钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂性能试验研究

史 科，高丹盈，赵 军

(郑州大学新型建材与结构研究中心，河南郑州450002)

梁柱节点作为传力枢纽是框架结构的关键构件.由于节点部位裂缝出现后修复困难，应该重视对某些处于特殊环境和特别重要的建筑物进行节点核心区抗裂验算.高强混凝土同普通强度混凝土相比，致密坚实，具有较好的抗渗性能，掺入钢纤维还能有效抑制高强混凝土早期开裂与延性差的弱点，采用钢纤维高强混凝土是提高节点抗裂性能的有效方法.目前国内外对梁柱节点抗裂性能的研究主要集中在普通强度等级的钢筋混凝土梁柱节点上［1－4］，而对于钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂性能的研究较少.

笔者通过8个钢筋钢纤维高强混凝土梁柱边节点的低周反复加载试验，分析了钢纤维体积分数、轴压比、节点核心区配箍率等因素对节点抗裂性能的影响，提出了钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂强度的计算方法，计算结果与试验数据吻合良好.

1 试验概述

试验假定梁柱反弯点位于跨中及柱中，共制作了8个框架中间层端部梁柱节点组合体，模型的缩尺比为1/2.试件按照《钢筋混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002)［5］和《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》(CECS 38∶93)［6］进行设计，试件尺寸及配筋如图1所示.

图1 试件尺寸和配筋图

试验参数为:钢纤维体积分数、轴压比、节点核心区配箍率.试件制作时，采用的钢纤维类型为钢锭铣削型纤维(AMI 04－32－600)，长径比(L/d)为34.24，等效直径为0.943 mm，抗拉强度≥700 MPa，混凝土强度等级为C60.根据《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 13∶89)［7］和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)［8］规定，试件成型时每个试件用于立方体抗压、轴心抗压、劈拉、弹性模量试验的试块各预留3个，实测材料性能见表1.

表1 试验材料性能 MPa

试验在郑州大学新型建材和结构研究中心试验室进行，采用多通道电液伺服动态疲劳试验系统进行梁端低周反复加载.试验开始时，首先使用液压千斤顶在柱顶施加设定的轴向力并保持恒定，之后由电液伺服作动器在梁端施加低周反复荷载.根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ 101—96)［9］，梁端的加载制度采取荷载－位移混合控制的方法.荷载控制阶段主要为了确定梁的屈服荷载，分两个循环，第一循环加载至计算屈服值的75%，第二循环加载至屈服;之后是位移控制阶段，以屈服位移的倍数为级差进行加载，每级反复循环两次，直到荷载值降低至最大承载力的85%左右时认为试件破坏.试验过程中，梁端荷载－位移滞回曲线由加载系统自动采集;钢筋应变、混凝土应变及电测百分表数据由试验室CM－2B静态应变仪采集;每级循环峰值时使用DJCK－2裂缝宽度测量仪观察裂缝宽度，主要试验结果见表2.

表2 钢纤维高强混凝土梁柱节点主要试验结果

其中，试件在梁端荷载P作用下，节点核心区初裂剪力(Vj)按下式［3］计算:

式中符号意义如图2所示.

图2 节点核心区初裂剪力计算简图

2 节点抗裂强度的主要影响因素与计算方法

2.1 节点抗裂强度的主要影响因素

影响钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂强度的因素是多方面的.国内外对普通混凝土梁柱节点的研究认为，梁柱节点抗裂强度的主要影响因素有混凝土抗拉强度、配箍率与轴压比等［1－4］.在此根据试验结果，分析钢纤维体积分数、轴压比和配箍率对钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂强度的影响.

2.1.1 钢纤维体积分数

钢纤维体积分数对比系列，分别包含核心区配置相同箍筋的BJ－2和BJ－3试件的对比，以及核心区均无箍筋的BJ－4和BJ－5试件的对比.节点核心区初裂剪力与钢纤维体积分数的关系如图3所示.

图3 钢纤维体积分数对节点抗裂强度的影响

由图3可以看出，相同条件下增加钢纤维体积分数对提高节点核心区的抗裂强度有较明显的效果.节点核心区掺入钢纤维后，初裂剪力提高主要是由于钢纤维的阻裂作用，钢纤维在混凝土内部形成“桥架”［10］，调节了混凝土内部的应力分布状态，有效抑制节点核心区内部微裂缝的发展.随着钢纤维体积分数的增大，跨越微裂缝的钢纤维数目也增多，但是有研究［11］表明，当钢纤维体积分数大于1.5%时，增强效果较小，这是由于钢纤维掺量过多，使得混凝土的和易性较差，从而引起混凝土内部微裂缝增多.

2.1.2 配箍率

配箍率对比系列，分别包含核心区无钢纤维的BJ－1和BJ－2试件的对比，以及核心区钢纤维体积率相同的BJ－4和BJ－8试件的对比.节点核心区初裂剪力与配箍率的关系如图4所示.

图4 配箍率对节点抗裂强度的影响

由图4可以看出，随着配箍率的增加，节点核心区的抗裂强度略有提高，影响不显著.这一点与赵鸿铁［3－4］所做的钢筋混凝土节点试验以及魏林，郑七振等［11］所做的普通强度等级的钢纤维混凝土节点试验结论一致.试验过程中，节点核心区混凝土开裂前，测得的节点核心区箍筋应变变化较小，开裂时箍筋承担的剪力约为全部剪力的6%左右.配置适量箍筋使节点核心区初裂剪力提高的原因是，一方面箍筋直接承担了少量的节点核心区剪力，另一方面是由于箍筋对节点核心区混凝土的约束作用，提高了混凝土抗裂强度.

2.1.3 轴压比

轴压比对比系列为 BJ－4，BJ－6和 BJ－7试件.节点核心区初裂剪力与轴压比关系如图5所示.

图5 轴压比对节点抗裂强度的影响

由图5可以看出，随着轴压比增大，节点核心区的抗裂强度也有所提高.轴压比的影响可以解释为:在节点核心区混凝土开裂前，轴压比的增加促使柱截面受压区面积加大，节点核心区斜压杆作用得到提高.文献［12］所做的钢筋混凝土节点试验也证明了这一点.需要指出的是，本文和文献［12］试验设计的轴压比变化范围为0.0～0.4，在此范围内随着轴压比的增大，节点抗裂性能有所提高，但是轴压比较大时，是否能够提高节点的抗裂性能目前尚无统一观点.

2.2 钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂强度的计算方法

2.2.1 基本假定

试验表明，节点核心区斜裂缝首先出现在核心区中心处，之后向对角方向延伸.节点开裂前，核心区基本处于弹性阶段，箍筋应力很小，剪力主要由核心区混凝土承担.因此，结合试验结果，并参照普通钢筋混凝土框架节点抗裂强度计算方法［3－4］作如下假定:①节点核心区出现斜裂缝前，处于弹性工作状态;②节点核心区开裂前剪力主要由混凝土承担，箍筋的作用采用系数α考虑;③节点核心区中心点处主拉应力最大.

依据上述假定，认为节点核心区中心点处斜截面上的主拉应力达到钢纤维高强混凝土的抗拉强度时，节点即开裂.

2.2.2 钢纤维高强混凝土节点抗裂强度计算方法

在地震荷载作用下，钢纤维高强混凝土梁柱节点受力情况和核心区中心点处应力状态如图6所示.

图6 节点受力及核心区中心点应力图

根据材料力学主拉应力σ1计算公式得:

由于节点核心区剪应力分布的不均匀性［3－4］以及弯矩的存在，节点核心区并非完全处于剪切状态，所以本文采用综合影响系数β来反映这些影响，即

式中:bj，hj为节点核心区的有效宽度和高度，计算时可取柱的宽度和高度;Vj，cr为节点核心区抗裂强度.

将 σy，σ1，σx，τxy表达式代入式(1)，得到钢纤维高强混凝土节点抗裂度计算公式为

式中:α为箍筋影响系数;β为剪应力综合影响系数.

2.2.3 钢纤维高强混凝土抗拉初裂强度fftcr的确定

钢纤维混凝土出现裂缝后，跨越裂缝的钢纤维可以继续承担拉力，因此抗拉强度会比初裂强度高，钢纤维混凝土的抗拉初裂强度为其抗拉强度fft的87%［13］，取 fftcr=0.87fft.

文献［14］通过试验研究指出，在一定范围内钢纤维混凝土的抗拉强度随着钢纤维体积率与长径比的增大而提高，并且在试验研究的基础上提出了钢纤维高强混凝土抗拉强度计算公式:

式中:ft为高强混凝土基体的抗拉强度，l/d为钢纤维长径比，νf为钢纤维体积分数.

利用公式(4)计算本文试件的钢纤维高强混凝土抗拉强度，与试验实测值进行对比，对比结果见表3.实测值与计算值之比的平均值为0.993，标准差为0.031，变异系数为0.031，吻合较好，因此采用此公式.

表3 抗拉强度试验值与计算值的对比

2.2.4 影响系数α和β的确定

根据本文和文献［11］试验数据，通过同等条件下节点核心区配置箍筋与未配箍筋试件初裂强度试验值的对比分析，得到配置箍筋试件相对于未配置箍筋的试件，初裂强度平均提高了6%左右.由于节点核心区箍筋因素对抗裂度影响较小，因此文中α取为常数，节点核心区配置箍筋时α=1.06，未配箍筋时α=1.0.由于试验数据有限，α的具体取值还有待进一步研究.

利用文中的试验数据，通过线性回归分析得到β=0.645.因此，建议钢纤维高强混凝土梁柱节点核心区抗裂强度的计算公式如下.

节点核心区未配箍筋

其中fft

cr=0.87fft.将文中数据和文献［15］的数据，按照建议的计算公式进行计算，计算结果和试验值对比情况见表4.试验值和计算值之比的平均值为0.993，标准差为 0.069，变异系数为 0.069.

节点核心区配置箍筋

表4 节点抗裂强度试验值与计算值的对比

3 结语

1)钢纤维体积分数、轴压比和节点核心区配箍率影响钢纤维高强混凝土梁柱节点的抗裂性能，其中钢纤维体积分数的影响更为显著.

2)节点核心区初裂阶段，剪力主要由核心区混凝土承担.核心区配置箍筋，对节点抗裂强度的提高有一定效果.

3)在试验研究和理论分析的基础上，提出的钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂强度计算方法，与普通强度钢筋混凝土和钢筋钢纤维混凝土梁柱节点抗裂度计算公式相衔接，并与试验结果吻合较好.

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