芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁边节点抗裂承载力研究

于 峰,谈嗣勇,鲍海英,郭卫东,管玉聪,赵鲁卿

(1. 建筑安全与环境国家重点实验室,北京 101100; 2. 安徽工业大学 建筑工程学院,安徽 马鞍山 243000;3. 国家建筑工程技术研究中心,北京 101100; 4. 安徽马钢嘉华新型建材有限公司,安徽 马鞍山 243000)

0 引言

PVC-CFRP管混凝土柱是在PVC管表面沿环向粘贴条带,然后向管内浇筑混凝土形成的新型组合结构[1-2]。其中,PVC管主要充当模板和保护壳,可阻断外界环境对混凝土的侵蚀[3];FRP条带作为约束材料,可弥补PVC管强度较低的缺陷[4-6]。该结构有效解决了钢管混凝土结构的易腐蚀问题,并极大减少FRP的用量,降低造价。迄今为止,PVC-CFRP管混凝土柱的各项性能已得到广泛研究,其表现出质量轻、价格低、承载力高、耐久性好等诸多优点[7-13]。

作为PVC-CFRP管混凝土结构的重要发展方向,在PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁节点研究方面,本课题组从节点区局部增强的角度出发,提出了环梁节点、内置芯钢管节点和钢筋网片节点等节点构造方式[14],并相继开展了PVC-CFRP管混凝土柱环梁节点的轴压性能[15-16]、偏压性能[17]和抗震性能[18]研究以及内置芯钢管节点的轴压性能研究[19-20]。

与钢管混凝土核心柱受力机理相似,在PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁节点核心区设置芯钢管后,节点的轴压承载能力和变形性可以得到显著增强。然而对于一些处于恶劣环境地区的钢筋混凝土框架结构而言,在其正常使用状态下,节点核心区往往不允许出现裂缝。同时,节点核心区出现损伤后,对节点核心区的修复、加固工作较一般梁、柱等构件更为困难。因此,在建筑结构设计时,往往需要对框架节点核心区初裂荷载进行验算。

综上,文中对10根芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁节点和1根普通PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁边节点展开了低周反复荷载下的试验研究。分析了芯钢管含钢率、节点配箍率、轴压比、梁纵筋配筋率和CFRP条带间距对芯钢管节点裂缝发展及抗裂承载力的影响。在此基础上,引入节点箍筋影响系数,建立其抗裂承载力的计算公式,以期为PVC-CFRP管混凝土框架结构的设计提供一定理论基础。

1 试验概况

本试验截取二维平面框架中间层上、下柱以及边梁反弯点之间的T字型部分作为研究对象[21],遵循“强构件、弱节点”的设计原则,共制作了10个芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁边节点试件和1个作为对比试件的普通节点。考虑了芯钢管的含钢率、节点配箍率、柱端轴压比、框架梁配筋率以及CFRP条带间距对试件抗裂性能的影响。试件外形尺寸结合试验室加载条件和固定装置实际情况进行设计,详细参数如表1所示。

表1 试件参数Table 1 Parameters of the specimens

续表

试件采用的PVC管长度、外径和壁厚分别为500、200、7.8 mm,其弹性模量为2.59×103MPa,极限抗拉强度为69.6 MPa。CFRP条带的宽度和厚度分别为20、0.111 mm,缠绕层数为2层,依据GB/T 3354—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》[22],测得其抗拉强度为3 975 MPa,弹性模量为2.74×105MPa。试件的尺寸及构造如图1所示。此外,节点区内置的芯钢管采用Q235级无缝钢管,高度均为400 mm。试件采用同批次C30级混凝土,根据GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》[23],测得其弹性模量和抗压强度分别为3.06×104、22.28 MPa。试件的各项材料力学性能实测值如表2所示。

图1 试件尺寸及构造示意图Fig. 1 Dimension and configuration of the specimens表2 试验材性Table 2 Material properties材料厚度或直径/mm抗拉强度/MPa屈服强度/MPa弹性模量/(×105MPa)钢管34613142.0144253011.9953822851.97箍筋(HRB300)6.55433491.9884413062.00104323131.97纵筋(HRB400)106204511.95187034861.98206564432.01

试验采取柱端施加轴力,梁端施加低周反复荷载的加载方式,加载装置如图2所示。依据JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》[24],试验全过程均采用位移控制加载。具体加载制度如图3所示。考虑到本试验所有试件均为弱节点试件,试件变形能力相对较弱,试件PJ-0采用钢筋屈服判别屈服位移Δy,导致加载后期试件破坏速度较快,故结合对比试件梁、柱及节点区钢筋的应变,本文在随后的试验中均采用6 mm作为屈服位移来切换试验加载方式,但在后续研究中对该节点抗震指标进行分析时,依据得到的荷载-位移骨架曲线,采用能量法[25]确定试件屈服位移。试验过程中梁端的竖向荷载及位移,可通过MTS作动器内部的荷载传感器实时收集。同时,节点核心区箍筋和芯钢管上均贴有应变片。

图2 加载装置图 图3 加载制度图

2 试验结果及分析

2.1 节点区裂缝发展情况

依据试验中裂缝发展过程,可将节点的破坏状态定义为初裂、通裂、峰值和破坏阶段,试件最终均表现为节点区剪切破坏。由于试件数量较多且破坏过程相似,本小节以试件PJ-3(芯钢管含钢率最大)为例,详细阐述试件的裂缝发展过程及破坏形态,如图4所示。

图4 试件裂缝发展过程及破坏形态图Fig. 4 Crack development process and failure mode of the specimens

开始加载阶段,试件处于弹性状态,试件表面未见明显变化。当梁端荷载达到45 kN时,节点核心区中部出现第一条斜裂缝,近似沿对角线方向,裂缝宽度约为0.05 mm。此时,加载方式切换为循环加载,Δy=6 mm。在此阶段,节点区芯钢管、箍筋应变均较低。

随着梁端位移增大,节点核心区斜裂缝数量明显增加,形成交错的斜裂缝带,但裂缝宽度依然较小。在梁端位移为3Δy的循环期间,节点区主斜裂缝宽度开始增加,并向梁根部及悬臂梁头延伸,此时,裂缝宽度达到0.3 mm。在梁端位移为3Δy的循环加载结束后,节点区斜裂缝贯穿节点核心区。此时,节点芯钢管、箍筋应变增加较为明显,部分节点箍筋应变达到1 000 με。

在节点核心区裂缝贯穿至试件达到峰值承载力期间,试件处于峰值阶段。在此阶段,节点区交叉斜裂缝宽度进一步增大,达到2.5 mm,但节点区裂缝数量几乎不再增加,节点区芯钢管外围混凝土被分割成若干不规则菱形小块,试件强度略有退化。此时,节点区芯钢管、箍筋应变进一步增加,部分节点箍筋屈服,芯钢管中部也发生受压屈服,但环向应变仍低于屈服应变。

试件达到峰值承载力后,试件强度退化速度加快。加载至6Δy的循环周期时,节点区芯钢管与箍筋约束混凝土粘结失效,节点区表面混凝土出现大块脱落,试件破坏。在此过程中,节点箍筋应变增加不明显,但芯钢管中部位置轴压应变增加至2 500 με左右。

2.2 荷载-位移滞回曲线分析

芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁边节点试件的荷载(P)-位移(Δ)滞回曲线如图5所示。

图5 各试件荷载-位移滞回曲线Fig. 5 Load-displacement hysteretic curves of each specimen

在加载初期,由于节点核心区受力相对较小,节点区混凝土未出现明显裂缝,各试件的P-Δ滞回曲线基本呈线性增长。当试件达到峰值承载力的40%～50%后,随着节点核心区表面斜裂缝的出现,滞回曲线逐渐偏离线性,呈现出轻微“捏缩”现象,同时试件出现一定量残余变形。在达到峰值承载力的80%左右后,节点核心区裂缝向框架梁及悬臂梁端延伸,同时节点区钢筋与混凝土之间的粘结滑移程度增加,滞回曲线“捏缩”现象更为明显,试件的刚度和强度出现退化。在试件达到峰值承载力后,梁端荷载逐渐降低,节点剪切变形急剧增加,试件破坏。

此外,对比各试件滞回曲线发现,与普通混凝土节点相比,所有芯钢管节点的滞回曲线线性区段更长,滞回环更加饱满,这表明芯钢管节点试件表现出更优良的抗裂能力及抗震性能。同时,通过增加节点配箍率以及轴压比,节点区斜裂缝的产生也可以有所延缓。

2.3 影响因素分析

各因素对试件初裂荷载的影响如图6所示。结合试验现象分析表明:

图6 各因素对试件初裂荷载的影响Fig. 6 Effect of various parameters on the initial crack load of the specimens

1)内置芯钢管节点的初裂荷载均大于普通节点试件,这表明芯钢管可有效改善试件的抗裂性能。节点区内置芯钢管对节点区抗裂性能提高机理与型钢混凝土节点相似[26],即芯钢管与节点区箍筋共同作用使得夹层混凝土所受约束增强,从而使得夹层混凝土具有更好的抗裂性能。但芯钢管含钢率对试件初裂荷载影响较小。这可能是因为本试验中随着芯钢管含钢率增加,节点区夹层混凝土截面积不变。

2)初裂阶段,节点区箍筋所承担的剪力虽然较小,但对芯钢管节点初裂荷载仍具有一定影响。与试件PJ-4相比,试件PJ-2和PJ-5的开裂荷载分别提高了21.7%和35.2%。这是因为节点区混凝土所受到的约束作用随着节点区配箍率的增加而增强,从而节点区混凝土裂缝发展受到抑制。同时,节点区箍筋可保持节点区混凝土与芯钢管的变形协调。

3)与已有节点抗裂研究文献结果一致[27],在一定范围内,随着轴压比的提高,节点初裂荷载显著增大,这主要是因为随着轴压比的增加,节点核心区混凝土受压面积增大,即参与斜压杆机构的混凝土面积增加,斜压杆机构所承担的节点区剪应力相应增加,从而使得造成核心区混凝土开裂的剪应力相应减小。

4)梁纵筋配筋率对各试件初裂荷载影响较小。这是因为,梁纵筋配筋率主要影响试件整体变形能力以及节点传力性能,但本试验试件梁端并未发生明显破坏。相似的,由于本试验中所有试件的PVC-CFRP管混凝土柱均未发生破坏,CFRP条带的抗拉强度未得到充分利用,故CFRP条带间距对试件初裂荷载的影响也较小。

3 节点开裂时剪力计算

基于节点区弯矩和力的平衡条件,芯钢管边节点抗裂承载力可由节点开裂时梁端荷载Pcr计算得到,即:

(1)

计算得到文中各节点抗裂承载力结果列于表3。

图7 节点核心区受力简图Fig. 7 Stress diagram of the joint core area表3 各试件抗裂承载力Table 3 Crack resistance capacity of the specimens试件初裂荷载/kN节点抗裂承载力/kNPJ-141.9160.5PJ-244.3169.7PJ-343.7167.4PJ-436.4139.5PJ-549.2188.5PJ-647.3181.2PJ-749.5189.6PJ-C161.2234.5PJ-C262.4239.1PJ-C364.8248.3

4 节点抗裂承载力计算

4.1 基本假定

由试验结果可知,在试件初裂前,节点核心区处于弹性状态,节点剪力主要由节点区混凝土承担。因此,为方便计算,可采用如下假定:

1)柱纵筋、芯钢管与节点核心区混凝土变形协调;

2)假定在柱顶轴力作用下,竖向应力沿截面高度均匀分布。

4.2 节点抗裂承载力计算

节点核心区对角线中心处单元体受力状态如图8所示。当梁纵筋采用非预应力普通钢筋时,梁端传来的轴向应力σb很小,可忽略不计。因此,基于莫尔圆原理,可得节点核心区混凝土主拉应力σt为:

图8 节点核心区对角线中心处单元体受力分析 图9 节点箍筋影响系数拟合图

(2)

当节点核心区混凝土出现斜裂缝时,节点核心区混凝土斜截面的主拉应力达到混凝土的抗拉强度,根据材料力学基本理论,式(2)可表示为:

(3)

(4)

联立式(3)和式(4)可得节点抗裂承载力Vj,cr为:

(5)

(6)

上柱传递到节点核心区的轴向力N0为:

N0=EstεzrAst+EscεzrAsc+EcεzrAc

(7)

式中:Est、Esc和Ec分别为芯钢管、柱纵筋和混凝土的弹性模量;Ast、Asc和Ac分别为芯钢管、柱纵筋和PVC-CFRP管混凝土柱混凝土面积。

联立式(6)和式(7)可得节点混凝土受到的轴向压应力为:

(8)

由材性试验结果可知,芯钢管和柱纵筋弹性模量基本相同,且芯钢管和柱纵筋弹性模量约为混凝土弹性模量的6.45倍。因此,为方便计算,可近似将式(8)简化为:

(9)

上述推导过程中仅考虑了柱端轴压力,即轴压比对节点抗裂承载力的影响。此外,由试验结果分析可知,芯钢管边节点抗裂承载力还受到节点配箍率的影响。因此,可采用节点箍筋影响系数ηcr来考虑节点箍筋对节点抗裂承载力的有利作用,则节点抗裂承载力可进一步表示为:

(10)

通过对文中试验结果进行拟合,拟合结果如图9所示。则节点箍筋影响系数ηcr可表示为:

(11)

式中:fc为混凝土轴心抗压强度;fy为钢筋屈服强度;λv为节点配箍特征值;当节点未配置箍筋时,取ηcr=1。

4.3 节点抗裂承载力公式验证

将上述提出的节点抗裂承载力公式计算结果与试验值对比,如表4所示。试验值与计算值之比的平均值为1.054,均方差为0.084,这表明文中提出的芯钢管节点抗裂承载力公式具有较高的精度。此外,采用已有相关文献[25,27-30]所建议的节点抗裂承载力公式对本文试验结果进行验算。文献[25]中节点抗裂承载力公式如式 (12):

(12)

表4 各试件节点抗裂承载力试验值与计算值对比Table 4 Comparison between the test and calculated values of crack resistance capacity of each specimen

续表

式中,各符号含义详见文献[25],下同。其计算结果如图10(a)所示,由图可知,文献[25]所提出的公式计算结果整体偏小,这是由于该公式未考虑节点箍筋对节点抗裂承载力的提高作用,对于节点配箍率较低试件(PJ-4),文献[25]表现出较好的吻合度。

文献[27-30]所建议的节点抗裂承载力计算方法相似,文中以文献[28]为例,其计算公式如式(13):

(13)

其计算结果如图10(b)所示,由于该计算公式考虑了节点区剪应力不均匀分布的影响,但该因素在芯钢管节点中作用有待进一步研究,致使所求得抗裂承载力与本文试验值偏差较大,但这也为芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁节点的抗裂承载力的计算提供了新的思路。综上,文中所建议的节点抗裂承载力计算模型更适用于芯钢管节点抗裂设计。

图10 已有文献建议公式计算值与试验值对比Fig. 10 Comparison between the calculated value of the established calculation model and the experimental value of this paper

5 结论

通过低周反复荷载作用下芯钢管连接的PVC-CFRP管混凝土柱-RC梁边节点的试验研究与理论分析,可得出以下结论:

1)节点破坏先后经历初裂、通裂、峰值和破坏阶段,初裂荷载约为极限荷载的40%～50%,随着节点核心区表面斜裂缝的出现,滞回曲线偏离线性增长。

2)内置芯钢管可有效提高节点的抗裂性能,同时,随着节点配箍率和轴压比增加,节点初裂荷载有所提高,芯钢管含钢率、梁纵筋配筋率以及CFRP条带间距对节点初裂荷载影响不明显。

3)节点区混凝土开裂时,节点区芯钢管、箍筋应变均较小,试件的抗裂承载力主要由节点区混凝土承担。

4)在试验基础上,引入节点箍筋影响系数,提出了芯钢管节点抗裂承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好,且相较于目前已有节点抗裂承载力计算模型,更适用于芯钢管节点抗裂设计。