高轴力下钢筋混凝土异形柱节点受力性能研究

张学辉,李其廉

(河北科技大学建筑工程学院,河北石家庄 050018)

高轴力下钢筋混凝土异形柱节点受力性能研究

张学辉,李其廉

(河北科技大学建筑工程学院,河北石家庄 050018)

由于异形柱特殊的截面形式,地震作用下,较高轴压比时异形柱节点与普通矩形柱节点相比破坏更为严重。通过钢筋混凝土异形柱边节点和中间节点低周反复荷载试验,分析了高轴力下异形柱边节点和中间节点核心区混凝土裂缝发展及破坏情况,并利用试验数据计算得到节点核心区受剪承载力,最后结合节点核心区箍筋应变变化规律初步探讨了异形柱节点的抗剪机理。研究表明,高轴力下异形柱节点剪力较大,核心区腹板混凝土开裂破坏较严重,成为异形柱结构抗震的一个薄弱环节,限制了异形柱结构楼层高度。

异形柱;节点;剪力;箍筋应变

异形柱是指截面几何形状为L形、T形及十字形,且截面各肢的肢高、肢厚比不大于4的柱,异形柱结构体系就是采用异形柱的框架结构和框架-剪力墙结构[1]。异形柱结构具有节约土地资源、减轻建筑自重、增加使用面积、适应功能变化需求等特点,该结构形式已在中国许多地区得到应用推广,具有良好的发展前景。国外对异形柱的研究主要集中在构件正截面受力分析方面,而对异形柱结构体系的研究较少[2-3]。国内对各种截面形式的异形柱构件进行了大量试验研究及理论分析,取得了一定的研究成果[4-7],对异形柱框架抗震性能也进行了一系列的分析研究[8-10],但对异形柱节点受剪承载力研究相对较少[11-12],对高轴力下异形柱节点的受力性能研究更少。笔者通过异形柱边节点和中间节点的低周反复荷载试验,研究了高轴力下异形柱节点的破坏特征,利用节点剪力公式分析试验节点的受剪承载力,通过分析节点核心区箍筋应变变化规律,初步探讨了异形柱节点的抗剪机理。

1 试验概况

根据云南省八度区某异形柱6层住宅实际情况,取一层边节点和中间节点各1个,按1/2缩尺模型制作试验构件,混凝土强度等级为C45,梁柱纵筋使用HRB400级钢筋,箍筋使用HPB235级钢筋,边节点(J-T)和中间节点(J-+)截面尺寸及配筋情况如图1、图2所示,钢筋及混凝土材料力学性能如表1所示。

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

试验加载采用油压千斤顶对异形柱上端施加既定的竖向荷载,模拟上部楼层荷载,边节点所施加的轴压力为250 kN,轴压比为0.165,中间节点轴压力为350 kN,轴压比为0.231。模型制作时,在节点核心区箍筋表面粘贴了钢筋应变片,由DH3815静态应变采集系统采集箍筋在试验过程中的应变,试验前在远离节点核心区的梁端上、下面一面安置拉压千斤顶及荷载传感器,另一面布置位移传感器,由DH3818静态采集系统采集梁端荷载-位移曲线,人工观察裂缝。

加载制度为荷载-位移联合控制,即施加的竖向荷载在试件屈服前,采用荷载控制,分3～5级加载至结构屈服,每级加载、卸载、反向加载、再卸载循环1次;试件屈服后采用位移控制,并以屈服位移的整数倍加载、卸载、反向加载、再卸载循环3次,当竖向力下降到最大荷载的85%时即认为试件破坏,试验结束。

2 节点破坏特征

加载过程中始终对试件的裂缝发展和混凝土破坏情况进行观测。

1)J-T边节点 当荷载加至20 kN时,框架梁与节点核心区相交处出现1条竖向弯曲裂缝,随荷载的增大,距节点核心区较远的框架梁上也陆续出现竖向裂缝,当正向荷载加至36 kN时,节点核心区腹板内出现1条斜向剪切裂缝,随荷载的继续增加,梁上侧裂缝逐渐由弯曲型转变为剪切型,节点核心区腹板内裂缝也逐渐增多并斜向延伸开展,当荷载达到51 kN时,节点核心区腹板内裂缝宽度约为0.2 mm,当荷载达到2Δy时,梁端初始裂缝宽度发展到2 mm,当荷载达到3Δy时,梁端与节点核心区相交处裂缝上下贯通,混凝土保护层发生翘起剥落现象,节点核心区裂缝不断开展,裂缝宽度达到0.5 mm以上,当荷载达到4Δy时,梁端混凝土保护层剥落严重,箍筋外露,节点核心区腹板上部混凝土保护层也发生局部剥落现象,试验结束时,梁端混凝土保护层全部剥落,梁端纵筋、箍筋完全暴露在外,节点核心区内裂缝开展较多,宽度较大,节点破坏较严重。反方向加载裂缝开展情况大致与正向加载相同,正反向加载在节点核心区腹板混凝土内形成数个X形交叉裂缝。

2)J-+中间节点 梁端竖向荷载加至40 kN时,左梁端下部和右梁端上部受拉区内分别出现数条竖向弯曲裂缝,节点核心区左、右腹板内混凝土分别出现1条斜向剪切裂缝,卸载后反向加载至40 kN时,左梁端上部和右梁端下部受拉区内分别出现数条竖向弯曲裂缝,节点右侧核心区腹板出现斜裂缝,与正向加载40 kN时出现的斜裂缝相交成X形,荷载加至50 kN时,节点上部柱底翼缘内出现1条水平裂缝,荷载达到-50 kN时,节点左侧核心区腹板内又出现1条斜向剪切裂缝,与40 kN时出现的斜裂缝相交形成第2个X形交叉裂缝,随着荷载的继续增大,先前形成的梁内裂缝不断开展,裂缝长度逐渐增大,荷载达到2Δy时,节点左侧梁端与节点核心区交界处斜裂缝开展较快,裂缝宽度超过0.2 mm,且左侧节点核心区腹板内斜裂缝不断延伸至翼缘,荷载达到-2Δy时,右侧节点核心区腹板内上部又出现数条斜向剪切裂缝,其中1条开展较长,延伸至节点翼缘内,当荷载达到3Δy时,左侧梁端下部和右侧梁端上部混凝土裂缝宽度超过0.5 mm,右侧梁端下部部分混凝土保护层受压破坏剥落,梁箍筋外露,节点核心区翼缘内出现1条明显的斜裂缝,荷载达到-3Δy时,节点核心区翼缘内又出现1条较长的斜裂缝,与第1条正向斜裂缝相交形成节点核心区翼缘内第1个X形交叉裂缝,其他裂缝继续开展,荷载达到4Δy时,左右梁端混凝土保护层不断压溃剥落,节点破坏较严重,至加载结束时,左右梁端混凝土严重压溃,梁箍筋外露,节点核心区腹板内部分混凝土也发生剥落现象,节点核心区内箍筋暴露,节点核心区破坏较严重。

图3为边节点和中间节点的最终破坏照片。

通过上述观测分析可见,异形柱边节点和中间节点核心区腹板混凝土开裂破坏较严重,已不符合抗震规范中提出的“强柱弱梁,更强节点”的要求。造成节点核心区腹板混凝土破坏严重的原因是因为异形柱特殊的截面形式,致使节点核心区腹板厚度与普通矩形柱节点相比较小,且核心区内钢筋密集,混凝土不易浇筑密实,另外该异形柱原型为八度区某6层住宅,设计结构时框架柱和框架梁纵向受力钢筋配筋率较高,而节点抗剪能力的强弱主要取决于箍筋和混凝土,因此造成节点核心区抗剪能力弱于框架梁端抗弯能力,从而节点核心区腹板混凝土开裂破坏较严重。

图3 节点破坏照片Fig.3 Damage photo of joints

3 节点剪力

《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149-2006)[1]规定异形柱中间节点和边节点核心区组合的剪力设计值Vj(外力)应按式(1)计算。

图4 节点核心区剪力-梁端转角滞回曲线Fig.4 Hysteretic curve of shear in joint core and rotation at end of beams

由图4可见,异形柱中间节点左、右两端均有梁端弯矩,计算得到节点核心区剪力约为边节点的2倍,故在较高剪力作用下,中间节点核心区腹板混凝土的破坏程度与边节点相比更严重,中间节点的滞回曲线出现明显的中间捏缩现象。

《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149—2006)对于地震作用下异形柱框架节点区抗剪承载力的计算规定需要进行节点区受剪的水平截面验算和节点核心区受剪承载力计算。

异形柱节点核心区受剪的水平截面应符合: fy为钢筋屈服强度,As为节点区受拉一侧钢筋面积,为节点区受压一侧钢筋面积;Vj为节点核心区组合的剪力设计值;ηjb为核心区剪力增大系数,对二、三、四级分别取1.2,1.1,1.0;Hc为柱的计算高度,可取节点上柱与下柱反弯点之间的距离;为梁纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离;hb0,hb为梁的截面有效高度、截面高度,当节点两侧梁高不相同时,取平均值。

将2个异形柱节点试验数据代入式(1),绘制出节点核心区剪力-梁端转角滞回曲线,如图4所示。

异形柱节点核心区受剪承载力应符合以下规定:

式中:γRE为承载力抗震调整系数;bj,hj为节点核心区的截面有效验算厚度和截面高度;ξN为轴压比影响系数;ξf为翼缘影响系数;ξh为截面高度影响系数;N为与组合的节点剪力设计值对应的该节点上柱底部轴向力设计值;Asvj为核心区有效验算宽度范围内同一截面验算方向的箍筋各肢总截面面积。

根据2个异形柱节点几何尺寸、混凝土及节点核心区箍筋实际材料强度,利用式(2)、式(3)计算得到异形柱边节点和中间节点核心区受剪的水平截面控制条件和节点核心区实际受剪承载力及图4中极限荷载时的节点核心区水平剪力,如表2所示。

表2 异形柱节点核心区受剪承载能力及水平剪力Tab.2 Shear bearing capacities and horizontal shear of the joints w ith specially shaped columns

由于结构原型中梁柱纵筋配置率较高,故试验时梁端弯矩较大,计算得到的节点水平剪力亦较大,根据节点实际配箍率计算得到的核心区受剪承载力不能抵御节点剪力,节点核心区将发生破坏,这与试验结果相符合。

4 节点抗剪机理及箍筋应变

目前,关于异形柱节点抗剪性能的试验或理论研究较少,由于异形柱节点与矩形柱节点均采用钢筋和混凝土材料,且构造方式相近,因此普遍认为异形柱节点的抗剪原理与矩形柱节点抗剪原理相似,即异形柱节点抗剪机理主要是通过3种传力机构来实现的,分别为斜压杆机构、桁架机构和约束机构(约束效应),试验中钢筋混凝土节点抗剪机理传力模式可借助节点核心区箍筋应变变化规律分析研究[13-15]。

异形柱边节点和中间节点核心区箍筋应变片布置情况如图5所示。

图5 节点核心区箍筋应变片布置情况Fig.5 A rrangement of stirrup strain gauges of joints

异形柱边节点核心区箍筋应变片布置图中,横向箍筋应变片JTH-2,JTH-3,JTH-6与节点剪力方向一致,纵向箍筋应变片JTH-1,JTH-4,JTH-5,JTH-7与节点剪力方向垂直,根据节点受剪机理,认为横向箍筋直接抵抗节点剪力,纵向箍筋通过约束核心区混凝土来实现抵抗节点剪力。试验进程中箍筋应变变化规律如下:加载前期至中期节点核心区腹板纵向箍筋应变片JTH-1的应变值较小,钢筋仍处于弹性范围内;加载后期,由于梁端破坏严重,应变片JTH-1的应变值逐渐增大到箍筋屈服应变;应变片JTH-2和JTH-3布置在腹板横向箍筋上,该处箍筋直接参与节点受剪作用,试验中2个应变片数值随荷载的增加不断增大,加载后期箍筋应变接近1 000微应变后随荷载的增加应变片数值开始减小;应变片JTH-4和JTH-5布置在翼缘纵向箍筋上,试验过程中2个应变片数值始终较小,加载后期仍保持在300微应变以内;应变片JTH-6和JTH-7处箍筋未参与节点受剪,因此试验过程中数值更小,始终保持在50微应变内。

异形柱中间节点核心区箍筋应变片布置图中,横向箍筋应变片J+H-2,J+H-4,J+H-6与节点剪力方向一致,纵向箍筋应变片J+H-1,J+H-3,J+H-5,J+H-7与节点剪力方向垂直。试验进程中箍筋应变变化规律如下:加载前期至中期核心区腹板纵向箍筋应变片J+H-1和J+H-7的应变值均较小,钢筋仍处于弹性范围内,加载后期应变片J+H-1和J+H-7的应变值逐渐增大到箍筋屈服应变;应变片J+H-2和J+H-6布置在腹板横向箍筋上,该处箍筋直接参与节点受剪作用,试验中2个应变片数值随荷载的增加不断增大,但未达到屈服应变;应变片J+H-3和J+H-5布置在翼缘纵向箍筋上,试验加载前期和中期2个应变片数值始终较小,但在加载后期逐渐达到屈服应变;应变片J+H-4布置在节点核心区翼缘横向箍筋上,该处承受剪力作用较小,因此整个加载过程中处于弹性范围内。

通过分析节点核心区不同位置箍筋应变,可研究不同受力阶段斜压杆机构、桁架机构和约束机构在节点受剪过程中所占比重情况,但由于试验条件和技术手段等原因,笔者仅对异形柱节点核心区箍筋应变变化规律进行了简单分析。

5 结 论

1)通过高轴力下异形柱边节点和中间节点受剪破坏特征及核心区剪力分析可知,八度区异形柱6层住宅遭受较高地震作用时,一层边节点和中间节点核心区受剪承载力会低于地震作用引起的节点剪力,节点核心区由于混凝土开裂破坏严重而失效,不符合抗震规范“强柱弱梁,更强节点”的规定。

2)异形柱节点试验表明,八度区异形柱6层住宅中一层节点不能满足抗震要求,应降低楼层高度以避免异形柱节点剪切失效,这严重限制了异形柱结构在该地区的应用前景,因此如何提高节点的受剪承载力已成为目前异形柱结构体系研究的重点之一。

3)根据核心区箍筋应变变化规律可以系统研究异形柱节点核心区抗剪机理,但由于试验条件和技术手段等原因,仅对异形柱节点核心区箍筋应变变化规律进行了简单分析,不能全面揭示异形柱节点的抗剪机理。钢筋混凝土异形柱节点受剪情况与矩形柱节点相比更为复杂,目前有针对性的异形柱节点受剪机理研究尚属空白,因此矩形柱节点抗剪机理模型对异形柱节点的适用程度仍需探讨。

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Research in mechanical behavio r of RC joints w ith specially shaped columns under high axial fo rce

ZHANG Xue-hui,L IQi-lian
(College of A rchitecture Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

Because of special section shape,the joints w ith specially shaped columns under high axial comp ression ratio w ill damagemo re seriously than the joints w ith o rdinary rectangular columns w hen suffering earthquakes.Through the low frequency cyclic loading experiment of an exterior joint and a middle joint w ith specially shaped column,the development and destruction of concrete cracks of the joints w ith specially shaped columns under high axial force were analyzed,the shearing strength of the joints co re were calculated by experiment data,and the shearmechanism of the jointsw ith specially shaped column was investigated combined with the stirrup strain distributed in joint co re.It is show n that the joint w ith specially shaped column under high axial force have larger shear,and the concrete in web of joint core w ill be cracking more seriously,so joints become the weakness site of the structure w ith specially shaped columns,thus restricting the sto rey height of structure.

specially shaped column;joint;shear;stirrup strain

TU 375.4

A

1008-1542(2010)05-0472-07

2010-03-15;

2010-05-20;责任编辑:冯 民

张学辉(1980-),男,河北河间人,讲师,博士,主要从事混凝土结构设计及理论方面的研究。