裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點加固方法研究

摘要：建筑梁柱節(jié)點是受力最多的部位，外力破壞下最先發(fā)生破壞，對此提出裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點加固方法.使用芳綸纖維布實現(xiàn)梁柱節(jié)點加固，按照加固層數(shù)與加固方式不同制備4種試件，利用千斤頂向試件施加荷載模擬外力破壞，測試各個試件的承載力，同時構(gòu)建有限元模型計算并繪制試件的滯回曲線、骨架曲線與延性變化.試驗結(jié)果表明，纏繞兩層芳綸纖維布并在節(jié)點位置二次加固的試件C具有良好的承載力，從滯回曲線與骨架曲線變化效果可以確定該試件能夠承載較為嚴(yán)重的外力破壞，同時該試件延性系數(shù)提高率達到21.92%，加固性能良好.

關(guān)鍵詞：裝配式；混凝土；建筑梁柱；節(jié)點加固；芳綸纖維布；承載力

中圖分類號：U446"" 文獻標(biāo)志碼：A

Research on Strengthening Methodof Prefabricated Concrete Beam Column Joints

LIN Lin

（Department of Civil Engineering and Architecture， Liming Vocational University， Quanzhou 362000， Fujian， China）

Abstract：Building beam-column joints are the most stressed parts， and the first damage occurs under external force damage. Therefore， the reinforcement method of beam-column joints of assembled concrete buildings is studied. Aramid fiber cloth was used to reinforce the beam-column joints. Four kinds of specimens are prepared according to the number of reinforcement layers and reinforcement methods. The jack is used to apply load to the specimens to simulate the external force failure， and the bearing capacity of each specimen is tested. At the same time， the finite element model is constructed to calculate and draw the hysteresis curve， skeleton curve and ductility change of the specimens. The test results show that the specimen C with two layers of aramid fiber cloth and secondary reinforcement at the joint position has better bearing capacity. From the hysteresis curve and the skeleton curve change effect， it can be determined that the specimen can bear more serious external force damage， at the same time， the ductility coefficient of the specimen increases by 21.92， and the reinforcement performance is good.

Key words：prefabricated; concrete; building beam and column; node reinforcement; aramid fiber cloth; bearing capacity

我國建筑化水平不斷加快，裝配式建筑質(zhì)量優(yōu)、成本低、效率高等眾多優(yōu)勢使得裝配式建筑在各個城市項目中的使用率逐漸增大［1］.雖然裝配式建筑是在工廠中提前將各個構(gòu)建建造完成，只需要在施工現(xiàn)場將各個構(gòu)建拼接完成.裝配式建筑的基礎(chǔ)材料仍然是混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)中包含配筋與箍筋，保證混凝土的剛度與強度都足夠大，成本與純鋼結(jié)構(gòu)相比更低，可塑造性與整體性更好，面對地震、爆破等破壞情況時能夠在一定程度上抵御沖擊，正是這些優(yōu)勢，使得混凝土材料應(yīng)用在多個領(lǐng)域，比如房屋、橋梁、道路等［2-4］，但是混凝土自身又較為脆弱，如果外界環(huán)境發(fā)生變化或者受到人為因素影響，混凝土?xí)l(fā)生斷裂、破損或者腐蝕等情況，降低混凝土構(gòu)件使用的年限，影響混凝土的承載力和抗力，導(dǎo)致混凝土構(gòu)件在使用過程中安全性受到嚴(yán)重威脅［5］.對于裝配式混凝土建筑來說，混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定性與安全性直接影響整個建筑結(jié)構(gòu)的使用程度，假如應(yīng)用于裝配式建筑的混凝土梁柱節(jié)點較為脆弱，遭受地震及自然災(zāi)害時，會直接發(fā)生坍塌等情況［6-8］，將會造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失與生命損失，面對這一問題，需要探索解決方式加固混凝土梁柱節(jié)點的性能，確?；炷亮褐?jié)點能夠在裝配式建筑中發(fā)揮良好作用.已經(jīng)有許多學(xué)者對混凝土梁柱節(jié)點加固作出了相關(guān)研究.張景峰［9］提出使用碳纖維布加固混凝土梁柱節(jié)點，這種加固方法是目前最常使用的加固方法，但是仍然需要尋求突破，提升加固效果.周春利等［10］提出使用鋼板結(jié)構(gòu)加固混凝土梁柱節(jié)點，盡管這種加固方式能夠獲得較為良好的效果，但是成本較高.

芳綸纖維布是纖維增強復(fù)合材料的一種，與常見的碳纖維材料相比，具有更加強大的耐高溫、耐酸堿腐蝕的能力，抗沖擊性與延展性更高.芳綸纖維布的熱穩(wěn)定性較強，即使在高溫環(huán)境中也不會發(fā)生變形，這就提升了裝配式建筑的耐火性能.而且使用芳綸纖維布不用考慮與配筋接觸產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這種纖維材料抗剪強度較高，倒角半徑僅為10 mm，局部沖擊承受力較強，能夠有效提升裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點抵御外力沖擊的能力［11-12］.

本文研究使用芳綸纖維布作為裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點加固的基本方法，調(diào)整加固角度與加固層數(shù)，研究出最有利于提升裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點性能的加固方法.

1 材料方法

1.1 材料

芳綸纖維布（AFRP）由山東省日照市凱達建筑材料有限公司生產(chǎn)；C35混凝土由山東省青島市思諾建筑科技有限公司生產(chǎn).

1.2 加固方法

本文所采取芳綸纖維布加固裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點，該芳綸纖維布的彈性模量為1.29*105 MPa，厚度與極限抗拉強度分別為0.184 mm與2 171 MPa，加固模型如圖1所示.

從圖1中能夠看出，針對建筑梁結(jié)構(gòu)，使用芳綸纖維布粘貼在混凝土梁上部與下部，粘貼完成后，由梁左側(cè)至梁右側(cè)橫向每間隔6 cm由上至下纏繞芳綸纖維布，接近梁柱節(jié)點位置時反復(fù)纏繞芳綸纖維布；針對建筑柱結(jié)構(gòu)，在柱的左右兩側(cè)分別粘貼適量芳綸纖維布，確定粘貼牢固后，以節(jié)點位置為起點，上下40 cm的位置使用芳綸纖維布依次纏繞固定，形成芳綸纖維箍.地震或者爆破等荷載之下，建筑混凝土梁柱節(jié)點是最容易出現(xiàn)破壞的部位，為了確保節(jié)點位置的穩(wěn)固性，需要在節(jié)點位置使用芳綸纖維布以十字交叉的形狀再次纏繞芳綸纖維布.試件加固過程中，為探索芳綸纖維布的合適用量，分別設(shè)計不同芳綸纖維布的使用層數(shù)，采用4組試件：①試件A，對照試件，未使用芳綸纖維布加固的原始裝配式梁柱；②試件B，纏繞1層芳綸纖維布；③試件C，纏繞2層芳綸纖維布；④試件D，纏繞2層芳綸纖維布，但是不在梁柱中心位置交叉布置芳綸纖維布.

1.3 加載方法

各個試件荷載主要加載在端柱位置，驗證不同加固方式加固混凝土建筑梁柱節(jié)點后各個試件的性能.豎向荷載的獲取則需要使用液壓千斤頂向各個試件施加豎向的荷載，每個試件只經(jīng)歷一次荷載，試驗過程確保所施加的荷載始終處于恒定狀態(tài).利用推拉千斤頂向試件施加水平低周反復(fù)荷載，每增加一級荷載，反復(fù)施加兩次荷載.如果試件未出現(xiàn)開裂情況下，就利用荷載控制加載方式；如果各個試件出現(xiàn)裂縫，就使用位移控制方法控制加載方式.加載過程中多次觀察試件變化情況，如果試件破壞嚴(yán)重則需要立即停止試驗［14-15］.

1.4 性能測試

（1）承載力計算

已有研究表明，使用芳綸纖維材料加固混凝土建筑梁柱節(jié)點與使用箍筋的作用是一樣的，使用芳綸纖維布加固梁柱節(jié)點以后，芳綸纖維布、箍筋以及混凝土共同承擔(dān)承載力，由此可以確定，加固后的梁柱節(jié)點承載力是梁柱節(jié)點混凝土、箍筋、芳綸纖維布承載力設(shè)計值以及混凝土與箍筋共同承載力設(shè)計值的總和，其中芳綸纖維布承載力設(shè)計值使用式（1）計算.

Vf=αf*h0*ff，yAf/Sf，（1）

式中，h0與αf分別表示混凝土梁柱節(jié)點截面有效高度與芳綸纖維布的受剪折減系數(shù)；Sf與Af分別用于描述芳綸纖維布纏繞間距與同側(cè)粘貼芳綸纖維布的面積，其中Af=2nfωftf、nf和ff，y分別用于描述芳綸纖維布的使用層數(shù)與抗拉強度值，ωf和tf則分別為單層芳綸纖維布的寬度與厚度.

（2）有限元模型構(gòu)建

為獲得更多有關(guān)混凝土建筑梁柱節(jié)點加固后相關(guān)性能的變化情況，構(gòu)建混凝土建筑梁柱節(jié)點的有限元模型，在該模型中模擬并計算各個試件加固后受到荷載破壞后各力學(xué)性能的變化情況.使用ANSYS有限元軟件構(gòu)建本文所研究4個試件的混凝土建筑梁柱節(jié)點有限元模型，混凝土單元使用Solid65單元構(gòu)建，配筋、箍筋等內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用Link8單元構(gòu)建，芳綸纖維布使用Shell41單元構(gòu)建.混凝土建筑梁柱節(jié)點的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示.

構(gòu)建模型過程中為減少建模計算所消耗的時間，不考慮混凝土自身的保護層厚度.模型構(gòu)建時，假設(shè)混凝土與芳綸纖維布之間具有較好的粘結(jié)性能，模型在混凝土表面定義芳綸纖維布單元，此后再劃分網(wǎng)格，保證混凝土與芳綸纖維布的節(jié)點共用.模型構(gòu)建中，將該荷載破壞導(dǎo)入模型之中，在模型中模擬出各個試件的破壞形態(tài).在此基礎(chǔ)上利用有限元軟件計算各個加固方法下各試件的相關(guān)性能，包括：①在有限元模型中計算并繪制各試件的滯回曲線；②在有限元模型中計算并繪制各試件的骨架曲線.

（3）延性計算

利用混凝土梁柱節(jié)點最常使用的圖解法計算本文所制備4個試件的延性變化情況，根據(jù)上文計算獲得的骨架曲線變化規(guī)律得出各個試件的屈服位移Δy，極限位移Δu就是骨架曲線下降部分的85%最大荷載處，使用式（2）計算位移延性系數(shù)Δμ.

Δμ=Δu++Δu－/Δy++Δy－.（2）

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

各個試件受到荷載影響，出現(xiàn)損壞的形貌如圖3所示，圖中各個破壞區(qū)域均靠近混凝土建筑梁柱節(jié)點區(qū)域.

從圖3（a）可以看出，未使用加固方式的對照試件受到荷載破壞影響，在梁柱節(jié)點位置出現(xiàn)大量裂縫，部分位置甚至出現(xiàn)混凝土脫落的嚴(yán)重情況，呈現(xiàn)較為明顯的剪切破壞形式；圖3（b）試件B僅加固一層芳綸纖維布，經(jīng)過荷載破壞以后，芳綸纖維布出現(xiàn)明顯斷裂，被包裹的混凝土出現(xiàn)酥脆情況，呈現(xiàn)出明顯剝落情況；圖3（c）試件C使用兩層芳綸纖維布加固混凝土梁柱節(jié)點，雖然受到荷載影響，但是外層包裹的芳綸纖維布并沒有出現(xiàn)較為明顯的斷裂，為方便觀察內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)變化情況，使用人工脫落的方式拆除芳綸纖維布，從圖中能夠看出，雖然試件C內(nèi)部的混凝土出現(xiàn)明顯裂縫，有少量混凝土剝落，但是沒有出現(xiàn)明顯露筋情況，說明這種加固方式加固裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點，在外力破壞下能夠呈現(xiàn)較為良好的加固效果；圖3（d）試件D同樣使用兩層芳綸纖維布加固，但是梁柱交叉的中心位置未使用芳綸纖維布加固，在荷載破壞作用下，梁柱節(jié)點位置出現(xiàn)明顯混凝土脫落，混凝土整體已經(jīng)酥脆，不能再承受外力破壞，部分配筋顯露出來，破壞情況較為嚴(yán)重.

2.2 承載力結(jié)果分析

各個試件承載力試驗結(jié)果如圖4所示.

從圖4（a）可以看出，使用芳綸纖維布加固混凝土建筑梁柱節(jié)點后，并沒有明顯改變各個試件的開裂荷載，試件A與試件C之間最大的開裂荷載差異也僅在10 kN以內(nèi)，試件C的開裂荷載約在16 kN，開裂荷載提升幅度較小.從圖4（b）可知，各個試件的屈服荷載與極限荷載發(fā)生極大變化，尤其是試件C，屈服荷載與極限荷載相比試件幾乎增長近一倍.試件D的屈服荷載與極限荷載也發(fā)生明顯上升變化，但是與試件C相比，變化并不大.試件B的屈服荷載與極限荷載和試件A

的相關(guān)數(shù)據(jù)較為接近，這種情況可能是由于混凝土與芳綸纖維布之間的粘結(jié)關(guān)系并不牢固，或者混凝土澆筑不夠合理等因素導(dǎo)致.綜合圖4結(jié)果能夠看出，試件C的加固方式更能提高混凝土建筑梁柱結(jié)構(gòu)的性能.

2.3 滯回曲線繪制結(jié)果分析

在有限元模型中計算荷載之間的關(guān)系，并繪制各個試件的滯回曲線，試驗結(jié)果如圖5所示.

由荷載-位移滯回曲線可得知，形狀較為飽滿的棱形滯回曲線表明混凝土試件具有較強的塑性變形能力，遭受外力破壞時能夠保持較好狀態(tài)；兩端較為圓滑的捏縮型滯回曲線也表明混凝土試件具有良好的塑性變形能力，但是與第一種滯回曲線形態(tài)相比承受破壞的能力仍舊不足；S型或者Z型滯回曲線表明混凝土試件在遭受破壞時發(fā)生較大滑移，塑性形變較差.

通?；炷两ㄖ?jié)點遭受荷載破壞后會呈現(xiàn)捏縮型滯回曲線，但是試件C的加固方法提升混凝土梁柱節(jié)點的塑性形變性能會隨著不斷加載荷載，其控制位移逐漸增大，呈現(xiàn)出較為圓滑飽滿的滯回曲線，且滯回曲線包圍的面積也更大，由此可以看出，使用這種加固方法能夠提升混凝土建筑梁柱節(jié)點的性能；試件D由于為對節(jié)點中心區(qū)域加固，導(dǎo)致在荷載作用下，節(jié)點位置出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，從滯回曲線來看，兩端較為圓潤而中間捏縮明顯，表明雖然加固后節(jié)點部分的性能得到提升，但是仍舊出現(xiàn)明顯破壞；試件B的滯回曲線則表明試件出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，受到荷載作用后，塑性形變破壞嚴(yán)重.

2.4 骨架曲線變化規(guī)律

通過有限元模型計算得出各個試件的荷載-位移骨架曲線變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示.

從圖6可以看出，當(dāng)4種試件荷載在-70至70范圍內(nèi)時，位移變化呈現(xiàn)出一個較為平緩的線

性關(guān)系，這個階段中，試件變化并不大，隨著荷載逐漸升高，骨架曲線的斜率逐漸降低，試件C的兩個曲線峰值點坐標(biāo)分別為（48，209）與（-78，-205），與圖上其他試件的骨架曲線相比峰值更高，由此可以判斷，使用試件C的加固方式能夠提升裝配式混凝土建筑梁柱節(jié)點的堅固性能.

2.5 延性結(jié)果分析

通過計算確定各個試件的延性系數(shù)以及不同加固方式下延性提高系數(shù)，結(jié)果如表1所列.

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［責(zé)任編輯：李 嵐］