HRB600鋼筋鋼纖維混凝土梁柱邊節點抗震性能試驗研究

張健新，張標，丁傳林

(河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401)

隨著高性能結構的發展，普通鋼筋混凝土結構已經很難滿足現代化結構的要求，許多學者關注高強鋼筋高性能混凝土結構的研究[1-2]。作為混凝土結構關鍵部位的梁柱節點，其抗震需求較高，因此，需要配置足夠數量的鋼筋，由此導致節點區域鋼筋密集。特別是梁柱邊節點，梁縱筋在節點區域彎折錨固致使節點區域鋼筋密集，澆筑混凝土容易擁堵而不容易密實[3-4]。采用HRB600高強鋼筋可以減少鋼筋用量，減少節點區域鋼筋擁堵。學者們進行了配置HRB600高強鋼筋混凝土梁柱節點構件的抗震性能試驗與理論分析[5-7]。張健新等[8]發現應用HRB600高強鋼筋高強混凝土節點具有良好的滯回性能。Hwang等[9]進行配置600 MPa鋼筋的梁柱節點擬靜力試驗，發現梁底部鋼筋粘結滑移較為明顯。為了解決高強鋼筋梁筋粘結性能差的問題，可以采用纖維增強類混凝土。纖維增強類混凝土具有抑制裂縫發展、改善結構開裂性能等優勢[10-13]，在工程中得到了廣泛應用。學者們進行了纖維增強類混凝土梁柱節點的相關研究，取得了一定的研究成果[14-15]。韓建平等[16]對混雜纖維增強的梁柱節點進行抗震性能試驗研究。Qureshi等[17]對摻加鋼纖維和玻璃纖維的混凝土梁柱節點的剪切性能進行研究。以上纖維增強類混凝土梁柱節點中梁柱鋼筋采用普通鋼筋，梁筋在低應力水平下表現出較好的粘結性能。當梁縱筋采用HRB600高強鋼筋時，節點段梁筋的應力水平會較高，與鋼纖維混凝土在核心區域的粘結性能方面的研究尚未涉及。

為研究HRB600高強鋼筋在高應力水平下與鋼纖維混凝土在梁柱邊節點區域的粘結性能，筆者設計了改善HRB600梁筋粘結性能的鋼纖維整體增強或局部增強的梁柱邊節點。通過進行低周往復荷載試驗，對比分析高強鋼筋、鋼纖維混凝土增強范圍以及剪壓比對梁柱邊節點抗震性能的影響。

1 構件設計

共設計和制作4根梁柱邊節點，分別為配置HRB600高強鋼筋的普通混凝土梁柱邊節點BJ1、配置HRB400普通鋼筋的普通混凝土梁柱邊節點BJ2、配置HRB600高強鋼筋的鋼纖維整體增強混凝土梁柱邊節點BJ3和配置HRB600高強鋼筋的鋼纖維局部增強混凝土梁柱邊節點BJ4，構件BJ3和BJ4主要是為了分析鋼纖維增強范圍對節點破壞形態的影響，鋼纖維體積百分含量為1.2%。整個試驗的主要參數變化為鋼筋的強度等級、混凝土的種類、鋼纖維混凝土的應用范圍以及剪壓比，各試件試驗參數見表1。剪壓比γ為截面平均剪應力與混凝土軸心抗壓強度設計值之比，按式(1)計算[18]。

(1)

式中：Vj為節點剪力，按照《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)中公式11.6.2-4計算；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；bj和hj為節點核心區截面寬度和高度。

表1 各試件參數Table 1 Parameters of specimens

與構件BJ4相比，配置HRB400普通鋼筋的邊節點構件BJ2柱縱筋采用等面積代換以滿足“強柱弱梁”的設計原則，梁縱筋采用近似等強代換以實現梁端彎矩近似相等。各試件的配筋圖如圖1所示，圖中E代表HRB600鋼筋。

圖1 試件配筋詳圖Fig.1 Details of specimen reinforcement

混凝土強度等級為C55，普通混凝土立方體抗壓強度實測平均值為55.6 MPa，鋼纖維混凝土的為57.3 MPa。試件梁柱縱筋為HRB600/HRB400鋼筋，箍筋為HRB400鋼筋，各鋼筋的力學性能見表2。

表2 鋼筋力學性能實測平均值Table 2 Measured average mechanical properties of reinforcement bars

構件采用梁端加載，加載裝置如圖2所示。先通過豎向千斤頂施加柱頂505 kN恒定荷載以模擬軸壓力，試件屈服之前通過拉壓千斤頂在梁端施加力，每級循環1次，屈服之后在梁端施加位移，每級循環3次，直至梁端荷載下降到極限荷載的85%時，認定試件破壞。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test loading device

2 破壞形態

各試件的最終破壞形態如圖3所示。

圖3 試件破壞形態Fig.3 Failure modes of specimens

配置HRB400普通鋼筋的普通混凝土梁柱邊節點試件BJ2和配置HRB600高強鋼筋的普通混凝土梁柱邊節點試件BJ1在破壞時，節點核心區均有大面積的混凝土剝落，試件BJ1核心區混凝土的剝落量稍高。這個結果在一定程度上與試件BJ1的剪壓比比試件BJ2的剪壓比大(約12.4%)有關，在一定程度上加重了節點核心區剪切破壞程度。與普通混凝土邊節點試件BJ1、BJ2相比，鋼纖維增強HRB600高強鋼筋混凝土試件BJ3和BJ4的裂縫數量多，破壞時核心區混凝土保護層未出現明顯脫落，這主要是由于鋼纖維限制了裂縫的開展與傳播，從而有效控制了核心區混凝土剝落。相對于剪壓比較小的鋼纖維局部增強混凝土梁柱邊節點試件BJ4，剪壓比較大的鋼纖維整體增強混凝土梁柱邊節點試件BJ3的開裂形式和裂縫分布規律基本相同，同時，試件BJ3核心區混凝土保護層出現輕微脫落，而剪壓比較小的鋼纖維局部增強混凝土梁柱邊節點試件BJ4混凝土脫落不明顯，表明在鋼纖維增強混凝土梁柱邊節點中，降低剪壓比更有利于減少核心區混凝土的損傷。

3 試驗數據結果及分析

3.1 滯回曲線

各試件的實測荷載-位移滯回曲線如圖4所示。

圖4 荷載-位移滯回曲線Fig.4 Load-displacement hysteresis curve

對比邊節點試件BJ1和試件BJ2可以看出，采用HRB600高強鋼筋的試件BJ1滯回環更加飽滿，且極限承載力更高，說明應用HRB600高強鋼筋可以提高試件的承載能力和耗能能力。對比邊節點試件BJ1、BJ3和BJ4可以看出，采用鋼纖維整體增強或局部增強的梁柱邊節點試件BJ3和BJ4，滯回環更為飽滿，捏縮效應得到改善。相對于鋼纖維混凝土整體增強的試件BJ3，鋼纖維混凝土局部增強的試件BJ4承載力稍有下降，滯回曲線飽滿程度略差，說明鋼纖維混凝土整體增強試件的滯回效果更好。

3.2 剛度退化

剛度退化情況是分析節點抗震性能的另一個重要因素，剛度退化曲線如圖5所示。剛度退化率為割線剛度與初始割線剛度的比值,割線剛度Ki按式(2)計算。

(2)

式中：+Fi和-Fi為第i循環的正向和負向荷載，+Δi和-Δi為第i循環對應的位移。

圖5 剛度退化曲線Fig.5 Stiffness degradation curve

試件的剛度退化經歷陡降段、緩降段和近平臺段。配置HRB600鋼筋邊節點試件BJ1比配置HRB400鋼筋試件BJ2的剛度退化率較大，剛度退化較為緩慢，表明采用高強鋼筋能夠有效緩解節點的剛度退化。對比配置HRB600鋼筋普通混凝土梁柱邊節點試件BJ1和配置HRB600鋼筋鋼纖維整體增強混凝土梁柱邊節點試件BJ3，試件BJ3的剛度退化曲線更加平緩，這主要是因為鋼纖維通過限制裂縫的發展最終保證了節點核心區的整體性，進而緩解節點的剛度退化。與剪壓比較低的鋼纖維局部增強HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ4相比，剪壓比較高的鋼纖維整體增強HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ3的剛度退化較為緩慢，表明增大鋼纖維混凝土的應用范圍可以延緩節點的剛度退化。

3.3 耗能能力

結構的耗能能力是評判結構抗震性能的重要因素，取當前循環之前每個滯回環的面積之和為累積耗能，各個構件的累積耗能曲線如圖6所示。

圖6 累積耗能曲線Fig.6 Cumulative energy dissipation curve

配置HRB600鋼筋混凝土試件BJ1比配置HRB400鋼筋混凝土試件BJ2的累積耗能值高，表現出更高的耗能能力，表明提高鋼筋強度等級會增加結構的能量耗散。與配置HRB600鋼筋普通混凝土梁柱邊節點試件BJ1相比，鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ3在加載中后期具有較高的累積耗能值，表明其具有較高的耗能能力。鋼纖維局部增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ4，由于其梁筋的配筋率較小，破壞時節點相應的承載能力較低，因此，滯回環的面積相對較小，致使其累積耗能值比未增強的HRB600鋼筋混凝土邊節點的略低。

3.4 承載能力和位移延性

各邊節點荷載及位移見表3，邊節點的延性系數如圖7所示。延性系數為破壞位移與屈服位移的比值。

表3 各試件荷載及位移Table 3 Load and displacement of specimens

圖7 試件延性系數Fig.7 Ductility factor of specimens

相較于配置HRB400普通鋼筋的普通混凝土梁柱邊節點試件BJ2，配置HRB600鋼筋梁柱邊節點試件BJ1的屈服、極限和破壞荷載平均值分別比試件BJ2高4.7%、9.3%和9.4%，說明在普通混凝土結構中，用HRB600鋼筋的試件承載能力得到提高。相比普通混凝土試件BJ1，鋼纖維整體增強的邊節點試件BJ3的開裂、屈服、極限和破壞荷載相差不明顯，鋼纖維對試件的承載力貢獻幾乎可以忽略。與配置HRB600鋼筋普通混凝土梁柱邊節點試件BJ1相比，鋼纖維整體增強HRB600鋼筋的邊節點BJ3和鋼纖維局部增強HRB600鋼筋試件BJ4的開裂位移平均值分別提高約6.6%和24.8%，表明采用鋼纖維通過提高混凝土的抗拉性能和抗裂性能來提高節點的開裂位移。高強鋼筋試件BJ1、BJ3和BJ4分別比普通鋼筋混凝土試件BJ2的破壞位移平均值高14.4%、21.4%和3.7%，延性系數平均值分別比BJ2試件高5.4%、14.4%和4.5%，表明HRB600鋼筋可以提高邊節點的變形能力和延性性能。與鋼纖維局部增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ4相比，鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點BJ3的屈服位移、破壞位移和延性系數平均值分別高約5.2%、17.0%和9.3%，說明采用鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土邊節點具有較高的變形能力和延性性能。鋼纖維局部增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點BJ4的反向屈服位移略大，破壞位移略小，其反向延性系數為2.98，略小于3.0，但正反向平均位移延性系數為3.48，具有良好的延性性能。

3.5 節點核心區剪切變形

在梁柱邊節點的核心區沿對角線方向布置兩個位移計，通過測量變形來計算核心區的剪切變形[2]，各節點的剪切-轉角滯回曲線如圖8所示。

圖8 剪力-轉角滯回曲線Fig.8 Shear-rotational hysteresis curve

配置HRB600鋼筋的邊節點試件BJ1比配置HRB400鋼筋的試件BJ2的剪力高，節點核心區的剪切變形較大，這主要是由于配置HRB600鋼筋試件BJ1的剪壓比比配置HRB400鋼筋試件BJ2的剪壓比大約12.4%，試件BJ1采用HRB600高強鋼筋，試件的受剪承載力增加約9.3%，在一定程度上增加了節點核心區剪切破壞程度。

鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ3和鋼纖維局部增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ4在整個試驗過程中核心區的剪切變形較小，說明應用鋼纖維混凝土通過改善節點核心區的破壞形態，從而限制節點核心區的剪切變形。

3.6 節點段的梁筋粘結退化

通過梁端300 mm及核心區的梁縱筋每隔50 mm粘貼應變片計算得到粘結應力與極限粘結應力比值[19]，繪制節點段的梁筋粘結退化曲線如圖9所示。粘結應力τb按式(3)計算。

(3)

式中：Tbr、Csl分別為節點段梁筋所受的拉力和壓力；hc為水平錨固段長度；Sb為鋼筋周長。

圖9 梁筋粘結退化曲線Fig.9 Beam reinforcement bond degradation curve

配置HRB600高強鋼筋的邊節點試件BJ1比配置HRB400鋼筋的試件BJ2的節點段梁筋粘結退化快，主要是由于隨著節點變形的增加，HRB600梁筋的屈服滲透過快，從而導致梁筋粘結退化程度加快，這在一定程度上限制了HRB600高強鋼筋的優良性能的發揮。

鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ3和鋼纖維局部增強的HRB600鋼筋混凝土梁柱邊節點試件BJ4在加載中后期節點段梁筋的粘結應力比較大，其粘結退化較為緩慢，主要是因為鋼纖維能夠有效限制裂縫的發展，在構件破壞時，節點核心區混凝土較完整，因此，梁筋具有較好的粘結條件，其粘結退化較為緩慢，HRB600鋼筋與鋼纖維混凝土具有良好的協同工作能力。鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋邊節點試件BJ3梁筋的粘結條件優于鋼纖維局部增強的邊節點試件BJ4，其粘結應力比較大，梁筋粘結退化程度較為緩慢。

4 結論

1)配置HRB600/HRB400鋼筋混凝土梁柱邊節點呈現較為嚴重的核心區剪切破壞，剪切變形較大，梁筋粘結退化較為嚴重。鋼纖維整體增強或局部增強的措施可以改善HRB600鋼筋邊節點的破壞形態，節點核心區完整性較好，節點核心區的剪切變形得到有效控制，節點段的梁筋粘結退化得到有效減緩。

2)配置HRB600鋼筋混凝土邊節點表現出較高的承載能力、耗能能力和延性性能，剛度退化得到有效減緩。鋼纖維整體增強或局部增強的HRB600鋼筋混凝土邊節點比未增強的邊節點的耗能能力得到提高，剛度退化得到減緩。

3)鋼纖維混凝土與高強鋼筋協同工作能力優于普通混凝土，采用鋼纖維整體增強的HRB600鋼筋混凝土邊節點表現出較高的延性性能和耗能能力，較為緩慢的剛度退化和梁筋粘結退化性能。綜合考慮抗震性能與施工的便捷性，建議對配置HRB600鋼筋邊節點整體采用1.2%體積百分含量的鋼纖維混凝土。