按梁混凝土等级浇筑低级差夹心节点抗震性能试验研究

程亮，李英民，姜宝龙

（1重庆建工第四建设有限责任公司，重庆400020；2重庆大学土木工程学院，重庆400045）

按梁混凝土等级浇筑低级差夹心节点抗震性能试验研究

程亮1，李英民2，姜宝龙2

（1重庆建工第四建设有限责任公司，重庆400020；2重庆大学土木工程学院，重庆400045）

引言

多层及高层建筑结构中，特别是在高层建筑结构抗震设计中，为满足我国规范[1-3]轴压比限值的要求，在高轴压比的条件下框架柱（特别是高层建筑的底层柱）往往需要采用较高强度等级的混凝土，而楼盖（板、梁）一般采用强度等级较低的混凝土。若核心区采用与柱相同的较高强度等级的混凝土，不但施工难度大，也不能保证节点核心区的混凝土质量。若采取节点核心区按梁板混凝土浇筑的措施，可以降低造价、节省工期、保障质量，如果能够提出节点核心区按梁板混凝土浇筑的可靠措施，并将其推广应用，将具有十分重要的工程实践意义。

1 试验研究

1.1 试件设计

该试验由钢筋混凝土平面框架梁柱组合体组成，选取一榀框架梁柱反弯点之间的梁柱组合体作为试验试件，共4个试件。试验侧重研究受力性能较为不利的高轴压比、高剪压比试件，试件设计依照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[1]，考虑柱端弯矩、剪力放大，不考虑核心区剪力放大，依照规范[1-2]验算核心区配箍。梁柱纵筋、节点箍筋以及改进措施的钢筋应变均为该试验量测范围。试验试件G1为节点混凝土按柱浇筑的传统节点，G2-G4试件为节点混凝土按梁浇筑的夹心节点，并对G2-G4试件采取加插短钢筋的加强措施，试验试件配筋及尺寸见图1及表1。

表1 试件配筋数据

1.2 试验装置

该试验中，在试件柱上端与反力梁之间设置2000kN的油压千斤顶，通过钢铰支座将柱顶水平支撑、千斤顶和上柱端连接在一起，水平支撑另一端连接在反力墙上，在柱顶与千斤顶之间设压力传感器；柱下端铰支座位于用地锚锚固在地槽内的混凝土块上，采用螺栓连接，使柱下端形成不动铰。在试件左右梁端各设置一个最大出力250kN的拉压千斤顶，并在左右梁端与千斤顶之间设拉压传感器。试验过程中，由柱顶千斤顶向构件施加恒定轴力，由两梁端竖向作动器反对称施加低周反复荷载。

1.3 加载制度

图1 试件G1-G4尺寸配筋图

试验加载采用控制作用力和控制位移的混合加载法，在试件达到屈服以前，采用荷载控制，当试件达到屈服以后，采用变形控制。首先，由柱顶的油压千斤顶对试件施加轴力，达到预设轴压比，并保持轴力恒定，试验过程中，轴压会有所下降，此时应及时予以补齐。然后，通过左右梁端的拉压千斤顶施加低周反复荷载，当靠近节点区的梁端纵筋应变达到屈服应变时停止加载，此时传感器对应的荷载即为屈服荷载Py，对应的梁端位移即为屈服位移Δy。此时按屈服位移控制循环一周后，随后的循环加载按位移控制，即按2倍，3倍……屈服位移进行加载，在每一个位移量下循环两次，直到试件最终失效。对于构件失效，一般公认的是实测的位移－荷载滞回曲线的荷载值降至该方向曾达到的最大荷载的85%时即认为构件失效。

1.4 测量内容及方法

该次试验的量测内容包括：梁、柱纵筋应变；节点核心区剪切变形；梁端挠度、柱端挠度；柱顶轴压力及梁端荷载值；梁外端竖向荷载P与梁外端竖向位移Δ的P-Δ滞回曲线；所有改进措施的钢筋应变。

通过柱顶的压力传感器量测柱顶轴向压力的大小，组合体试件左右梁端的P-Δ滞回曲线由两台X-Y函数记录仪直接绘出。所有钢筋应变片、位移计、百分表均与DH3816数据采集系统连接，并最终传送至电脑。

2 试验结果

2.1 试件破坏过程

该试验中，与传统节点相比较，核心区采取加强措施后，夹心节点试件的破坏过程和破坏特征并没有明显改变，与国内其他类似试验研究[4-7]情况基本一致。试验过程中最先出现梁弯剪裂缝，而后是核心区剪切裂缝出现；随着裂缝的开展，梁纵向钢筋与节点箍筋及部分竖向短筋、柱纵筋先后进入屈服状态；加载后期框架梁裂缝发展缓慢，核心区裂缝迅速发展成网状，并向上下柱端延伸，直至节点混凝土破碎、剥落。试件失效时，框架梁变形明显，核心区破坏较严重，试件均为节点箍筋屈服后核心区斜压型剪切破坏导致失效。

各个试件试验过程中核心区形成比较明显的X形裂缝，梁端破坏也比较严重。后期加载过程中，核心区保护层混凝土劈裂成锥形，延伸至柱端，损伤部位基本都集中在节点核心区；但加插短钢筋后的试件G2-G4核心区裂缝发展及柱端破坏情况要轻于传统构件G1，试件损伤主要集中在梁端和节点区。

2.2 试件破坏形态

反复荷载作用下，各个试件的裂缝分布图和试件的破坏形态照片如图2所示。

图2 试件的裂缝分布及破坏形态图

2.3 梁外端竖向荷载－竖向位移曲线

梁端的荷载-位移滞回曲线见图3（只列出左侧梁端的曲线）。

图3 梁端荷载-位移滞回曲线

3 试验结果分析

3.1 受压承载力

对夹心节点采取加插短钢筋措施主要是用来解决抗压的问题的，通过对4个试件的柱纵筋应变的研究，发现即使到了较高位移延性下，柱筋也只是个别测点才屈服，且短筋较多的G3柱筋屈服程度明显轻于其他构件，这说明加插的短钢筋抗压效果比较明显。

依照国内外单调轴压试验的研究结果[8-11]，楼盖采用较低强度等级的混凝土时，夹心节点核心区可能出现受压破坏；当柱与楼盖混凝土强度比小于1.4时，夹心节点试件核心区轴向受压承载力不低于柱端，此时受压破坏的部位可能出现在柱端。由于我国规范有严格的轴压比限值，轴向压力作用下框架柱发生受压破坏的可能性较小，但承受弯矩较高时可能发生偏心受压破坏。因此对夹心节点采取一定加强措施是必要的，采取加插短筋措施的构件提高了夹心节点的抗压能力，短筋分担了柱筋在节点周围的压力，使核心区和柱端发生受压破坏的可能性减小。

该次试验中，试件的试验轴压比超过0.4以上，这种情况下，没有发生核心区轴心受压破坏、偏心受压破坏，也没有出现轴压比较高导致试件抗震性能严重降低的情况，夹心节点的抗压性能并不低于传统节点试件。因此可以看出，加插短筋是一种行之有效的解决抗压的措施。

3.2 核心区受剪承载力

由于高剪压比夹心节点主要为核心区剪切破坏引发构件失效，因此核心区抗剪承载力大小对试件抗震性能的影响十分明显。如表2所示，在核心区抗剪承载力的变化上，增设竖向短筋可以使夹心节点核心区抗剪承载力与传统节点相当；但增加插筋数量，核心区抗剪承载力并没有提高。

表2 核心区相对受剪承载力

3.3 位移延性

从表3中可以看出，虽然加插短钢筋的试件承载力与传统节点相当，但位移延性要低于传统节点。传统节点的位移延性高，原因在于其屈服位移要低于其他几个采取加强措施的构件，但4个构件的失效位移大致相当。

表3 试件的失效模式和位移延性

4 结论

通过该试验中对传统节点和采取加插短钢筋的节点对比发现，加插合适数量的短钢筋可以使夹心节点的承载力与抗震性能接近于传统节点，表明级差在二个等级范围内，该项目加插短钢筋措施应用于夹心节点的可行性。

对于高层建筑底部高轴压比的梁柱节点来说，加强措施应优先考虑加插短筋。当梁柱混凝土级差在一个等级之内时，我国规范[12]允许节点按梁混凝土浇筑。其他情况时，可采取加插短筋措施，插筋数量由梁柱混凝土级差换算得出。通过对G3试件实验结果可以看出，过多加插短筋对节点承载力和抗震性能并没有明显提高。

该次试验的加插短筋措施不仅在设计上便于计算，而且在施工上也便于实行，同时还契合了规范要求的“强柱弱梁”概念，弥补了夹心节点在这方面的不足。加插短钢筋能有效地降低核心区轴压比，还可限制核心区裂缝开展，有利于增强核心区承载力。当梁柱混凝土极差较大，节点核心区轴压比超限时，加插短筋是一种较好的改进方式。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

[2]中华人民共和国住房与城乡建设部．GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[3]中华人民共和国住房与城乡建设部．JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

[4]傅剑平．钢筋混凝土框架节点抗震性能与设计方法研究[D]．重庆：重庆大学，2002．

[5]朱爱萍．高轴压比高剪压比框架矩形及圆形柱中间层中节点抗震性能试验研究[D]．重庆：重庆大学，2005．

[6]李英民，刘建伟．钢筋混凝土框架夹心节点抗震性能试验研究[J]．建筑结构学报，2010(12)．

[7]王玉雷．低周反复荷载作用下混凝土框架边节点性能试验研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010．

[8]程文瀼，李爱群，张晓峰，等．钢筋混凝土柱的轴压比限值[J]．建筑结构学报，1994，15（6）：25-30．

[9]袁万城，Simsch G，Konig G．反复荷载作用下高强约束混凝土柱的弯曲延性[J]．土木工程学报，1995，28（5）：55-61．

[10]张国军，吕西林，刘伯权．钢筋混凝土框架柱在轴压比超限时抗震性能的研究[J]．土木工程学报，2006，39（3）：47-54．

[11]贾金青，赵国藩．高强混凝土框架短柱力学性能的试验研究[J]．建筑结构学报，2001，22（3）：43-47．

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 506666-2011混凝土结构工程施工规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

责任编辑：孙苏

Pseudo-static Test for Reinforced Concrete Sandwich Beam-column Joints with Low Concrete Strength Differences

高层建筑中柱混凝土强度高于梁是普遍存在的，施工中节点区混凝土若按柱子混凝土来浇筑，在支模、施工缝、施工质量等施工技术方面都存在一定的困难，按梁混凝土浇筑节点区（夹心节点）被认为是解决这类问题的有效途径，为此需对夹心节点采取一些特殊措施予以改进，以满足承载能力和变形需求。该文通过一个传统和三个在节点核心区加插短钢筋的夹心节点的足尺试件的低周交变加载试验，表明加插短钢筋是一种行之有效的加强措施。

夹心节点；短钢筋；失效模式

It is popular that the strength of the concrete in the column is higher than that in the beam in the reinforced concrete high-rise frame structures. In construction,if the column-beam joints are poured with the same strength concrete as columns,there are some difficulties in solving such as formwork planning,construction joint,quality of construction and construction technology.It is useful and effective that the column-beam joints are poured with the same strength concrete as beams.The column-beam joints poured with the same strength concrete as beams need improvement by special measures in order to meet load-carrying ability and deflection.One traditional joint and the other three specimens representing lower strength concrete with short bars measures in the column-beam joints interior joints were tested under cyclic load，which showed the short bars in joint region is an effective strengthening measure.

beam-column joints;short bars;failure mode

TU375.4

：A

：1671-9107（2013）01-0044-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.01.044

2012-09-25

程亮（1975-），男，重庆人，大学学历，工程师，主要从事建筑工程施工与建筑经济管理工作。

李英民（1968-），男，重庆人，博士，教授，博士生导师，主要从事地震工程与结构工程抗震研究。

姜宝龙（1987-）男，重庆人，研究生，主要从事建筑结构研究。