剪压比影响下配置HRB500E钢筋梁柱节点试验研究

高 飞， 黄世涛， 刘 波， 周大庆

(1.华中科技大学 a.土木工程与力学学院； b.控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074；2.中交公路规划设计院有限公司， 北京 100055; 3.贵州省公路工程集团有限公司, 贵州 贵阳 550008)

剪压比影响下配置HRB500E钢筋梁柱节点试验研究

高 飞1， 黄世涛1， 刘 波2， 周大庆3

(1.华中科技大学 a.土木工程与力学学院； b.控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074；2.中交公路规划设计院有限公司， 北京 100055; 3.贵州省公路工程集团有限公司, 贵州 贵阳 550008)

由于高性能钢筋(HRB500E)具有良好的延性性能和抗震性能，本文拟对配置HRB500E钢筋混凝土梁柱中间节点的抗震性能进行相关研究。通过对3个梁柱中间节点足尺试件进行拟静力加载试验，研究剪压比对梁柱中间节点破坏模式、滞回特征和延性性能的影响。试验结果表明，配置HRB500E钢筋混凝土梁柱中间节点具有良好的抗震性能。随着剪压比的增加，试件的破坏模式发生转变，即由梁端弯曲破坏变为节点核心区剪切破坏；试件的滞回曲线所包围的面积明显增加，并且在加载后期时，试件滞回环的峰值荷载退化变快。同时，随着剪压比的增大，试件的梁屈服荷载和最大荷载显著增大；试件的梁屈服位移也逐渐增大，而屈服位移的增大引起了梁柱中间节点延性系数的减小。

RC梁柱中间节点； 高性能钢筋(HRB500E)； 剪压比； 滞回特征； 延性性能

近年来，国内、外发生的地震造成了重大的社会财产损失和人员伤亡。震后发现，框架结构的破坏形式主要有梁端弯曲破坏和节点核心区剪切破坏两种情况。因此，各国学者针对梁柱节点的破坏模式及其影响因素进行了大量研究。

盐原等[1]提出一种新的节点加强方法，并通过试验来研究其性能。试验表明，与未加强的节点相比，节点加强的试件能防止梁纵筋的粘结滑移，减少并延缓节点混凝土的损伤，使RC节点由加强前的节点核心区剪切破坏模式转变成梁端弯曲破坏模式，以提高节点的抗剪和抗震性能。

傅剑平[2～4]分别研究了中低剪压比、中等偏高剪压比和高剪压比作用下，考虑轴压力和核心区配箍率对梁柱中间节点的传力机理和抗震性能的影响。

葛宏亮[5]对配置HRB500高强钢筋的梁柱节点进行了拟静力试验。试验表明，节点剪压比越小，节点混凝土损伤越轻，斜向压溃的进程越慢，试件耗能能力越好。

Masi等[6]设计了4个梁柱边节点足尺试件。作者通过控制柱端轴向力改变了试件破坏模式，实现了试件由梁端破坏向节点核心区破坏的转变。Haach等[7]通过试验测试与抗剪理论的对比来研究柱轴向荷载对试件受力性能的影响。作者指出，进一步研究精确的设计梁柱组合体的破坏模式是非常有必要的。

建筑抗震设计规范[8]建议采用“强柱弱梁，强节点”的设计思想。当地震发生时，节点应具有足够的强度和必要的延性，即使在强烈地震的作用下，在梁的塑性铰充分发挥作用前，框架节点也不应发生破坏。

梁柱节点受力复杂，在地震作用下，其破坏模式及抗震性能是值得深入进行研究的。本文主要研究剪压比对配置HRB500E钢筋梁柱节点破坏模式和抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计与材料性能

依据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[9]设计了3个配置HRB500E钢筋混凝土梁柱节点的足尺试件。试件的几何尺寸及配筋见表1。本次试验变量为梁纵向配筋率，其中，试件SP1、SP2和SP3的梁单侧配筋分别为3Φ16、3Φ20和4Φ20。图1为试件SP1的配筋图，试件SP3核心区配箍为7Φ10，而试件SP1和SP2均为6Φ10，除此之外，3个试件的其他设计参数完全相同。

表1 试件基本参数

注：υ=N/(fc×A)，η=Vjh/(fc×A)，式中N为柱的轴压力设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；A为柱截面面积；Vjh为梁柱节点核心区承受的剪力设计值。

图1 试件SP1配筋/mm

表2为设计的梁、柱抗弯极限承载力及比值。从比值中可以看出，本次试件的设计均满足建筑抗震设计规范的一级抗震的要求，符合“强柱弱梁”的设计思想。

试验采用的钢筋型号是HRB500E。通过钢筋拉伸试验来获取试验钢筋的力学性能，其力学指标详见表3。试验中采用的混凝土型号为C50，其立方体抗压强度实测值为fcu0=48.8 MPa。

表2 梁、柱抗弯极限承载力及其比值

表3 HRB500E钢筋材料力学性能

1.2 试验装置与加载过程

试验装置如图2，在2组6 m高的门式刚架上固定一根长3 m、高0.5 m的横梁，横梁的中部安装一个5 MN的千斤顶和一个力传感器，力传感器与上端柱帽相连。侧向支撑与上端柱帽和反力墙都通过铰支座相连，即试件与反力墙之间通过竖向滑动支座连接，试件柱上端可以有竖向位移，但是不能发生水平移动。下端柱帽与地面铰接。靠近试件梁自由端的两根钢柱通过上下两根长0.8 m、高0.4 m的钢梁相连，钢梁中部均安装了1 MN的千斤顶和力的传感器。千斤顶和高精度静态伺服液压控制台通过高压油管相连。参照《建筑抗震试验方法规程》[10]，试验采用荷载-位移双控制的加载方式。试件梁纵向钢筋屈服前，采用荷载控制，以屈服荷载Py的±30%、±60%和±90%来施加循环往复荷载。试件梁纵向钢筋屈服之后，采用位移控制，以屈服位移Δy的整数倍来控制加载，以±Δy、±2Δy、±3Δy…作为控制位移。每级加载进行2次循环。当滞回环峰值荷载下降到最大荷载Fmax的85%以下时，停止加载，加载制度示意图详见图3。

图2 试验装置

图3 加载制度示意

1.3 测量装置

图4 测量布置/mm

通过力传感器，对施加到柱顶轴向荷载N和梁两端竖向荷载P1和P2进行采集。利用YHD-400型位移计测量梁两端荷载加载点的竖向位移Δ1和Δ2。通过梁端荷载P和加载点位移Δ得出梁柱节点荷载-位移关系曲线，即滞回曲线。测量示意图如图4所示。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象观测

试件SP1、SP2、SP3裂缝发展的主要过程，详见图5所示。

试件SP3在加载至0.6Py时节点核心区开始出现斜裂缝，而试件SP1和SP2的节点核心区分别在3Δy和0 .9Py出现斜裂缝。

加载至Δy时，图5(b)显示，各个试件节点核心区斜裂缝在宽度和数量上差别较大。其中，SP1没有出现斜裂缝；SP2只出现了几条斜裂缝，并且宽度较小；SP3节点核心区出现密密麻麻的斜裂缝。

加载至4Δy时，试件SP3节点核心区混凝土开始大量脱落。而试件SP1和SP2的斜裂缝较少。加载至5Δy时，试件SP3节点箍筋完全露出，同时梁端竖向承载力下降较多；而试件SP1和SP2的节点核心区裂缝基本上不变，竖向承载力下降较少。

2.2 破坏特征

如图6～8所示，试件SP1发生梁弯曲破坏，节点核心区只有少许斜裂缝；试件SP2也发生梁弯曲破坏，而节点核心区出现了较多的斜裂缝，斜裂缝将节点核心区划分了许多密密麻麻的“小格子”；试件SP3的破坏形态则完全不同，试件没有发生梁弯曲破坏，节点核心区主斜裂缝延伸到上下柱，导致柱边混凝土部分剥落，最终节点核心区混凝土大量脱落，发生节点核心区剪切失效。

随着剪压比的增大，由梁端传向节点的剪力就越大。当节点核心区混凝土的主拉应力大于混凝土的开裂应力，节点核心区开始出现裂缝。从图6～8可以看出，试件SP1所传递的剪力较小，产生的裂缝也较少；试件SP2的传递剪力有所增大，试件的裂缝相对较多；而试件SP3所传递的剪力过大，造成节点核心区的箍筋屈服，节点核心区混凝土大量脱落，发生节点核心区剪切破坏。

图5 试件裂缝观测对比

图6 试件SP1破坏

图7 试件SP2破坏

图8 试件SP3破坏

通过对比发现，随着剪压比的增加，试件梁端弯曲破坏程度逐渐降低，节点核心区裂缝逐渐增多、变宽。通过控制不同的剪压比，试件的破坏形态实现了由梁端弯曲破坏向节点核心区剪切破坏的转变。

2.3 滞回曲线

由图9可知，试件SP1在荷载控制的加载初期，滞回环面积较小，表明试件基本处于弹性状态。但在屈服荷载后，滞回环变得饱满、呈梭形，滞回环包围的面积较大。

图9 SP1滞回曲线

试件SP1经过一定的塑性发展之后，即在3Δy时，滞回环出现 “捏缩”现象。随着梁塑性变形的增大，滞回环的“捏缩”现象越来越明显，此时的滞回环与初期的梭形滞回环相比，前者面积更大，但更偏向水平方向。加载到6Δy时，第二循环相比于第一循环梁抗侧刚度和梁端峰值荷载开始下降较明显(梁端峰值荷载下降了10.0%)，主要是因为梁斜裂缝开展过大，导致混凝土严重脱落。当加载到7Δy时，梁抗侧刚度急剧减小，梁端峰值荷载下降到最大荷载的85%，故停止加载。

图10 SP2滞回曲线

如图10所示，试件SP2和SP3的滞回曲线与试件SP1滞回曲线的特征基本一致。加载至5Δy时，试件SP2第二循环相比于第一循环梁抗侧刚度和梁端峰值荷载下降明显(梁端峰值荷载下降了14.4%)。6Δy时，停止加载。

如图11所示，加载至2Δy时，试件SP3第二循环相比于第一循环梁抗侧刚度和梁端峰值荷载下降较明显(梁端峰值荷载下降了2.9%)。5Δy时，梁端峰值荷载下降到最大荷载的85%。本次试验加载至6Δy时，停止加载。

图11 SP3滞回曲线

如图9～11所示，随着剪压比的增大，试件的滞回曲线所包围的面积明显增加，并且在加载后期时，试件滞回环的峰值荷载退化变快。

2.4 骨架曲线

根据《建筑抗震试验方法规程》[10]，取每一加载级第一次循环的峰值点所连成的包络线即为骨架曲线。本次试验3个试件的骨架曲线如图12所示，三个试件具有相似的形状，均有较为明显的屈服点和极限点。从骨架曲线中，可以得出试件的屈服荷载、最大荷载、极限荷载及其对应的位移，如表4所示。随着剪压比的增大，试件的屈服荷载、最大荷载和极限荷载均明显增大。

图12 骨架曲线对比

2.5 延性系数

结构或构件的延性性能通常用延性系数表示，延性系数的定义为：u=Δy/Δu，其中Δy和Δu分别为试件的屈服位移和极限位移(取极限荷载Fu=0.85Fmax时所对应的位移)。本次试验3个试件的延性系数见表4。试件SP1、SP2和SP3的延性系数分别为6.7、5.0和4.0，表明，试件具有较好的延性性能。

表4 试件的试验数据

试件的延性系数SP1>SP2>SP3，表明，随着剪压比的增大，试件的延性性能逐渐变差。这是因为随着梁纵向配筋率的增加，当梁纵向钢筋屈服时，需要的梁端竖向荷载更大，导致试件的屈服位移增大。

3 结论

本文对3个试件进行了拟静力加载试验，测试得到试件破坏形态、梁端荷载-位移曲线、极限位移和极限荷载等重要数据。对试验数据进一步分析得到配置HRB500E钢筋混凝土梁柱节点的延性指标。试验结果表明，配置HRB500E钢筋混凝土梁柱节点具有良好的抗震性能。其中，本文得出的主要结论如下：

(1)剪压比较低的试件SP1和SP2均发生梁端弯曲破坏，节点核心区裂缝较少；而剪压比较高的试件SP3发生了节点核心区剪切破坏。表明，剪压比能改变试件的破坏模式。

(2)随着剪压比的增加，试件的屈服荷载、最大荷载和极限荷载显著增加，试件滞回曲线也越来越饱满。

(3) 随着剪压比的提高，试件的梁端屈服位移显著增大，延性系数显著降低。

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[10]JGJ 101-96, 建筑抗震试验方法规程[S].

Experimental Research in Influence of Shear-compression Ratio on the Interior Beam-column Joint with HRB500E Reinforcements

GAOFei1,HUANGShi-tao1,LIUBo2,ZHOUDa-qing3

(1. a.School of Civil Engineering and Mechanics；b. Hubei Key Laboratory of Control Structure,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. CCCC Highway Consultants Co Ltd, Beijing 100055, China；3. Guizhou Expressway Group Co Ltd, Guiyang 550008, China)

Since high performance reinforcements (HRB500E) have the advantages of better ductility and earthquake-resistant behavior，this paper focused on the seismic behavior of interior RC beam-column joints with HRB500E reinforcements. Three full-scale interior beam-column joint specimens were tested to failure under quasi-static load. The influence of shear-compression ratio on the failure mode, hysteretic characteristic and ductility behavior of interior RC beam-column joints were investigated. The results indicate that interior RC beam-column joints with HRB500E reinforcements generally have a good seismic behavior. To be more specific, as the shear-compression ratio increases, the failure of the specimens changes from flexural failure of beam end to shear failure of joint core; the area of hysteretic curve increases greatly, and at the later stage of the loading, the peak load of hysteretic loop decreases rapidly. In the meantime, the yield load and the maximum load increase, the yield displacement also increases as well, which leads to the decrease of ductility coefficient of the joints.

interior RC beam-column joints; high performance reinforcement (HRB500E); shear-compression ratio; hysteretic characteristic; ductility behavior

2014-05-14

2014-09-01

高 飞 (1978-),男,湖北荆门人,副教授,博士,研究方向为钢管节点、组合结构和钢筋混凝土梁柱节点力学性能 (Email:hustgaofei@hust.edu.cn)

国家自然科学基金(51378233);贵州省“十二五”重大科技专项(黔科合重大专项[2011]6014)

TU375.4

A

2095-0985(2014)04-0001-06