节点区域是钢筋混凝土框架结构中的重要部位, 其受力状态复杂, 施工难度较大, 地震破坏程度严重, 国内外专家学者对此进行了系统的研究, 涵盖节点的抗震性能、受力性能、开裂荷载以及承载力等方面^[1,2,3,4,5]。随着我国建筑业的快速发展, 对材料性能的要求随之提高, 钢筋与混凝土强度的提高和性能的改善, 对于提高结构的承载能力、改善构件的力学性能、降低施工难度、节约材料等具有重大意义^[6,7,8,9,10]。我国对高强钢筋的研究起步较晚, 同时对600MPa级高强钢筋高韧性混凝土梁柱节点的研究几乎空白。本文提出3种措施增强改善混凝土框架边节点的抗震性能:框架边节点构件整体应用高韧性混凝土, 节点核心区应用X配筋, 以及在核心区并向梁中部延伸1倍有效梁高范围内应用高韧性混凝土;并对3种增强措施的效果进行了试验研究, 研究试件的受力钢筋均采用600MPa级高强钢筋。

　　 试验设计4个框架边节点试件, 试件JB+为未增强的节点试件, 试件JB+a整体应用高韧性混凝土增强, 试件JB+b在核心区应用X配筋形式增强, 试件JB+c在核心区并向梁中部延伸1倍有效梁高范围内应用高韧性凝土增强。框架边节点试件配筋情况如图1所示, 其中600MPa级钢筋用符号E表示。本文所用的高韧性混凝土是将端钩型钢纤维掺加到混凝土中形成的, 其组分及性能指标见表1。框架边节点试件均采用C55混凝土, 其力学性能如表2所示;混凝土立方体抗压强度为实测值, 其他指标根据混凝土立方体抗压强度计算得到。其中, 批次1混凝土用于浇筑试件JB+, JB+b;批次2混凝土用于浇筑试件JB+a, JB+c。框架边节点梁纵筋采用600MPa级钢筋, 直径18mm;柱纵筋主要采用600MPa级钢筋, 直径25mm;箍筋采用HRB400钢筋, 直径10mm;钢筋力学性能如表3所示。

　　 浇筑混凝土时, 试件JB+, JB+a, JB+b先对核心区进行浇筑, 然后浇筑试件其他部位;试件JB+c在节点核心区及向梁中部延伸1倍有效梁高处设置挡板, 先浇筑挡板围合区域, 然后浇筑试件其他部位。

　　 试验采用拟静力试验方法, 在柱顶施加恒定轴压力550kN, 在梁的端头施加低周往复荷载, 向上加载为正, 向下加载为负, 加载装置如图2所示。试验采用荷载-位移联合控制加载方法, 在试件屈服前, 采用荷载加载控制, 每级荷载增量为30kN, 每级加载循环1次;在试件屈服后, 采用位移加载控制, 以1倍屈服位移为增量, 每级加载循环3次, 当荷载下降到极限荷载的85%时, 表明试件破坏。

　　 4个框架边节点试件的破坏形态如图3所示。在加载过程中, 梁端首先出现弯曲裂缝, 随着加载过程的继续, 节点核心区相继出现对角斜裂缝;未增强的试件JB+核心区出现的裂缝较少, 裂缝宽度及裂缝间距较大, 应用高韧性混凝土增强的试件JB+a, JB+c与利用X配筋形式增强的试件JB+b核心区出现的斜裂缝发展缓慢, 裂缝数量密集, 裂缝宽度较小;破坏时, 未增强的试件JB+核心区混凝土脱落的程度较其他3个增强试件的程度严重, 表明3种增强措施均可以有效抑制节点核心区斜裂缝的发展, 改善节点破坏形态。在3个增强试件中, 试件JB+b的破坏程度较试件JB+a, JB+c更为严重, 这是因为钢纤维具有一定的阻裂效果, 能够限制裂缝的产生和发展, 减少混凝土脱落面积, 改善节点破坏特征。采用高韧性混凝土增强措施较X配筋增强措施对改善节点破坏形态的效果更好。

　　 本次试验中, 试件节点核心区箍筋应变片 (G1～G6) 布置情况如图4所示。在核心区的箍筋中, 分别取平行剪力方向与垂直剪力方向上的各一肢进行分析。

　　 选取G3, G4应变片测得的箍筋应变 (图5) 进行分析, G3所测为平行剪力方向上的箍筋应变, G4所测为垂直剪力方向上的箍筋应变。由图5可以看出, 在加载初期, 平行剪力方向的箍筋应变较小;随着荷载的增强, 混凝土开裂并且裂缝逐渐增大, 箍筋应变随之增大;在加载后期, 同一试件平行剪力方向的箍筋应变值大于垂直剪力方向的箍筋应变值。结果表明:平行剪力方向的箍筋先于垂直剪力方向的箍筋承受剪力, 其箍筋应变值较大。

　　 4个框架边节点试件的荷载-位移滞回曲线如图6所示。从图6可以看出, 各个节点的滞回环大体上呈现的变化趋势是由梭形逐渐变为反S形。加载过程中, 加载曲线的斜率随着荷载的增加而减小, 并出现滞回环捏拢现象。卸载时滞回曲线的斜率逐渐减小, 表明构件的刚度在发生退化。未增强的试件JB+在加载后期, 承载力发生较大幅度的降低, 而利用3种措施增强的试件, 承载力没有出现此现象;试件JB+a, JB+b滞回曲线饱满, 滞回性能良好, 承载力显著提高。试件整体应用高韧性混凝土、节点核心区应用X配筋对改善节点的滞回性能效果较好。

　　 承载力及延性是衡量构件抗震性能的重要指标。4个框架结构边节点的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、破坏荷载和其对应的开裂位移、屈服位移、极限位移、破坏位移以及试件的延性系数如表4所示。极限荷载指梁柱节点试件达到最大承载力时对应的荷载值;破坏荷载指梁柱节点试件经历过最大承载力后, 下降到极限荷载的85%时对应的荷载值。

　　 试件JB+a, JB+b的极限荷载较JB+分别提高7.96%, 7.82%, 这说明试件JB+a, JB+b均可提高节点的极限荷载。试件JB+b在核心区应用X配筋增强, X配筋可以与箍筋共同承担剪力, 提高了节点的承载力。由于试件JB+a, JB+b承载力的提高程度均在8%左右, 综合考虑施工工艺及造价方面的原因, 节点核心区应用X配筋对提高节点承载力效果更优。

　　 试件JB+a, JB+b, JB+c正反向开裂位移的平均值较试件JB+分别提高19.35%, 8.77%, 19.23%, 极限位移的平均值分别提高24.73%, 6.28%, 3.67%, 破坏位移的平均值分别提高11.06%, 10.73%, 3.30%。这说明, 3种增强措施均可以改善节点的变形能力。高韧性混凝土中的钢纤维与X配筋可以有效地约束和限制节点核心区的变形, 从而显著改善核心区的变形能力。

　　 本文采用位移延性系数 (破坏位移与屈服位移的比值) 表征试件延性。试件JB+a, JB+b, JB+c的位移延性系数较试件JB+分别提高8.2%, 12.8%, 9.3%。结果表明:3种增强措施均可以改善节点的延性性能;高韧性混凝土中的钢纤维与X配筋可以改善混凝土的脆性, 从而提高其延性;综合考虑节点的变形能力与位移延性, 在节点核心区应用X配筋可以更有效地增强节点试件的变形能力, 提高节点试件的延性性能。

　　 残余刚度率表征试件的刚度退化情况, 4个框架边节点试件的残余刚度率如图7所示。通过对比4个构件的刚度退化曲线可以看出, 未增强试件JB+的刚度退化曲线始终位于其他曲线的最下侧, 其残余刚度率均小于试件JB+a, JB+b, JB+c, 这说明3种增强措施在一定程度上均可以减缓节点的刚度退化。试件屈服前, JB+c的刚度下降趋势相对更为平缓;试件屈服后, JB+a, JB+c的刚度退化曲线较JB+b更加平缓一些, 这是因为高韧性混凝土的应用范围覆盖了塑性铰的区域, 可以明显地改善塑性铰区域内的混凝土破坏状态, 提高节点的变形能力;采用高韧性混凝土增强措施较X配筋增强措施对减缓节点刚度退化效果更优。

　　 结构构件的耗能能力用等效黏滞阻尼系数来表示, 滞回曲线越饱满, 滞回环面积越大, 表明结构构件吸收消耗的地震能量越多, 等效黏滞阻尼系数越大, 表明结构构件的耗能能力越强。4个框架边节点试件的等效黏滞系数曲线如图8所示。

　　 通过对比4个试件的等效黏滞阻尼系数可看出, 在加载过程前期, 试件处于弹性状态, 耗能能力较低, 从而等效黏滞阻尼系数变化不大;在加载过程中后期, 随着试件进入弹塑性状态, 试件JB+a, JB+b, JB+c的等效黏滞阻尼系数均呈现出先增长再逐渐趋于平缓的状态趋势, 且其等效黏滞阻尼系数都大于试件JB+, 并且在3个增强试件中, 试件JB+b的等效黏滞阻尼系数最大, 表明3种增强措施可以有效提高节点的变形能力, 从而提高构件的耗能能力, 在节点核心区应用X配筋对提高节点耗能能力效果更为显著。

　　 (1) 框架边节点试件整体应用高韧性混凝土、节点核心区应用X配筋对改善节点的滞回性能效果较好。

　　 (2) 通过对比框架边节点的承载力、延性性能、耗能能力, 整体应用高韧性混凝土、节点核心区应用X配筋形式以及在核心区并向梁端部延伸1倍有效梁高范围内应用高韧性混凝土的试件较未增强的试件均得到明显改善, 应用X配筋的效果优于高韧性混凝土。

　　 (3) 整体应用高韧性混凝土、节点核心区应用X配筋以及在核心区并向梁端部延伸1倍有效梁高范围内应用高韧性混凝土均可以改善节点破坏特征、减缓刚度退化, 采用高韧性混凝土增强措施较X配筋增强措施改善效果更优。