地聚物混凝土梁柱节点抗震性能研究进展

毛宇光，刘钰中，苏捷，杜运兴，胡翔，史才军

（1.绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南省绿色与先进土木工程材料国际创新合作中心，湖南大学，湖南 长沙 410082；3.建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南大学，湖南 长沙 410082）

引言

地聚物（geoploymer）是通过碱性激发剂激发富含硅铝酸盐的矿物质获得的一类新型胶凝材料。碱激发剂通常为硅酸钠（Na2O·nSiO2）溶液，富含硅铝酸盐的矿物质可以是工业副产品（粉煤灰、冶金渣等）或天然材料（偏高岭土、天然火山灰等）［1－3］。生产地聚物混凝土比生产普通混凝土的CO2排放量减少75%到84%［4－5］，故地聚物是一种绿色低碳胶凝材料。图1为两者组成的比较，可以看到它们最大的区别在于胶凝组分，它对混凝土的和易性、强度和耐久性等都有显著影响［6］。

图1 单位体积的普通混凝土和地聚物混凝土的组成成分［6］Fig.1 Composition（1 m3）of conventional concrete and geopolymer concrete［6］

相较于普通混凝土，新拌的地聚物混凝土和易性稍差［7－8］，凝结时间短［1，9］。硬化地聚物混凝土的早期强度更高［10－11］、耐久性更佳［12－14］，特别是抗硫酸盐和抗酸侵蚀性［15］。地聚物混凝土的抗压强度会随着氢氧化钠浓度和碱性活化剂模量的提高而增大［16］，但弹性模量比普通混凝土低大约25%～35%［17－19］，这可能是因为地聚物中形成的N－A－S－H凝胶的弹性模量明显小于普通水泥中的C－S－H凝胶［20］。2种混凝土的粘结应力－滑移曲线非常相似［21］，地聚物混凝土在与钢筋的粘结强度方面稍优于普通混凝土［22－24］，在相同条件下养护28d时，前者的滑移值相较于相同强度的后者减小了10%［25］。研究发现地聚物混凝土显示出较普通混凝土更大的脆性［26－28］，添加纤维可以改善其力学性能与脆性［8，29－30］。

现有地聚物混凝土的研究大多集中在材料层面，在结构构件层面的研究非常有限。地聚物混凝土梁的抗弯承载力接近或略高于普通混凝土梁，两者在较大弯矩作用下的破坏模式与荷载－挠度响应等均相似，而且两者的抗剪强度和破坏模式也相近［31－34］。梁的跨深比、配筋率和纵筋强度等对地聚物混凝土梁的抗剪强度有显著影响［35－38］。另外，研究显示高强度的矿渣地聚物混凝土梁在破坏时表现出的脆性明显大于普通混凝土梁，且随抗压强度的提高愈发明显［19，39］。有学者［31，40］认为现有普通混凝土的设计规范适用于地聚物混凝土梁的挠度、弯矩和裂缝大小的计算。地聚物混凝土柱的承载能力随着荷载偏心率的减小、地聚物混凝土强度与纵向配筋率的上升而增加，柱中挠度会随着荷载偏心率的增大、混凝土强度和配筋率的减小而增大［41－42］。Albitar等［42］指出地聚物混凝土柱的结构响应与普通混凝土柱，现有混凝土柱的设计规定可以很容易地修改并用于地聚物混凝土柱设计。地聚物混凝土墙相较于普通混凝土墙的挠度更大，但承载能力却很接近。这可能与地聚物混凝土含有更多的细小基体颗粒有关［43］。

梁柱节点是一类受力非常复杂的构件，其受到来自上下柱和两侧梁端传来的轴力、弯矩及剪力，甚至会因为存在偏心而存在扭矩［44－46］。当房屋遭受地震荷载作用时，梁柱节点也是最容易遭受破坏的部分，它的破坏往往会造成建筑物的倒塌。

文中综述了地聚物混凝土梁柱节点抗震性能的研究进展，在此基础上讨论了改善地聚物节点性能的措施的有效性以及现有设计规范的适用性，为地聚物混凝土的结构进一步研究和设计及应用提供了一些指导作用。

1 地聚物混凝土梁柱节点研究

目前地聚物混凝梁柱节点的研究还只限于框架结构一般层边柱处的T型节点，对于地聚物混凝土梁柱节点的研究重点是其抗震性能，表1和表2列出了现有地聚物混凝土梁柱节点试验研究中所采用的配合比和各试件的信息。试验均采用梁端加载，下面的章节将从破坏模式、荷载－变形关系、强度和延性、刚度退化和耗能能力等方面对地聚物混凝土和普通混凝土梁柱节点的异同进行讨论。

表1 文献中地聚物与普通混凝土梁柱节点配合比Table 1 Mix ratio of geopolymer and conventional concrete beam-column joints in literature kg/m3

表2 文献中地聚物与对应普通混凝土梁柱节点试验试件Table 2 Geopolymer concrete and conventional concrete beam-column joints specimens in literature

1.1 破坏模式

1.1.1 破坏形态和裂缝发展

框架结构一般层梁柱边节点因只受单侧梁的约束，所以梁的纵向钢筋无法贯穿节点核心区，必须通过弯折处理或加锚头（锚板）等措施锚固于节点核心区内，这使其传力途径和受力情况非常特殊［52］。一般层边节点的破坏模式主要有3类——梁端受弯破坏、核心区剪切破坏及锚固破坏［53－55］。

图2显示了地聚物混凝土梁柱边节点在单调加载过程中的破坏模式。因为试件设计采用“强柱弱梁”理念，所以普通混凝土试件CCJ0和地聚物试件GCJ0的裂缝多出现在靠近节点核心区的梁端，梁上部靠近节点核心区的混凝土可以明显观察到被压破碎，而梁下端的裂缝贯穿使得试件破坏。据测量，普通混凝土试件的主裂缝平均值为18 mm，而地聚物混凝土试件的该值为15 mm。无论是裂缝形态还是裂缝宽度，地聚物混凝土试件与普通混凝土试件差异并不明显。

图2 梁柱节点在单调荷载下的破坏形态［47］Fig.2 Failure mode of beam-column joints under monotonic loading［47］

梁柱节点试验通常采用低周反复荷载模拟地震作用。现有文献中各试验试件的开裂情况见图3。多个学者［48－51，56］的研究结果显示，在低周反复荷载的作用下所有试件的梁部最先出现大量的微裂缝，当达到初裂阶段时，梁部裂缝扩展，同时节点核心区开始出现交叉裂缝。当荷载值进一步加大，梁端裂缝变宽直至贯穿导致节点发生梁端受弯破坏，试件的裂缝均主要集中在靠近节点核心区的梁端和核心区，且这一区域的裂缝明显宽于其他区域。Datta等［49］测量了普通混凝土边节点试件CCJ2和地聚物边节点GCJ2初裂和通裂阶段的裂缝宽度，在初裂阶段，CCJ2的裂缝宽度为0.7 mm，而GCJ2的裂缝宽度为0.6 mm；当达到通裂阶段时，CCJ2的裂缝宽度为1.8 mm，而GCJ2的裂缝宽度为2.1 mm。从图2、图3及裂缝宽度的比较可以看出地聚物混凝土梁柱边节点在2种加载方式下的裂缝开裂发展及试件的破坏特点均与普通混凝土梁柱边节点相似。

图3 普通混凝土节点（GCJ）与地聚物混凝土节点（CCJ）在低周反复荷载下的破坏形态［48－51］Fig.3 Failure mode of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）under cyclic loading［48－51］

1.1.2 开裂荷载和极限荷载

现有试验得到的地聚物混凝土和普通混凝土梁柱边节点的开裂荷载、极限荷载及极限位移值列于表3。可以看出地聚物混凝土梁柱边节点的开裂荷载与普通混凝土梁柱边节点试件的开裂荷载基本一致。但当荷载继续增大到试件破坏时，极限荷载与极限位移结果却有差异。有的试验结果［48］显示地聚物混凝土试件与普通混凝土试件的极限荷载基本一致，两者的极限位移也相差不大；一些试验结果［49］表明地聚物混凝土边节点试件相较于普通混凝土边节点试件极限承载力低约16.7%；而另一些试验［47，50－51］却显示地聚物混凝土边节点的极限承载力相较于普通混凝土试件高约7%～19%。另外，Ngo等［50］注意到，在地聚物混凝土节点试件达到极限承载力值的下一级循环，其承载能力下降明显，而普通混凝土节点试件的承载能力则在达到极限承载力值得下一级循环下降不明显。这是由于地聚物混凝土试件在承受峰值荷载时表现出来的脆性特性［19，57］。

表3 梁柱边节点试件开裂和极限荷载Table 3 Frist crack load and ultimate load of exterior beam－column joint specimens

1.2 荷载－变形关系

节点试件在低周反复加载过程中得到的荷载－变形曲线称为滞回曲线，将滞回曲线的峰值点依次连接，可得到试件的骨架曲线。试件的滞回曲线和骨架曲线可以全面地展示试验的抗震性能。

图4是现有文献中地聚物混凝土一般层梁柱边节点试件和相应普通混凝土试件的滞回曲线与骨架曲线［48，50－51］。可以看到，普通混凝土边节点试件CCJ1和CCJ4的试验结果较为相似，2个滞回曲线都呈弓形。地聚物边节点试件GCJ4的滞回曲线与相对应的普通混凝土试件CCJ4类似，呈较为饱满的弓形，但是可以观察到GCJ4较CCJ4的刚度有一定的退化，其滞回曲线可以观察到“捏缩”现象。地聚物混凝土边节点试件GCJ1滞回曲线整体趋势也与对应的普通混凝土试件CCJ1滞回曲线类似，但在超过极限荷载的正循环阶段，GCJ1的强度降低更加明显，但是刚度相较于对应的普通混凝土试件却没有较大的改变。而地聚物混凝土边节点GCJ3的滞回曲线同时显示出比相对应的普通混凝土试件CCJ3更加明显的强度降低和刚度退化现象，特别是在负向加载阶段。地聚物混凝土边节点试件GCJ3和普通混凝土边节点试件CCJ3的滞回曲线均呈倒“S”型。

图4 （续）Fig.4（Continued）

图4 普通混凝土节点（CCJ）与地聚物混凝土节点（GCJ）在低周反复荷载下的滞回曲线和骨架曲线［48，50－51］Fig.4 Hysteretic curves and skeleton curves of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）［48，50－51］

1.3 强度和延性

在混凝土框架节点试件承受低周反复荷载的过程中，节点的承载能力和延性会随着循环次数的增加而逐渐下降。为了反映地聚物混凝土一般层边节点试件与对应的普通混凝土试件在低周反复荷载下强度和延性降低的统一关系，将试件的累积延性系数作为横坐标，将试件每一循环荷载下的最大承载力与屈服时承载能力的比值作为纵坐标得到图5。累积延性系数的计算公式如下［58］：

向下加载的累积延性系数：

向上加载的累积延性系数：

式中：Δy、Δ'y为屈服时的位移；Δ1、Δ3、Δn为从原点O到该循环的最大位移；Δ2、Δ4、Δn+1为反向加载到该循环的最大位移。

从图5中可以看到，地聚物混凝土边节点的强度降低比普通混凝土试件明显。这种现象可归因于地聚物混凝土基体早期相较于普通混凝土基体有更大的收缩微裂缝［59－61］。这些微裂缝会在低周反复加载过程中更快地发展，进而使得地聚物混凝土在达到极限荷载后比具有更少微裂缝的普通混凝土试件表现出更快的强度下降［62－63］。

图5 地聚物混凝土与普通混凝土边柱节点强度降低系数和累积延性系数［48，50－51］Fig.5 Strength degradation curves and accumulated ductility of geopolymer concrete and conventional concrete exterior beam-column joints［48，50－51］

通过对J1和J4这2组试验结果进行计算（将试件的最大位移比上试件屈服时的位移），可以发现地聚物混凝土试件的累积延性系数比普通混凝土试件高了43%和13%。但是J3组的试验结果显示地聚物混凝土试件的延性系数相较于普通混凝土试件小了23%。地聚物混凝土边节点在延性方面存在的分歧与地聚物混凝土材料方面（地聚物混凝土强度、所采用的原料及碱激发剂模量）的差异有关。在地聚物混凝土强度对基体脆性的影响方面，早前研究［19］表明随着地聚物混凝土抗压强度的提高，其破坏时的特征长度（一种反映混凝土脆性的材料参数，与断裂能及弹性模量成正比，而与劈裂抗拉强度成反比［64］）会显示出下降的趋势，这解释了J3试验组中制备的抗压强度为66.1 MPa的地聚物混凝土节点表现出更明显脆性的原因。在所采用原料对基体脆性的影响方面，有的研究人员［65］发现F级粉煤灰基地聚合物混凝土比普通混凝土具有更高的断裂能，并且其破坏时的挠度更大，这说明F级粉煤灰基地聚物混凝土构件比普通混凝土构件具有更强的延性；而矿渣基地聚物混凝土构件在破坏前的特征长度小于对应的普通混凝土构件，表现出更大的脆性［66］。地聚物混凝土节点GCJ1选用的原料为F级粉煤灰，而GCJ3则采用了GGBS与粉煤灰混合作为主要的原料，这可能是两组试验中试件节点延性差异的另一个重要原因。而虽然GCJ4也是用GGBS和白云石作为主要原料制备了抗压强度为72.5 MPa的高强地聚物混凝土，但其却仍表现出比对应普通混凝土试件更大的延性，作者推测这可能与其选用的碱激发剂模量Ms（SiO2/Na2O）是3组试验中最大的有关，先前的研究［67］已经证明随着碱激发剂模量的提高，水化过程中可以提供更多的硅来形成更多的富硅凝胶，富硅凝胶含水量高，排水性大的特点会使基体产生更多微裂缝，基体也因此表现出更佳的延性行为［66］。

1.4 刚度退化

试件的刚度退化一般通过计算同一循环荷载下的割线刚度来表示，其计算公式为［68］：

式中：Pji为处于j次加载位移的第i次循环的荷载峰值；uji为处于j次加载位移的第i次循环的位移峰值。

节点试件出现刚度退化的现象是由于试件的弹塑性特质与低周反复荷载过程中的累积损伤，其在基体的表现形式为混凝土部分的裂缝出现和裂缝发展以及钢筋的弹塑性变化和其与混凝土之间的粘结滑移［69］。图6整理了现有地聚物一般层边节点构件和对应的普通混凝土构件刚度随循环荷载次数增加的改变情况。可以看出，地聚物混凝土边节点试件的初始刚度与相对应的普通混凝土边节点试件相近（J1、J4），甚至更大（J2、J3）。随着循环次数的增加，所有试件的割线刚度均呈下降趋势，其中GCJ1的下降速率略大于CCJ1；GCJ2的下降速率明显大于CCJ2；J3、J4这2组的情况相同，在前中期，普通混凝土试件CCJ3和CCJ3下降速率更大，在后期，地聚物混凝土试件GCJ3和GCJ4的下降速率更大。在接近极限状态时，地聚物混凝土边节点试件的割线刚度曲线斜率会出现较为陡峭的下降，这是因为地聚物混凝土在极限状态下表现出的脆性使得混凝土基体剥落破坏迅速［70－71］，进而导致节点试件刚度急剧下降。先前的研究［72－73］认为地聚物混凝土更为明显的刚度退化现象是由于其在接近极限状态下弹性模量骤降的特性。产生这一特性的根本原因这与1.3节论述的强度降低的原因一致，是地聚物混凝土早期更多的微裂缝使得其在极限阶段变宽甚至贯穿导致的。

图6 普通混凝土节点（CCJ）与地聚物混凝土节点（GCJ）在低周反复荷载下的割线刚度［48－51］Fig.6 Stiffness of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）under cyclic loading［48－51］

1.5 耗能能力

节点能够耗散的能量是评价构件抗震性能最重要的指标。若节点能把更多的能量耗散到外部空间，则其自身受到的损伤将更小。通常，试件的荷载－变形滞回环包围的面积越大，其能量耗散性能越好。图7展示了现有地聚物一般层边节点试件与对应的普通混凝土试件能量耗散能力随循环荷载次数的变化情况。从图中可以看到J1和J4这2组试件的研究中，2类混凝土边节点试件在相同循环荷载次数下的耗能能力相当，J3试验组结果显示普通混凝土边节点试件在接近极限荷载的几轮循环荷载次数下的耗能能力显著高于地聚物混凝土边节点试件，但2种类型混凝土试件的最终耗能能力相当。而进行的半循环荷载试验的J2试验组的结果显示地聚物混凝土节点试件能承受半荷载下的耗能能力强于普通混凝土试件。另外，J0组的试验结果也表明在单调荷载作用下，地聚物混凝土节点试件破坏时耗散的能力是大于普通混凝土节点试件的。

图7 普通混凝土节点（CCJ）与地聚物混凝土节点（GCJ）在低周反复荷载下的能量耗散能力［48-51］Fig.7 Energy dissipation capacity of of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）［48-51］

上述地聚物与普通混凝土边节点试件在能量耗散方面表现出的不同可以由2类混凝土试件在单调荷载与低周反复荷载下的破坏机理差异来解释。当地聚物混凝土基体承受静力荷载时，其界面过渡区的强度起到主要控制作用［74］。早前的研究［75－76］已经证明地聚物混凝土相较于普通混凝土有着强度更高，更密实、均匀的界面过渡区，这使得其断裂能更高。但是在地聚物混凝土节点试件受到低周反复作用时，基体上产生的裂缝可能穿过骨料，界面过渡区将不再是最薄弱的区域，决定能量耗散的区域由界面过渡区转为了钢筋混凝土基体本身的内摩擦或节点的开裂、转动和位移等［19］，相较于普通混凝土节点试件，地聚物混凝土节点试件在能量耗散能力方面可能将不再有优势。

2 改善地聚物混凝土节点性能的措施

地聚物混凝土一般层边节点在低周反复加载过程中，节点延性、节点耗能等方面与普通混凝土一般层边节点类似或更优。但是在强度降低和刚度退化方面相较于普通混凝土边节点更加明显。过大的强度降低和刚度退化率对于结构的稳定性是不利的，针对这2方面的缺陷，可以掺加纤维改善其性能；也可以通过改变节点构造形式以获得更好的性能。

2.1 掺加钢纤维

在混凝土构件中掺加钢纤维是非常常规的改善构件性能的措施。先前的研究已经证明在地聚物砂浆或混凝土试件中掺加纤维可以增强其韧性［77－79］、抗弯强度［8，30］、抗拉强度［80］及与钢筋的粘结强度［25］等力学性能，并且可以减小地聚物混凝土的早期收缩［81］。钢纤维的掺入对于地聚物混凝土一般层边节点与普通混凝土节点的各项性能的影响整理于表4。可以看到在地聚物混凝土节点中掺入钢纤维可以显著增加其延性和能量耗散能力，并且对其刚度退化和极限承载力也有一定改善。随着钢纤维体积分数的增大，这些影响的效果也会增加。

表4 掺加钢纤维对地聚物梁柱节点试件性能的影响Table 4 The influence of adding steel fiber on the performance of geopolymer beam-cdumn joints

图8显示了掺加钢纤维的节点试件的裂缝发展情况，通过图3与图8的对比可以看到钢纤维的加入使得节点试件上较大宽度裂缝的数量明显变少，取而代之的是宽度较小的微裂缝数量增多。在承载力方面，早前的研究结果［48－49］显示钢纤维的掺入对于地聚物混凝土节点试件的开裂荷载并没有明显的提高，掺入0.75%的钢纤维后地聚物混凝土节点开裂荷载与不掺钢纤维的试件一样仍为6 kN［49］。但是在所有研究中，钢纤维的掺加均能够提高地聚物混凝土试件的极限承载力，提高的程度为5.1%～33%。

图8 掺钢纤维的普通混凝土边柱节点（SFRCCJ）与掺钢纤维的地聚物混凝土边柱节点（SFRGCJ）在低周反复荷载下的破坏形态［48，51］Fig.8 Failure mode of conventional concrete joints with steel fiber（SFRCCJ）and geopolymer concrete joints with steel fiber（SFRGCJ）under cyclic loading［48，51］

在节点延性方面。以0.5%的体积分数把钢纤维掺入得到的地聚物混凝土边节点试件SFRGCJ1的位移延性由3.68增加到4.56，而同样掺入0.5%钢纤维的普通混凝土节点试件SFRCCJ1的位移延性由2.50增加到3.86［48］；将钢纤维分别以0.25%、0.5%、0.75%的体积分数在掺入地聚物混凝土节点得到的SFRGCJ4－0.25、SFRGCJ4－0.50、SFRGCJ4－0.75试件分别比不掺钢纤维的地聚物试件的延性系数增加了14.7%、32.9%及58.8%［51］。

在刚度退化方面，J1［48］与J4［51这2组研究结果显示掺加钢纤维可以减缓地聚物混凝土试件的割线刚度降低速率，使其在刚度退化表现上与普通混凝土试件类似，并且改善其在接近极限状态时的刚度骤降现象（图9）。

图9 不掺与掺入纤维的普通混凝土节点（CCJ，SFRCCJ）及不掺与掺入纤维的地聚物混凝土边柱节点（GCJ，SFRGCJ）在低周反复荷载下的割线刚度［48，51］Fig.9 Stiffness of conventional concrete joints without and with steel fiber（CCJ,SFRCCJ）and geopolymer concrete joints without and with steel fiber（GCJ,SFRGCJ）under cyclic loading［48，51］

在对抗震性能最重要的耗能能力方面，Datta等［49］的试验结果显示钢纤维的掺入能使地聚物混凝土节点试件的耗能能力上升惊人的195%。掺入0.5%钢纤维的试件SFRGCJ1的耗能能力由98 kN·mm增加到280 kN·mm，而相同体积分数的钢纤维只能让普通混凝土边节点试件SFRCCJ1的耗能能力由148 kN·mm增加至170 kN·mm［48］。SFRGCJ4－0.25、SFRGCJ4－0.50、SFRGCJ4－0.75的试验结果显示0.25%、0.5%、0.75%体积分数的钢纤维分别能让地聚物混凝土试件的耗能能力增加32%、95%及122%［51］。

钢纤维掺入的影响可以归因于4个方面：化学物理粘接作用、静摩擦作用、摩擦作用、机械咬合作用，后三者一并称为“广义摩擦力”［82］。钢纤维在宏观构件层面通过摩擦作用和机械咬合作用限制了地聚物混凝土构件的开裂程度与主裂缝的发展，将能量通过更多的微裂缝来耗散；在微观层面，纤维与地聚物基体之间、纤维与纤维之间的物理粘接作用及广义摩擦力的增强弥补了地聚物混凝土材料脆性的缺点［83］，使得基体具有更高的节点延性、承载力和耗能能力。另外先前的研究证明钢纤维的掺入可以使地聚物混凝土的弹性模量增加约5.3%至7.6%［48－49］，这使其具有更佳的刚度退化表现。关于掺加钢纤维对于地聚物节点的性能影响，有一些问题需要在未来的研究中引起重视，一是最佳的纤维掺加量和纤维长度。二是2种胶凝材料中钢纤维的取向问题。

2.2 新型节点形式

转移梁端塑性铰、梁端水平加腋和梁筋附加锚板等措施［84－87］已运用于改善普通混凝土节点的性能。但目前对于改善地聚物混凝土梁柱节点的结构措施的研究非常少。

Ngo等［50］提出了一种新型干连接节点形式。其使用2根碳纤维增强聚合物（CFRP）预应力螺栓来代替传统钢螺栓来连接柱与梁，以避免钢螺栓腐蚀问题。所采用的CFRP螺栓和新型干连接地聚物混凝土边节点试件的细节见图10。试验结果表明CFRP螺栓在地聚物混凝土节点中的应用可以最大程度地减少试件在低周反复荷载作用下裂缝的产生与发展，并且避免了地聚物混凝土的脆性破坏（图11）。另外，新型干连接节点能够缓解地聚物混凝土节点在接近极限状态时的刚度急剧退化问题，但是在加载的初期，刚度退化趋势相较于普通形式节点更明显，这是CFRP螺栓相较于钢螺栓初期刚度更低导致的，新型干连接节点试件与普通形式地聚物混凝土试件在承载力、节点延性及能量耗散等方面的对比见表5。可以看到，除了改善了开裂荷载和极限荷载，新型干连接还使得试件在3%层间位移角时的能量耗散能力上升。试验中观测到的新型干连接节点试件的节点延性的下降可能与试验中的仪器故障有关，预期新型干连接地聚物混凝土节点试件的延性可能与普通形式地聚物混凝土试件相似，甚至优于普通形式地聚物混凝土试件。

图10 新型干连接地聚物混凝土边节点试件细节图［50］Fig.10 Detail drawing of the new tyre of connected ground polymer concrete edge joint specimen［50］

图11 不同构造形式的地聚物混凝土节点破坏模式［50］Fig.11 Failure mode of different structural type of GC joint［50］

表5 新型干连接节点与现浇节点性能的对比Table 5 Comparison of performance between CFRP bolts dry joint and monolithic joint

3 现有规范对地聚物混凝土节点的适用性

目前世界范围内还未有地聚物混凝土的梁柱节点设计规范，设计均采用普通混凝土相关设计规范。为了促进地聚物混凝土在实际工程中的应用，对我国现有标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010－2010）［88］和美国标准（ACI 318－19）［89］就地聚物混凝土一般层边节点的适用性进行了评估和讨论。

早前的研究已经证明现有普通混凝土设计规范（GB 50010－2010和ACI 318－19）适用于地聚物混凝土梁的设计［31－32，40］，这里主要评估现有规范中节点抗震性能（节点核心区的抗剪承载力）计算模型对于地聚物混凝土边节点设计的适用性。现有地聚物混凝土一般层边节点试验试件均按照“强柱弱梁”概念设计，破坏形式均为梁端受弯破坏，基于现有试验结果，文中按照现有普通混凝土设计规范模型计算出节点核心区的抗震受剪承载力，与试验得到的发生梁端破坏时的实际极限承载力进行比较。

当边节点破坏形式为梁端受弯破坏时，节点的极限承载力Pmax1由梁端的正截面受弯承载力控制，试验中实际测得受弯破坏的极限承载力为Pmax1.exp。当边节点破坏形式为核心区剪切破坏时，节点的极限承载力Pmax2由节点核心区的受剪承载力控制。由GB 50010－2010和ACI 318－19计算出节点核心区受剪承载力（计算公式详见文献［88］与［89］），通过平衡方程可以得到节点在核心区剪切破坏时的理论极限承载力Pmax2.T：

式中：Vc为柱顶（底）剪切力；T为梁在弯矩作用下受拉钢筋所受拉力；VJ为梁柱节点核心区受到的水平剪切力；Pmax2.T为节点在核心区剪切破坏形式下的理论极限承载力；Lb为荷载点至柱心得距离。

如果计算出的受剪承载力Pmax2.T大于实际受弯破坏的极限承载力Pmax1.exp，则说明现有普通混凝土规范的节点核心区抗剪计算模型可以用于地聚物混凝土边节点的抗震设计，按一定安全富余设计出来的边节点能够在地震作用下发生要求的延性破坏（梁端受弯破坏）；如计算出的受剪承载力Pmax2.T小于实际极限承载力Pmax1.exp，则按计算应先出现节点核心区剪切破坏（与试验结果出现的梁端受弯破坏不同），故现有规范的节点核心区抗剪计算模型不适用于地聚物混凝土边节点的抗震设计，预测模型对于地聚物节点来说过于保守。计算结果列于表6，可以看到计算出的受剪承载力Pmax2.T均大于实际极限承载力Pmax1.exp，试件的梁端先发生破坏，这与试验结果一致，同时也说明现有规范中的预测模型可以用于地聚物混凝土边节点的设计。

表6 地聚物混凝土试件试验承载力与理论承载力Table 6 Experimental and theoretical bearing capacity of geopolymer concrete joints

现有试验中的节点试件破坏形式未出现梁柱节点核心区剪切破坏，所以无法从试验结果判断现有普通混凝土设计规范对于地聚物混凝土节点的核心区抗剪承载力计算的准确性。未来需要进行不是基于“强柱弱梁”或“强节点弱构件”的地聚物混凝土节点试验，通过使节点试件产生核心区剪切破坏获得实际承载力Pmax2.exp，并将其与基于现有普通混凝土规范计算的理论核心区受剪承载力Pmax2.T进行比较从而探究上述问题。另外，现有文献中的试验试件设计均满足现有规范中的限制条件，且均未发生脆性破坏，说明现有规范限制条件可以用于地聚物混凝土边节点的设计。但现有文献中的试验未涉及剪压比、轴压比、体积配箍率和锚固长度等抗震设计限制条件的研究，这是判定现有标准对于地聚物混凝土节点设计适用性及保守性的关键，也是亟待研究的重点问题。

4 结论

文中对地聚物混凝土一般层梁柱边节点的研究进展进行了综述和分析讨论，可以得出以下结论：

（1）地聚物混凝土梁柱边节点无论是在单调荷载还是在低周反复荷载作用下的裂缝的产生与发展、试件的破坏特点及开裂荷载均与普通混凝土梁柱边节点相似。但地聚物混凝土梁柱边节点的极限荷载与极限位移试验结果却有差异。

（2）地聚物混凝土一般层边节点的荷载－位移曲线在整体趋势上与普通混凝土一般层边节点相似，但是地聚物边节点相较于普通混凝土试件会表现出更明显的强度降低和刚度退化，这归因于地聚物混凝土材料的脆性。目前对于地聚物混凝土边节点的节点延性研究结果存在较大差异，这与地聚物混凝土的材料特性有很大关系。另外，2类混凝土边节点在相同循环荷载次数下的耗能能力基本相当。掺入钢纤维可以显著增加地聚物混凝土一般层边节点的延性和能量耗散能力，并且对地聚物混凝土节点的刚度退化与极限承载力有一定改善。

（3）现有普通混凝土设计规范（GB 50010－2010和ACI 318－19）中的节点核心区剪力计算模型及限制条件可以保证地聚物一般层梁柱边节点能够保证在地震作用下发生延性破坏（梁端受弯破坏）。