配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土边节点受力性能试验研究

引用文献：

张健新王可戎贤. 配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土边节点受力性能试验研究[J]. 建筑结构，2018，48（15）：75-78,109.

Zhang Jianxin Wang Ke Rong Xian. Experimental research on mechanical behavior of exterior joint with 600MPa high strength steel reinforcement and high toughness concrete[J]. Building Structure，2018,48（15）：75-78,109.

作者：张健新王可戎贤

单位：河北工业大学土木工程学院

摘要：通过对配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土边节点进行低周往复荷载试验, 分析边节点的破坏形态、剪力与转角等, 对比边节点核心区混凝土应变和箍筋应变等受力性能指标, 研究混凝土种类及剪压比的变化对边节点受力性能的影响。研究结果表明:减小配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土边节点的剪压比可以改善其破坏形态, 降低其核心区剪切变形, 但使节点的剪力降低。节点中浇筑高韧性混凝土可以显著改善配置600MPa级高强钢筋边节点核心区的混凝土脱落, 从而改善其破坏形态, 减小加载初期核心区的箍筋应变, 提高边节点核心区混凝土的主拉应变, 降低边节点核心区剪切变形;边节点的平行受力方向的箍肢应变明显大于垂直受力方向的箍肢应变。

关键词：边节点 600MPa级高强钢筋高韧性混凝土受力性能剪压比

作者简介：张健新, 博士, 讲师, Email:zhangjianxin505@126.com。

基金：河北省自然科学基金项目(E2018202290,E2017202278);河北省高等学校科学技术研究项目(QN2017042);河北省高层次人才资助项目(B2017003003);河北省交通运输厅科技计划项目(HE1728);

0前言

　　梁柱节点作为钢筋混凝土结构抗震中的薄弱部位, 引起学者的广泛研究。国外学者Brooke等^[1]进行了高强钢筋混凝土梁柱中节点粘结性能研究, Hwang等^[2]和Megget等^[3]进行了配置600MPa和500MPa钢筋混凝土中节点抗震性能试验研究, 国内学者王信君^[4]、高飞等^[5]、肖从真等^[6]进行了配置HRB500钢筋混凝土梁柱节点试验和数值模拟研究, 研究发现配置高强钢筋比普通钢筋的混凝土节点破坏更为严重, 部分学者研究了钢纤维增强的节点, 如Attaalla等^[7]进行了钢纤维高强混凝土中节点的拟静力试验, 研究结果表明高强混凝土节点区掺入钢纤维使节点区变形降低45%左右。国内高丹盈等^[8]进行了配置普通钢筋钢纤维混凝土边节点的低周往复荷载试验研究, 张健新等^[9,10]进行了配置600MPa高强钢筋混凝土边节点滞回性能试验研究和配置600MPa高强钢筋高韧性混凝土中节点变形性能试验研究。大部分学者对节点抗震性能方面进行了试验及理论研究, 而研究梁柱节点受力性能相对较少。因此, 本文开展配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土和高强混凝土梁柱节点的受力性能的试验研究。

1 模型设计及试验概况

　　试验设计4个配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土框架梁柱边节点, 边节点试件的参数见表1, 主要研究参数为混凝土种类及剪压比。边节点模型配筋情况如图1所示, 柱和梁的截面尺寸分别为350mm×350mm和250mm×400mm, 梁柱纵筋见表1, 图1中梁柱箍筋 (4) , (5) 采用10@100, 节点核心区箍筋 (6) 为710, 钢筋性能指标实测平均值见表2。试件JB-G1, JB-G2浇筑高韧性混凝土, 将长30mm、长径比60、抗拉强度1 000MPa的端钩形剪切钢纤维按1.2%的体积百分掺量加入到混凝土配合比中制得。试件JB-P1, JB-P2浇筑高强混凝土, 混凝土性能指标见表3。按照《纤维混凝土结构技术规程》 (CECS 38—2004) 计算弯曲韧性比。测得高韧性混凝土的等效弯曲强度平均值为4.5MPa, 弯曲韧性比为0.82。

　　表1 边节点试件参数

　　注:E代表600MPa级高强钢筋。

　　表2 边节点钢筋性能指标

　　表3 节点混凝土性能指标

　　注:f_cu为抗压强度实测值, f_c为轴心抗压强度实测值, f_t为轴心抗拉强度实测值, E_c为弹性模量。

　　试验采用的加载装置如图2所示。首先, 在柱顶通过竖向千斤顶施加表1中的轴向力, 并保持不变。然后, 在梁端通过拉压千斤顶施加低周往复荷载。加载制度采用荷载-位移联合控制, 在梁纵筋达到屈服应变前, 采用荷载控制加载, 循环1次, 当梁纵筋达到屈服应变后转变为位移控制, 每级循环3次, 直到荷载下降到85%的极限荷载时, 宣告节点试件破坏。节点核心区箍筋应变以及混凝土应变测点布置情况如图3所示。

　　图1 模型配筋情况

　　图2 试验加载装置

　　图3 边节点应变测点布置

2 破坏特征

　　图4给出了配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土和高强混凝土梁柱边节点的破坏图。

　　由图4可知:对比剪压比不同的高强混凝土边节点试件JB-P1, JB-P2, 高韧性高强混凝土边节点试件JB-G1, JB-G2发现, 剪压比较大的试件JB-P1, JB-G1的核心区斜裂缝宽度增加, 混凝土保护层剥落加重, 说明剪压比较大, 节点试件的破坏程度较严重, 剪切破坏形态较严重。与试件JB-P1, JB-P2相比, 高强钢筋高韧性高强混凝土边节点试件JB-G1, JB-G2的核心区裂缝宽度明显减小, 数量增加, 混凝土剥落面积显著降低, 这是由于高韧性混凝土能够有效减缓裂缝出现, 限制裂缝的开展, 使节点核心区裂缝分布更均匀, 表明在边节点中浇筑高韧性混凝土可以明显改善配置600MPa级高强钢筋混凝土边节点的破坏形态。

3 试验结果分析

3.1 箍筋应变

　　配置600MPa级高强钢筋框架梁柱边节点的荷载-箍筋应变曲线如图5所示。图5中试件编号后的字符∥和⊥分别表示与节点剪力平行和垂直方向的箍筋应变。

　　图4 边节点试件破坏形态

　　由图5框架梁柱边节点核心区平行剪力方向和垂直剪力方向的箍筋应变可以看出:对于同一个梁柱节点试件, 对比不同位置处的箍筋应变, 在加载前期和中期, 边节点试件的平行受力方向的箍筋应变较小, 箍筋应变随着荷载的增加而不断增加, 表明随着节点试件核心区混凝土开裂, 与节点剪力平行方向的箍筋应变不断增大, 边节点试件的垂直受力方向的箍筋应变较小, 随着荷载的不断增加, 箍筋应变增加速度较为缓慢, 边节点垂直受力方向的箍筋应变一般小于200με。由此可见, 与节点剪力平行方向的箍筋先于与节点剪力垂直方向的箍筋承担节点剪力, 箍筋的应变也较大, 承担的拉力也较大。在加载后期, 边节点的箍筋应变均已屈服, 边节点试件的平行受力方向的箍筋应变明显大于垂直受力方向的箍筋应变。

　　对于不同的梁柱节点试件, 对比同一位置处的箍筋应变, 在加载初期, 高韧性混凝土增强的框架边节点试件的箍筋应变比同条件下未用高韧性混凝土增强的小, 因此在框架边节点核心区掺入高韧性混凝土均能降低加载初期框架节点试件核心区的箍筋应力。

3.2 混凝土应变

　　框架梁柱边节点试件的节点核心区混凝土应变如图6所示。

　　图5 边节点荷载-箍筋应变曲线

　　从图6 (a) 中的主拉应变变化规律可以看出:从加载开始到加载结束主拉应基本呈V形变化。在加载初期, 混凝土主拉应变较小, 混凝土基本没有开裂。随着往复荷载的不断增加, 梁的受拉纵筋不断粘结退化, 节点核心区的混凝土应变逐渐达到极限应变。与高强混凝土节点试件相比, 高韧性混凝土梁柱边节点试件的主拉应变较高。

　　从图6 (b) 中的主压应变变化规律可以看出:从加载开始到加载结束主压应变变化较为平缓, 波动程度远小于主压应变。在加载初期, 混凝土主压应变较小, 随着往复荷载的不断增加, 节点核心区的混凝土主压应变逐渐增加, 主压应变最大值一般不超过0.04。高韧性高强混凝土梁柱边节点核心区混凝土主压应变变化比高强混凝土梁柱节点试件的平缓, 相应的主压应变也较小。

　　图6 混凝土应变

　　图7 边节点试件剪力-剪切变形角滞回曲线

3.3 剪力与转角

　　框架梁柱边节点试件节点核心区剪切变形滞回曲线如图7所示, 框架边节点试件的屈服、极限、破坏阶段的剪力及节点核心区剪切变形角见表4 (由于测量过程中仪器问题, 试件JB-P1未测得相关数据) 。

　　表4 边节点试件的剪力及核心区剪切变形角

　　由图7和表4可知:与剪压比较大的高强钢筋高韧性混凝土试件JB-G1相比, 剪压比较小的边节点试件JB-G2的极限、破坏剪力分别降低约6.8%和6.0%, 屈服、极限及破坏阶段的剪切变形角分别降低约40.7%, 33.8%和17.6%。表明增加剪压比使高强钢筋高韧性混凝土边节点试件的节点核心区剪切变形角显著增加, 对节点抗震不利;与高强混凝土边节点试件JB-P2的滞回曲线相比, 高韧性混凝土边节点试件JB-G2的滞回曲线中的剪切变形角明显减小, 表明在节点中浇筑高韧性混凝土对限制核心区裂缝发展效果显著, 可以改善其破坏形态, 从而使节点核心区的剪切变形角也得到明显降低。

4 结论

　　 (1) 减小配置600MPa级高强钢筋边节点的剪压比以及采用高韧性混凝土均能够减小高强钢筋混凝土节点核心区的裂缝宽度, 减轻混凝土的脱落程度, 显著改善框架边节点的破坏形态。

　　 (2) 配置600MPa级高强钢筋高韧性混凝土和高强混凝土边节点中, 与剪力平行方向的箍筋应变比与剪力垂直方向的大;在加载初期, 采用高韧性混凝土的节点核心区箍筋应变比采用普通混凝土节点的小。

　　 (3) 采用高韧性混凝土可以提高配置600MPa级高强钢筋混凝土梁柱边节点混凝土的主拉应变。

　　 (4) 采用高韧性混凝土可以降低配置600MPa级高强钢筋混凝土节点核心区剪切变形角, 对高强钢筋混凝土梁柱节点抗震有利。剪压比越大, 节点的剪力越大, 导致节点核心区的剪切变形角增加, 对高强钢筋混凝土梁柱节点抗震不利。

参考文献[1]BROOKE N J, MEGGET L M, INGHAM J M.Bond performance of interior beam-column joints with highstrength reinforcement[J].ACI Structural Journal, 2006, 103 (4) :596-603.
[2]HWANG H J, PARK H G, CHOI W S, et al.Cyclic loading test for beam-column connections with 600 MPa (87 ksi) beam flexural reinforcing bars[J].ACI Structural Journal, 2014, 111 (4) :913-924.
[3]MEGGET L M, FENWICK R C, AMSO N.Seismic performance of internal beam-column joints with 500grade reinforcement[C]//Pacific Conference on Earthquake Engineering.2003:1-10.
[4]王信君.配置HRB500钢筋的框架中间层端节点抗震性能试验研究[D].重庆:重庆大学, 2007.
[5]高飞, 黄世涛, 梅世龙, 等.配置HRB500E钢筋梁柱节点数值模拟[J].土木工程与管理学报, 2015, 32 (3) :11-15.
[6]肖从真, 黄小坤.配置500MPa纵筋钢筋混凝土框架顶层端节点抗震性能试验研究[J].土木建筑与环境工程, 2015, 37 (4) :12-18.
[7]ATTAALLA S A, AGBABIAN M S, ATTAALLA S A, et al.Performance of interior beam-column joints cast from high strength concrete under seismic loads[J].Advances in Structural Engineering, 2004, 7 (2) :147-157.
[8]高丹盈, 赵柯岩, 王亮.钢纤维高强砼框架节点性能的试验研究[J].世界地震工程, 2009, 25 (4) :80-86.
[9]张健新, 戎贤, 吴海超.配置600 MPa级钢筋混凝土框架边节点滞回性能试验研究[J].工业建筑, 2017, 47 (6) :30-33.
[10]张健新, 戎贤, 刘平.配置600MPa钢筋高韧性混凝土框架中节点变形性能[J].地震工程与工程振动, 2017, 37 (2) :165-172.

Experimental research on mechanical behavior of exterior joint with 600MPa high strength steel reinforcement and high toughness concrete

Zhang Jianxin Wang Ke Rong Xian

(School of Civil Engineering, Hebei University of Technology)

Abstract: The low-cyclic loading test was conducted on exterior joints with 600 MPa high strength steel reinforcement and high toughness concrete to analyze the failure modes, shear forces, and rotation angles of the exterior joints. The stress performance indexes such as concrete strain and stirrup strain in the core region of the node were analyzed, to investigate the influence of the variation of concrete type and shear compression ratio on the mechanical behavior of exterior joints. The results show that reducing the shear compression ratio of exterior joints with 600 MPa high strength steel reinforcement and high toughness concrete can improve its failure mode and reduce its shear deformation in the core region, but it can reduce the shear force at the nodes. The pouring of high toughness concrete in the nodes significantly improves the concrete shedding in the core region of the exterior joints with 600 MPa high strength steel reinforcement and high toughness concrete, thereby improving the failure mode, reducing the strain of the stirrups in the core region during the initial loading, improving the main tensile strain of the concrete in the core region of the nodes, and reducing shear deformation of core region of exterior joints. The strain of the stirrup limb under the parallel force direction of the exterior joint specimen is obviously larger than that of the stirrup limb under the vertical force direction.

Keywords: exterior joint; 600MPa high strength steel reinforcement; high toughness concrete; mechanical behavior; shear compression ratio

600 0 0