X形配筋及鋼骨增強混凝土異形柱邊節(jié)點受力性能
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李艷艷， 張 超， 張健新， 李和慶
（1河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津300401；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，保定071001；3中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊065000）
[摘要]對X形配筋增強、T形鋼骨增強、槽形鋼骨增強的混凝土異形柱邊節(jié)點進行擬靜力試驗，研究混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)的箍筋應(yīng)變規(guī)律、混凝土應(yīng)變規(guī)律、破壞特征及滯回曲線，分析x形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨對混凝土異形柱邊節(jié)點受力性能的影響。結(jié)果表明：混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)不同位置處箍筋應(yīng)變相差比較大，邊節(jié)點核心區(qū)中與剪力方向平行的腹板箍筋應(yīng)變大于與剪力方向垂直的腹板箍筋應(yīng)變和翼緣處的箍筋應(yīng)變，在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)加入X形配筋、T形鋼骨或槽形鋼骨能夠提高混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)混凝土的主拉應(yīng)變，改善異形柱邊節(jié)點的破壞形態(tài)及滯回性能。
0 前言
震害資料表明鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，但框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點是抗震設(shè)計的一個薄弱環(huán)節(jié)，節(jié)點的破壞會直接導(dǎo)致建筑物破壞乃至倒塌混凝土異形柱的柱肢比矩形截面柱的更薄弱，且其梁柱交接處鋼筋比較密集，混凝土澆筑和振搗時不容易密實。因此，混凝土異形柱節(jié)點在復(fù)雜的地震作用下更容易發(fā)生破壞。目前對混凝土異形柱節(jié)點研究主要集中在抗震性能方面，而對混凝土異形柱節(jié)點的箍筋、混凝土的應(yīng)變變化規(guī)律的研究較少。因此，提出以X形配筋、T形鋼骨或槽形鋼骨增強混凝土異形柱邊節(jié)點的核心區(qū)，研究往復(fù)荷載作用下混凝土異形柱邊節(jié)點的箍筋、混凝土的應(yīng)變變化規(guī)律，分析X形配筋、T形鋼骨或槽形鋼骨對異形柱邊節(jié)點薄弱部位受力性能的增強作用。
1 試驗概況
試驗設(shè)計了4個混凝土異形柱邊節(jié)點試件，分別為在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)加入X形配筋的J-TX，在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)加入槽形鋼骨的J-T[，在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)加入T形鋼骨的J-TT，混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)未進行增強的J-T。混凝土異形柱邊節(jié)點試件配筋情況如圖1所示�；炷廉愋沃吂�(jié)點梁縱筋及柱縱筋為HRB400，直徑為18mm的鋼筋屈服強度為445MPa，極限強度為613MPa；直徑為22mm的鋼筋屈服強度為480MPa，極限強度為623MPa；箍筋為HPB235，直徑為8mm的鋼筋屈服強度為295MPa，極限強度為449MPa。X形配筋為HPB235，直徑為8mm，鋼筋屈服強度為333MPa，極限強度為432MPa。槽形鋼骨采用5號槽鋼，T形鋼骨尺寸如圖1所示�；炷廉愋沃吂�(jié)點的混凝土強度等級為C50，預(yù)留3個邊長為150mm的混凝土立方體試塊和3個lOOmm×lOOmm×300mm的混凝土棱柱體試塊，量測混凝土力學(xué)性能指標(biāo)。其中，X形配筋增強的節(jié)點試件的混凝土立方體抗壓強度為51. 6MPa，軸心抗壓強度為31. 6MPa；槽形鋼骨、T形鋼骨增強節(jié)點試件的混凝土立方體抗壓強度為45. 8MPa，軸心抗壓強度為31. 3MPa；未增強的節(jié)點試件的混凝土立方體抗壓強度為70. 4MPa，軸心抗壓強度為39. OMPa。鋼骨及X形配筋均位于節(jié)點核心區(qū)，鋼骨高度為225mm，三分點處用直徑為6mm的HPB235鋼筋連接。
混凝土異形柱邊節(jié)點的試驗加載裝置如圖2所示。試驗加載時采用擬靜力加載方案，將豎向千斤頂安裝在反力梁下用于施加柱頂軸向力，混凝土異形柱邊節(jié)點試件設(shè)計軸壓比是0. 17，設(shè)計軸力為250kN。在邊節(jié)點試件的梁端施加荷載的拉壓千斤頂固定在靜力臺座上。試驗的加載程序為荷載一位移混合控制。屈服前以荷載控制，屈服后以位移控制，當(dāng)荷載降至85%的極限荷載時，試件破壞。
在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)的箍筋上粘貼圖3所示的電阻應(yīng)變片，用DH3815采集箍筋應(yīng)變。其中，JTH-1表示混凝土異形柱邊節(jié)點1號箍筋應(yīng)變片，依次類推。在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)翼緣、腹板布置圖4所示的手持式應(yīng)變儀測點，測量應(yīng)變值。
2 試驗結(jié)果
2.1破壞特征
4個混凝土異形柱邊節(jié)點試件破壞形態(tài)如圖5所示。綜合比較4個混凝土異形柱邊節(jié)點試件的受力破壞過程可以看出：首先，混凝土異形柱邊節(jié)點試件的梁端受拉區(qū)出現(xiàn)少量的彎曲裂縫，隨后，對角交叉的斜裂縫出現(xiàn)在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)的腹板中間部位。裂縫隨著荷載增加逐漸延伸，寬度不斷增加，未增強的混凝土異形柱邊節(jié)點試件的核心區(qū)腹板的裂縫寬度較大，X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨增強的混凝土異形柱邊節(jié)點試件腹板處的斜裂縫數(shù)量較多而寬度較小。當(dāng)混凝土異形柱邊節(jié)點試件達到極限承載力后，腹板處的裂縫寬度繼續(xù)增加，翼緣開始有斜裂縫出現(xiàn)�；炷廉愋沃吂�(jié)點試件破壞時，未增強的節(jié)點試件梁端混凝土剝落致使腹板和梁端破壞較為嚴(yán)重，裂縫寬度較大；X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨增強的混凝土異形柱邊節(jié)點試件的裂縫寬度較小，破壞形態(tài)得到較明顯的改善，表明X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨在改善混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)的混凝土的受力性能方面發(fā)揮著重要作用。
2.2邊節(jié)點核心區(qū)箍筋應(yīng)變
混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)荷載一箍筋應(yīng)變曲線如圖6所示�；炷廉愋沃吂�(jié)點核心區(qū)箍筋應(yīng)變片JTH-2，JTH-5分別為應(yīng)變片JTH-3，JTH4的對稱位置，應(yīng)變片JTH-2，JTH-5的變化情況與應(yīng)變片JTH-3，JTH4的類似，因此，圖6中未給出應(yīng)變片JTH-2，JTH-5的應(yīng)變變化。
從混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)箍筋應(yīng)變變化情況可以發(fā)現(xiàn)：
(1)在整個試驗加載過程中，翼緣處箍筋應(yīng)變片JTH-6的應(yīng)變很小。混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)橫向箍筋能夠直接承擔(dān)剪力，箍筋應(yīng)變片JTH-3的應(yīng)變隨荷載增加而逐漸增加�？v向箍筋通過約束混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)混凝土來承擔(dān)剪力，箍筋應(yīng)變片JTH-1，JTH4的應(yīng)變在試驗加載初期時較小，箍筋處于彈性范圍，核心區(qū)混凝土承擔(dān)主要剪力；隨后，邊節(jié)點核心區(qū)開裂，箍筋應(yīng)變也逐漸增加。在混凝土異形柱邊節(jié)點開裂以后，翼緣處的箍筋應(yīng)變較小，腹板側(cè)面的箍筋應(yīng)變不斷增加，因此，混凝土異形柱邊節(jié)點腹板側(cè)面箍筋應(yīng)變大于腹板端面以及翼緣處箍筋應(yīng)變。
(2)對比4個混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)的箍筋應(yīng)變大小及變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，由于X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨的加入使加載初期邊節(jié)點試件核心區(qū)箍筋應(yīng)力降低。因此，X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨增強的混凝土異形柱邊節(jié)點試件的腹板側(cè)面及翼緣處在加載初期的箍筋應(yīng)變小于未增強的異形柱邊節(jié)點相應(yīng)位置處的箍筋應(yīng)變。
2.3邊節(jié)點核心區(qū)混凝土應(yīng)變
首先，計算混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)正應(yīng)變、剪應(yīng)變，見下式：
然后計算混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)混凝土主
拉、主壓應(yīng)變，見下式：
混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)混凝土應(yīng)變一位移比（位移比為屈服位移的整數(shù)倍）曲線如圖7所示。從混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)混凝土應(yīng)變變化規(guī)律能夠發(fā)現(xiàn)：翼緣部位混凝土的主壓應(yīng)變在整個加載過程中比較��；腹板部位的混凝土的應(yīng)變變化在整個加載過程中比較大，應(yīng)變也比較大，表明混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)腹板混凝土承擔(dān)了比較大的剪力。X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨增強的異形柱邊節(jié)點試件的主壓應(yīng)變分布比未增強的節(jié)點試件更均勻，混凝土應(yīng)變的波動程度較為平緩，主拉、主壓應(yīng)變較高。由于X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨增強的混凝土異形柱邊節(jié)點試件的混凝土主拉應(yīng)變得到提高，從而混凝土的抗裂能力也得到提高。
2.4邊節(jié)點滯回曲線
混凝土異形柱邊節(jié)點的滯回曲線如圖8所示。比較4個異形柱邊節(jié)點試件的滯回曲線，總體來看，在加載初期，滯回環(huán)面積很小，呈梭形；隨后，滯回環(huán)面積變大，出現(xiàn)殘余變形，發(fā)展到弓形，隨著荷載的繼續(xù)增加，滯回環(huán)逐漸向S形渡到；最后試件的強度和剛度驟降，試件破壞。當(dāng)達到極限荷載后，未增強的異形柱節(jié)點試件J-T的強度退化較快，卸載后的殘余變形也較大，說明在低周往復(fù)荷載作用下，未增強的異形柱節(jié)點試件的累積損傷程度不斷增加，出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性變形。在節(jié)點核心區(qū)加入X形配筋及鋼骨的節(jié)點試件的滯回環(huán)所包圍的面積更大，表現(xiàn)出較好的耗能能力，后期殘余變形較小。鋼骨增強的異形柱節(jié)點的滯回環(huán)比X形配筋增強的更為飽滿，具有更好的耗能能力。T形鋼骨、槽形鋼骨的滯回環(huán)飽滿程度相差不大。
異形柱節(jié)點試件J-T，J-TX，J-TT，J-T[的正反加載方向的極限荷載平均值分別為75，84.5，78.5，81. SkN．在異形柱節(jié)點核心區(qū)加入X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨的極限荷載平均值均比未增強的異形柱節(jié)點的分別提高約12.7%，4.7%和8.7%，可見，X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨均能提高節(jié)點的極限承載能力，在提高異形柱節(jié)點承載能力方面X形配筋的效果最優(yōu)，槽形鋼骨的次之。
3 結(jié)論
(1)混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)不同位置處箍筋應(yīng)變相差比較大，邊節(jié)點核心區(qū)箍筋應(yīng)變與剪力方向平行的腹板箍筋應(yīng)變大于與剪力垂直方向的以及翼緣處的。
(2)在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)加入X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨能夠降低其在加載初期邊節(jié)點核心區(qū)的箍筋應(yīng)力，可以提高混凝土的主拉應(yīng)變及抗裂能力。
(3)在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)加入X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨能夠使核心區(qū)混凝土的剝落程度得以減輕，裂縫發(fā)展得以延緩，邊節(jié)點的破壞特征得到改善。
(4)在混凝土異形柱邊節(jié)點核心區(qū)加入X形配筋、T形鋼骨、槽形鋼骨能夠改善試件的滯回性能。
(5)X形配筋及鋼骨的加入能夠增強節(jié)點的剛度，提高節(jié)點抵抗地震的能力，從而有利于結(jié)構(gòu)抗震。
