均勻，鋼筋與混凝土之間的有效握裹不佳，導致產生局部滑移.?而ECC材料粒徑小，延性較好，屬于自密實材料，在鍵槽內與鋼筋黏結較好，在鋼筋變形過程中，高延性ECC與鋼筋的變形協調一致，2根縱筋受力情況基本一樣，未發生相對滑移.?J2結構S17鋼筋（鋼筋B）應變片，其沒有相應的平直段.?值得注意的是，J1?結構只斷裂了縱筋中的1根（鋼筋B），接著順利形成了懸索機制，而J2結構則是2根縱筋同時斷裂（鋼筋A和B?），導致無法形成懸索機制.?由此可知鋼筋與混凝土之間的局部相對滑移有利于結構發生大變形，有利于提高結構的抗倒塌能力.

由圖7可知，由于J1、J2中柱端梁截面底縱筋的斷裂，使得水平軸力變化速率突變，更快地向懸索機制轉變，當豎向位移達到275?mm，即梁高的85%時，壓拱機制逐漸結束，懸索機制開始，此時水平軸力開始表1現為拉力，并且不斷增大，直到結構發生倒塌破壞.?J1有明顯的懸鏈線效應，且懸索機制的最大承受荷載大于梁機制的最大荷載，對比現澆結構懸索階段荷載增加幅度并沒有那么大，這是由于在懸索階段，結構主要是通過梁內通長鋼筋的拉力來提供抗力.?對于鍵槽節點，從圖11可明顯看出，其底筋并非完全連續，貫穿中節點的A、B縱筋需要通過鋼筋與混凝土之間的摩擦黏結力來把拉力傳遞給C、D、E、F縱筋.?從圖12中J1結構S12應變片（鋼筋D）數據來看，在懸索階段，鋼筋D并沒有達到極限狀態，變形以及拉力集中在U形鋼筋，因此懸索階段的最大荷載有所降低.

3???結???論

本文通過對2榀單層兩跨梁柱結構的移柱靜力加載試驗，對試件的力-位移曲線、結構破壞形態以及變形性能等進行了詳細分析，得出以下結論：

1）鍵槽連接節點梁柱結構在中柱失效工況下能較好地形成梁機制、壓拱機制以及懸索機制，是一種較好的裝配式結構可采取的抗倒塌節點形式.

2）由于ECC的高延性、高極限壓應變等材料性能，使得采用ECC的鍵槽節點梁柱結構具有較高的承載能力以及更好的節點延性，因此，基于梁機制設計的裝配整體式混凝土結構節點區域采用高延性材料具有較好的抗倒塌能力.

3）鋼筋與混凝土之間的不均勻相對滑移會導致裂縫的不對稱發展以及鋼筋的不均勻受力，但其有利于結構倒塌過程中的大變形發展，因此，能大幅提高結構的抗倒塌性能.

4）壓拱作用所貢獻的抗力在結構壓拱階段最大抗力中大約占20%，對基于梁機制倒塌設計的梁柱結構，可以按塑性理論計算值乘放大系數1.25進行設計.

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