纤维增强异形柱中间节点抗震性能的试验研究

王铁成，赵海龙，郝贵强，张学辉

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津市土木工程结构及新材料重点实验室，天津 300072)

纤维增强异形柱中间节点抗震性能的试验研究

王铁成1,2，赵海龙1，郝贵强1，张学辉1

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津市土木工程结构及新材料重点实验室，天津 300072)

通过聚丙烯纤维增强异形柱中间节点核心区的试验研究，对比分析了加纤维和不加纤维的异形柱梁柱中间节点的破坏特征、承载能力和延性、滞回特性、刚度退化及耗能能力等性能指标．建立了损伤模型对节点进行累积损伤评价，并进行有限元分析．研究表明，在中间节点使用纤维增强可显著改善和提高异形柱节点的破坏形态和开裂荷载，减小节点的累积损伤，改善抗震性能，但对耗能能力影响并不显著．

节点；异形柱；纤维；有限元

钢筋混凝土梁柱节点是框架结构的传力枢纽，是严重地震作用下非线性反应和抗震设防的最重要部位[1-2]．中间节点在左右两侧弯矩、剪力以及轴力的作用下，处于更加不利的复合受力状态．异形柱节点由于柱截面高厚比大，梁宽与柱厚相等，梁中纵向钢筋须弯折一定角度后才能锚固，节点区钢筋密集，混凝土不易振捣密实，因此，异形柱节点比矩形梁柱节点薄弱，其震害可能更为严重．振动台试验和拟静力试验研究表明，异形柱节点破坏严重，限制了异形柱结构的高度，成为异形柱结构薄弱部位[3-6]．如何解决异形柱节点薄弱的问题，成为现在异形柱结构研究的重点之一．

聚丙烯纤维在混凝土的碱性条件下非常稳定，具有良好的分散性，在机械性能、可操作性能、性能价格比等诸多方面优于其他纤维，有利于工程应用．因此，笔者基于框架抗震试验，针对一层节点薄弱部位[7]，制作了节点核心区局部采用聚丙烯纤维混凝土增强及无纤维增强的2个中间节点试件，通过进行反复加载下的对比试验，研究纤维改善异形柱节点的破坏特征、承载能力和延性、滞回特性、刚度退化等抗震性能指标，应用节点累积损伤模型对其进行累积损伤评价并进行数值模拟．

1 模型设计及试验概况

节点模型采用缩尺比例1/2，纤维增强中间节点(J-+a)核心区(梁高范围的柱段)以聚丙烯纤维混凝土浇筑，纤维性能参数为：密度0.91,g/mm3，等效直径18～28,μm，平均长度19,mm，抗拉强度582,MPa，极限延伸率20.5%，弹性模量＜45,GPa，熔点172,℃．纤维用量按工程一般掺量0.9,kg/m3，相当于体积分数为0.1%．作为对比，无纤维增强中间节点(J-+)的几何尺寸及配筋与纤维增强构件(J-+a)相同，混凝土强度等级均为C45，梁柱纵筋使用HRB400级钢筋，箍筋使用HPB235级钢筋，中节点配筋情况如图1所示，钢筋及混凝土材料力学性能如表1所示．浇注时在核心区四周插入挡板，对纤维混凝土和普通混凝土同时浇注，待振捣完毕抽出挡板，使其混合．

图1 中节点配筋情况Fig.1 Reinforcement details of interior joints

表1 异形柱节点的钢筋和混凝土力学性能Tab.1 Material property of steel bars and concrete of the joints with specially shaped columns

试验过程中采用竖向千斤顶对异形柱顶施加轴力并保持恒定，2个中节点的轴压力均为350,kN，轴压比为0.23．通过一对拉压千斤顶在左右梁端同步施加反对称荷载，推拉反复以模拟地震作用，加载装置如图2所示．采用力-位移混合控制加载，试件屈服前，采用荷载控制分级加载(每级荷载循环1次)，屈服后采用位移控制加载(每级位移循环3次)直至试件破坏．通过DH3818静态电阻应变仪采集荷载位移关系，钢筋表面预先贴置应变片用以记录钢筋应变．

图2 加载装置Fig.2 Loading equipment

2 破坏特征

通过对比2个节点的破坏特征可以发现：节点J-+梁内混凝土裂缝开展数量较少，但裂缝宽度较大，且最终破坏时梁端破坏严重，混凝土保护层严重剥落，梁端纵筋、箍筋外露，节点核心区腹板内裂缝开展较多，腹板内部分混凝土保护层剥落，柱纵筋箍筋外露；而J-+a节点梁内裂缝开展数量较多，但裂缝宽度较小，斜裂缝数量开展缓慢，最终破坏时梁端混凝土保护层裂而不碎．试件的节点核心区翼缘内均出现数条斜裂缝，但节点J-+翼缘内斜裂缝较节点J-+a数量更多，裂缝长度更大．通过中间节点的破坏情况可知，在节点核心区内浇筑聚丙烯纤维混凝土，可以显著改善异形柱中间节点的混凝土碎裂剥落现象，减小核心区内裂缝数量和宽度．节点的最终破坏照片如图3所示．

图3 中间节点破坏照片Fig.3 Damaged photos of interior joints

3 试验结果分析

3.1 承载力、位移及延性

异形柱中间节点的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、开裂位移、屈服位移、极限位移、破坏位移及位移延性系数见表2．

承载能力和延性是工程结构抗震中的重要指标．由表2可见，纤维增强异形柱中间节点的开裂、屈服和极限荷载较普通异形柱节点分别提高22.6%、10.4%和5%，说明在异形柱节点核心区浇筑聚丙烯纤维混凝土可以显著提高节点的开裂荷载，同时也能提高其他阶段承载能力，纤维增强对节点前期承载能力提高更加明显．

纤维增强节点屈服后各项荷载对应的位移均大于普通异形柱节点，极限位移和破坏位移分别提高11.5%和8%，说明在异形柱节点核心区浇筑聚丙烯纤维混凝土也可以提高其弹塑性变形能力．表2中位移延性系数是由破坏位移与屈服位移相除得来，屈服位移是在骨架曲线上通过等面积法确定的，而破坏位移则是骨架曲线上荷载下降到极限荷载的85%时对应的位移，研究表明，结构位移延性系数的取值一般在3～5之间，以保证结构构件有较高的曲率延性，更利于结构抗震，本文计算得到中间节点的位移延性系数平均值分别为4.00和4.38，延性较好，纤维增强后延性提高约10%．

表2 中间节点的承载力、位移及延性系数Tab.2 Loading，displacement and ductility coefficient of interior joints

3.2 滞回特性

异形柱中间节点的梁端弯矩-位移滞回曲线如图4所示．

比较异形柱中间节点的滞回曲线，滞回环开始形状为梭形，之后逐渐转变为弓形．屈服以后，随着加载循环次数的增加，变形持续增加，而承载力增加较小．在每一次加载过程中，加载曲线的斜率随荷载增大而减小．数次反复加载以后，加载曲线上出现反弯点(拐点)，形成中间捏拢现象．从滞回曲线对比可见，纤维增强中节点达到峰值荷载后强度退化较为缓慢，其后期变形能力更大，滞回环更加饱满，体现出更好的耗能能力．

图4 中间节点梁端弯矩-位移滞回曲线Fig.4 Hysteretic curves of moment-displacement of interior joints

3.3 刚度退化

刚度与承载能力和延性一样也是结构抗震性能的一个重要指标．定义坐标原点与某次循环的荷载峰值(即骨架曲线上的点)连线的斜率为等效刚度，其值由K＝F/Δ得到，F为荷载、Δ为位移．在位移不断增大的情况下，刚度一环比一环减小，因此，刚度将随着循环周数和位移接近极限而减小，这就是刚度退化．根据异形柱中间节点试件的试验数据计算得到异形中间节点组合体等效刚度，并绘制成图，如图5所示．

图5 异形柱节点刚度退化曲线Fig.5 Rigidity degradation curves of joints with specially

对比异形柱中间节点的刚度退化曲线，总体上增强节点的初始刚度明显高于无纤维增强节点，刚度退化的退化规律为先速降后缓降，整体变化缓慢均匀，表现出反复荷载作用下刚度的损伤发展和刚度的退化．而无纤维增强节点初始刚度低，刚度迅速下降，表现出更加明显的脆性特征．这主要是由于聚丙烯纤维混凝土增强后节点区混凝土更加密实，整体性更好，能够承受多次反复荷载作用．

3.4 耗能能力

结构或构件的耗能通常被认为是其延性的能量表达，滞回环的面积可以衡量构件的耗能能力．结构或构件的滞回曲线中滞回环包围的面积，等于在这个循环中吸收的能量，从直观上看滞回环的饱满程度反映构件消耗能量的能力．

为考虑滞回环面积受到的强度和刚度退化的影响，可用等效黏滞阻尼系数he来衡量试件的耗能能力，其定义为

如图6所示，式(1)中分子为曲线ABCD所包围的面积，代表滞回曲线一个循环所耗散的能量，三角形OBE面积表示假想的弹性结构达到相同位移OE时所吸收的能量．曲线面积ABCD与三角形OBE、ODF面积和之比表示耗散的能量与等效弹性体产生相同位移时所需的能量之比．he值越大耗能能力越好．图7为试验所得构件黏滞阻尼系数变化曲线在加载不同时期的变化．

图6 荷载-变形滞回曲线Fig.6 Load-displacement hysteretic curve

2个节点等效黏滞阻尼系数都经过了加载初期平稳发展阶段、屈服后的迅速增长阶段和加载后期的缓慢增长阶段．加载初期由于裂缝较小，结构基本处于弹性阶段，加载后变形小，其耗能能力较小；构件屈服后，由于塑性铰的不断发展，变形加大以及裂缝反复张合引起摩擦，使得滞回环越来越饱满，耗能能力越来越强；加载超过最大荷载以后，变形加大、梁端斜裂缝反复的张合以及梁端和节点区主筋发生的黏结退化引起耗能能力提高．

通过比较图7可以发现J-+a的耗能能力在加载的前期和中期较差，其原因主要是由于纤维减少了裂缝的数量，增强了节点的刚度，减小了变形，从而前期耗能能力不大；但是后期多次反复荷载作用下，由于纤维对节点韧性和变形能力上的改善，其耗能能力与J-+构件接近．

图7 等效黏滞阻尼系数Fig.7 Coefficient of equivalent viscous damping

4 累积损伤

在反复荷载作用下，钢筋混凝土结构会由于塑性变形的发展而产生结构内部的损伤累积，从而加重结构承载能力及刚度的劣化，对结构承受抗震非常不利，因此如何反映钢筋混凝土结构的累积损伤，根据结构地震设防烈度的损伤预测进行完全、合理的抗震设计具有重要的意义．

依据能量耗散原理和钢筋混凝土结构在低周往复荷载作用下的荷载-位移滞回特性，以结构在理想无损伤状态下外力所做的功为初始标量，建立往复荷载作用下结构损伤评估模型，综合反映往复荷载作用下，混凝土结构在变形过程中的能量耗散、强度衰减、刚度退化等累积损伤特征，能够跟踪任意循环下结构的累积损伤劣化程度(以累积损伤指标Dcy表示)，从而反映混凝土结构实际震害．根据文献[8]可按式(2)研究本构件的累积损伤指标．

图8 节点第i循环的滞回特性Fig.8 Hysteretic characteristic of joint under cycle i

计算得到中节点各主要阶段累积损伤指标结果如表3所示．研究表明，异形柱结构根据损伤指标和结构实际损伤程度可划分为5个损伤等级：①损伤指标Dcy＝0～0.2，结构基本完好；②Dcy＝0.2～0.4，结构轻微损伤，裂缝宽度在0.2,mm以内；③Dcy＝0.4～0.6，结构处于中等损伤，裂缝宽度从0.2,mm到结构屈服；④Dcy＝0.6～0.9，从结构屈服到破坏荷载，结构严重破坏；⑤Dcy＞0.9，结构倒塌[8]．

表3 节点累积损伤指标Tab.3 Results of cumulated damage index of joints

由表3可见，中间节点J-+各主要荷载阶段对应的累积损伤指标值基本符合文献[8]提出的异形柱结构5个损伤等级；而J-+a由于节点核心区混凝土掺入聚丙烯纤维，延迟了节点核心区混凝土的开裂，且裂缝宽度始终较小，在加载后期节点核心区内裂缝宽度才接近0.2,mm，而此时框架梁端位移较大，试件已经屈服，因此J-+a节点核心区内裂缝接近0.2,mm时对应的累积损伤指标值大于该试件屈服时对应的累积损伤指标值，这与普通异形柱结构的5个损伤等级有所差别．节点J-+a屈服后各主要加载阶段的累积损伤指标值均分别小于J-+相应阶段的累积损伤指标值，表明在异形柱节点核心区混凝土内掺入聚丙烯纤维可以减轻异形柱节点的累积损伤程度．

5 有限元分析

采用大型通用有限元软件ANSYS对本文2个中间节点以及文献[9]中的边节点(其中J-T为普通混凝土的边节点，J-Ta为节点核心区采用纤维混凝土的边节点)建模进行分析，模型采用分离式建模，混凝土采用SOLID65单元，钢筋采用LINK8单元，认为钢筋与混凝土单元之间黏结良好，不考虑二者之间滑移的影响．文中异形柱模型混凝土单元尺寸采用50,mm以上，以保证计算结果收敛．有限元分析中各异形柱边节点和异形柱中间节点有限元模型见图9．

图9 异形柱节点有限元模型Fig.9 Finite element model of joints with specially shaped columns

图10 异形柱节点荷载-位移曲线Fig.10 Loading-displacement curves of joints with specially shaped columns

纤维混凝土材料属性根据纤维混凝土材性试验数据并参考纤维混凝土本构相关文献[10-12]确定．加载方式为梁端单向加载，求解过程中适当放宽收敛准则以保证混凝土结构非线性计算时容易收敛．各异形柱节点有限元计算值与试验值对比情况如图10所示，图中节点试验值为梁端正反向加载平均值．

由图10可知，荷载较小时，梁单元模型刚度与试件框架梁刚度基本相同，计算值与试验值曲线大致重合，随着荷载不断增大，试件框架梁及节点核心区内混凝土裂缝不断开展加宽，框架梁刚度发生变化，荷载曲线斜率减小，而有限元分析时混凝土裂缝是弥散在混凝土单元中的，不能完全模拟混凝土裂缝实际开展情况，梁单元模型刚度比框架梁实际刚度大，计算值曲线逐渐高出试验值曲线．有限元模型未考虑钢筋与混凝土之间的黏结滑移和累积损伤等因素，因此计算承载力高于试验承载力，但两者的差值较小．通过比较各节点计算值与试验值可知，应用有限元对异形柱节点进行非线性分析是可行的．

图11为异形柱中间节点核心区及梁内距节点20,cm(J-+a 20)、40,cm(J-+a 40)和60,cm(J-+a,60)范围内考虑纤维混凝土的有限元分析结果．

由图11可以看出，节点J-+a,20、J-+a,40、J-+a,60加载前期与节点J-+a加载曲线较为接近，荷载达到30,kN左右后节点J-+a荷载曲线斜率下降较快，随着变形的不断增大，节点J-+a 20、J-+a,40、J-+a,60的承载能力与节点J-+a相比逐渐增大．可见，异形柱节点核心区和框架梁内同时考虑纤维混凝土时，其增强效果好于仅在异形柱节点核心区内考虑纤维混凝土的情况，异形柱节点受力情况随框架梁内纤维混凝土浇注长度的改变而变化．

图11 纤维同时增强框架梁时中间节点荷载-位移曲线Fig.11 Loading-displacement curves of interior joints as beam reinforced by fiber

6 结 论

(1) 对比异形柱中间节点的破坏特征，往复荷载作用下在异形柱节点核心区混凝土内掺入聚丙烯纤维，与普通异形柱节点相比，可有效改善普通异形柱节点的剥裂状态，减少核心区裂缝数量，减小裂缝宽度．

(2) 比较中间节点的承载力和位移，节点J-+a核心区开裂荷载较节点J-+提高约23%，极限承载力提高约5%，极限位移提高约12%，可见在节点核心区混凝土内掺入聚丙烯纤维，与普通异形柱节点相比，可有效提高节点核心区的开裂荷载，同时可不同程度地增强节点的承载能力和变形性能．

(3) 比较中间节点刚度退化和黏滞阻尼变化可以发现，纤维增强构件的初始刚度显著增大，加载后期刚度退化更加缓慢；耗能能力在屈服前降低较多，屈服后与无纤维节点耗能能力相差不大．

(4) 应用累积损伤模型对纤维增强异形柱中间节点和普通异形柱中间节点进行累积损伤分析，计算得到纤维增强异形柱节点的累积损伤指标值均普遍小于普通异形柱节点相应的累积损伤指标值，表明在节点核心区混凝土掺入聚丙烯纤维可降低异形柱节点的累积损伤程度．

(5) 通过对各异形柱节点有限元分析可知，利用ANSYS有限元软件对普通异形柱节点和纤维增强的异形柱节点进行非线性有限元分析是可行的，通过有限元分析可以实现不同范围内纤维增强异形柱节点的受力情况．

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Experiment Research on Seismic Behavior of Interior Joints with Specially Shaped Columns Reinforced by Fiber

WANG Tie-cheng1,2，ZHAO Hai-long1，HAO Gui-qiang1，ZHANG Xue-hui1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structure and New Materials，Tianjin 300072，China)

Based on the experiments on the core area of interior joint with specially shaped column reinforced by polypropylene fiber, such performance indexes as failure characteristic, bearing capacity and ductility, hysteresis characteristic, rigidity degradation, energy dissipation and cumulated damage of the joints were compared between joints with polypropylene fiber reinforcement and those without. The damage model was established to estimate the cumulated damage of joints and the finite element analysis was also made. Investigation shows that, when fiber is applied to the interior joint with specially shaped column, failure characteristic is improved, cracking load effectively enhanced, and cumulated damages reduced, while energy dissipation is hardly influenced.

joint；specially shaped column；fiber；finite element

TU375

A

0493-2137(2010)12-1045-08

2009-04-17；

2010-06-22.

国家自然科学基金资助项目(50878141)．

王铁成（1950— ），男，博士，教授，wangtiecheng@eyou.com．

赵海龙，zhaohailong@tju.edu.cn.