提高异形柱框架节点抗震性能的试验研究

戎贤，张健新，李艳艳

(1.河北工业大学土木工程学院，天津300401;2.河北省土木工程技术研究中心，天津300401)

异形柱结构具有建筑设计及使用的灵活性与便利性等优点，在国内许多地区得到了广泛的工程应用.国内许多学者在异形柱结构体系的结构、构件和节点等方面进行了试验研究及理论分析，取得了一系列研究成果.研究结果表明:钢筋混凝土结构梁柱节点的薄弱问题已成为建筑物破坏主要原因之一[1-2].由于异形柱的柱肢较矩形柱的更薄弱、节点核心区的钢筋更密集导致施工过程中混凝土质量难以保证和节点的受力更复杂等问题的存在，其抗剪能力较矩形柱节点差，因此，在复杂的地震作用下，异形柱节点更容易发生破坏[3-6].为加强异形柱节点，遵循＂强柱弱梁、更强节点＂设计原则，解决异形柱节点薄弱的问题，提出采用X形配筋、聚丙烯纤维混凝土或钢纤维混凝土对异形柱节点核心区进行增强，在低周往复荷载下研究试件的抗震性能，分析X形配筋、聚丙烯纤维或钢纤维对异形柱节点薄弱部位的增强作用.

1 模型设计及试验概况

试验设计7个1/2缩尺的异形柱节点试件，一组为异形柱中节点:试件J-+X在中节点核心区加入X形配筋，试件J-+a在中节点核心区以聚丙烯纤维混凝土浇筑，试件J-+b在中节点核心区以钢纤维混凝土浇筑，试件J-+在中节点核心区未进行增强;另一组为异形柱边节点:试件J-TX在边节点核心区加入X形配筋，试件J-Ta在边节点核心区以聚丙烯纤维混凝土浇筑，试件J-T在边节点核心区未进行增强.掺入的聚丙烯纤维体积含量为0.1%，掺入的钢纤维体积含量为1%.异形柱框架节点试件尺寸及配筋情况如图1所示.混凝土的性能指标实测平均值如表1所示.试件梁柱纵筋为HRB400级钢筋，箍筋为HPB235级钢筋，其性能指标实测平均值如表2所示.

图1 模型配筋情况Fig.1 Details of specimen

表1 节点混凝土性能指标Table 1 Property indexes of concrete of the joint

试验采用梁端加载的拟静力加载方法，即在柱顶用液压千斤顶施加恒定竖向荷载(中节点为350 kN，边节点为250 kN)，在梁端用拉压千斤顶施加低周往复荷载，加载装置如图2所示.根据《建筑抗震试验方法规程》(GBJ101-96)确定试验的加载制度为荷载-位移联合控制，即在试件屈服前采用荷载控制，每级循环一次;试件屈服后采用位移控制，并以屈服位移整数倍循环3次，直到荷载下降到极限荷载的85%时，试件破坏.

图2 试验装置Fig.2 Test setup

2 破坏特征

异形柱中节点试件破坏形态如图3所示.4个中节点的梁端首先出现弯曲裂缝，随着荷载的增加，中节点核心区翼缘出现斜裂缝，斜裂缝延伸至中节点核心区腹板.在核心区加入X形配筋、掺入聚丙烯纤维及钢纤维的试件核心区腹板裂缝开展缓慢，斜裂缝数量较少，宽度较小，在核心区未被增强的试件J-+斜裂缝数量较多，宽度较大.破坏时被增强的试件节点核心区和梁端处混凝土脱落程度比未被增强的试件J-+的轻.这说明在异形柱中节点核心区加入X形配筋、聚丙烯纤维及钢纤维限制了中节点剪切裂缝产生和发展，从而减轻了中节点核心区混凝土表层开裂和剥落，改善了中节点的破坏特征.

图3 破坏形态Fig.3 Failure pattern

3 试验结果分析

3.1 承载力、位移及延性

工程结构的抗震分析中，承载力及延性是2个重要的衡量指标.7个节点开裂荷载、屈服荷载、极限荷载及开裂位移、屈服位移、极限位移、破坏位移和位移延性系数如表3所示.

表3 节点承载力、位移及延性Table 3 Bearing capacity，displacement and ductility coefficients of joints

中节点J-+X、J-+a和J-+b的开裂荷平均值比未增强的节点试件J-+的开裂荷载平均值分别提高4.75 kN、3.5 kN 和3.0 kN，同时屈服荷载平均值分别提高23.12 kN、4.77 kN 和12.12 kN，极限荷载平均值分别提高17.75 kN、3.5 kN 和7.25 kN，边节点核心区加入X配筋的试件J-TX和聚丙烯纤维增强试件J-Ta的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载平均值均比未被增强的试件J-T的高，这说明在异形柱节点核心区加入X形配筋、掺入聚丙烯纤维和钢纤维可提高节点的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载，X形配筋增强的异形柱节点比纤维增强的异形柱节点在提高承载力方面效果显著.中节点J-+X、J-+a和J-+b的各项荷载对应的位移平均值均大于J-+，边节点J-TX和J-Ta的各项荷载对应的位移平均值也均大于J-T，特别是J-+X和J-+b的极限位移平均值比J-+的极限位移平均值分别大15.27 mm和28.86 mm，这说明在异形柱节点核心区加入X形配筋和掺入纤维均能提高异形柱节点的变形能力，钢纤维增强的异形柱中节点比X形配筋增强的异形柱节点在提高变形能力方面效果显著.

构件延性一般用位移延性系数评价，位移延性系数是指破坏位移和屈服位移的比值，屈服位移指在骨架曲线上通过等面积法确定，破坏位移指骨架曲线上荷载下降至极限荷载的85%时的对应位移.为保证结构构件有较高的曲率延性，结构位移延性系数取值在3～5之间[7-8].通过计算得到的节点试件的位移延性系数平均值均在这个范围之内，表明节点试件的延性较好.

3.2 滞回特性

结构在低周往复荷载作用下荷载-位移滞回曲线综合反映了结构的抗震性能.7个节点试件的荷载-位移滞回曲线如图4所示.在加载初期，未在节点核心区增强的异形柱节点的滞回曲线的滞回性能较好，而在加载后期，其承载力下降较快，刚度退化加快.总体来说，在节点核心区加入X形配筋、掺入聚丙烯纤维及钢纤维的异形柱节点的滞回曲线退化更为缓慢，后期变形能力更大，滞回环更饱满，滞回性能显著提高.与聚丙烯纤维或钢纤维增强的异形柱节点相比，节点核心区加入X形配筋在提高异形柱节点的承载能力方面效果显著.

图4 荷载-位移滞回曲线Fig.4 Hysteretic curves of load-displacement

3.3 刚度退化

刚度退化也是结构抗震性能的重要指标之一.异形柱节点刚度退化曲线如图5所示.

图5 刚度退化曲线Fig.5 Curves of stiffness degradation

对比异形柱节点的刚度退化曲线，刚度退化规律为:总体上加载初期刚度退化较快而后期刚度退化较为平缓.在异形柱中节点核心区加入X形配筋、掺入聚丙烯纤维及钢纤维的试件刚度退化曲线比未被增强的试件刚度退化曲线平缓;在加载后期，异形柱边节点核心区加入X形配筋和掺入聚丙烯纤维的试件刚度退化曲线比未被增强的试件刚度退化曲线平缓.

3.4 耗能能力

试件耗能能力用等效粘滞阻尼系数he评定[9].he值越大，构件通过塑性变形耗能能力越大，滞回环越饱满，延性越好.试件各级位移下最后一次循环时的等效粘滞阻尼系数-位移曲线如图6所示.对比试件在各工况下等效粘滞阻尼系数发现，未增强的节点在各工况下的等效粘滞阻尼系数均大于同条件下的X形配筋增强、聚丙烯纤维增强及钢纤维增强的异形柱节点，可见X形配筋及纤维的加入并没有提高节点的耗能能力.

图6 等效粘滞阻尼系数Fig.6 Equivalent viscous damping coefficients

4 累积损伤

累积损伤模型综合反映了混凝土结构在低周往复荷载作用下变形过程中能量耗散和刚度退化等累积损伤性能.往复荷载下结构损伤评价模型的建立是根据能量耗散原理、强度衰减及钢筋混凝土结构在低周往复荷载下荷载-位移滞回曲线，以结构处在理想无损伤状态下外力作功作为初始标量.结构在任意循环下累积损伤程度可用累积损伤指标Dey表示[10].通过计算得到试件在主要阶段的累积损伤指标如表5所示.

根据损伤指标和结构的实际损伤程度，异形柱结构节点分为5个损伤等级:0＜Dey≤0.2，节点基本完好;0.2 ＜Ddy≤0.4，节点轻微损伤，裂缝宽度不大于 0.2 mm;0.4 ＜ Dey≤0.6，节点中度损伤，裂缝宽度由0.2 mm 到屈服;0.6 ＜Dey≤0.9，由屈服到破坏荷载，节点严重破坏;Dey＞0.9时，节点失效[10].由表5可知，试件在主要阶段的累积损伤指标值大致符合异形柱结构节点的5个损伤等级.但是在节点核心区加入X形配筋及掺入聚丙烯纤维的试件节点核心区裂缝达到0.2 mm时累积损伤指标大于屈服时累积损伤指标值，表明在节点核心区加入X形配筋及掺入聚丙烯纤维均能够延缓混凝土开裂和裂缝宽度的发展，当试件屈服后，节点核心区裂缝宽度才会发展到0.2 mm.试件屈服后，在节点核心区加入X形配筋的节点试件J-+X和J-TX及掺入纤维的节点试件J-+a、J-+b和J-Ta的累积损伤指标值分别小于未被增强的节点试件J-+和J-T相应阶段的累积损伤指标值，加入X形配筋试件J-+X和J-TX的累积损伤指标值分别小于掺入纤维的试件J-+a、J-+b和J-Ta的累积损伤指标值，说明在节点核心区加入X形配筋及掺入纤维均能够减轻节点的累积损伤程度，加入X形配筋对改善节点的累积损伤程度更显著.

表5 试件主要阶段的累积损伤指标Table 5 Cumulative damage index of specimens in main loading stages

5 结论

通过对X形配筋、聚丙烯纤维及钢纤维增强的异形柱节点进行低周往复荷载试验研究，得出以下结论:

1)在异形柱节点核心区加入X形配筋及掺入聚丙烯纤维与钢纤维，均可以减轻节点核心区及梁端混凝土的剥落，减小裂缝宽度，显著改善节点的破坏形态.

2)对比节点的承载力及位移发现在异形柱节点核心区加入X形配筋、掺入聚丙烯纤维及钢纤维可以提高异形柱中节点的承载能力和变形能力.在异形柱节点核心区加入X形配筋、掺入聚丙烯纤维及钢纤维还可改善节点的滞回性能，减缓试件刚度退化，从而提高节点的抗震性能.

3)在节点核心区加入X形配筋及掺入聚丙烯纤维或钢纤维均能够减轻节点的累积损伤程度，加入X形配筋对改善节点的累积损伤程度更显著.

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