APP下载

配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点试验研究

2014-07-24黄世涛梅世龙唐智强

土木工程与管理学报 2014年4期
关键词:梁端梁柱延性

黄世涛, 梅世龙, 唐智强, 高 飞

(1.华中科技大学 a.土木工程与力学学院; b.控制结构湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074;2.贵州省高速公路集团有限公司, 贵州 贵阳 550008)

配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点试验研究

黄世涛1, 梅世龙2, 唐智强1, 高 飞1

(1.华中科技大学 a.土木工程与力学学院; b.控制结构湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074;2.贵州省高速公路集团有限公司, 贵州 贵阳 550008)

传统钢筋强度较低,不能满足现代化的建设需求;HRB500级钢筋强度满足要求,但是延性性能较差。因此,本文提出了一种采用新型工艺加工、生产的高性能钢筋(HRB500E),对配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点的抗震性能进行了相关研究。通过3个梁柱边节点的足尺试件在低周往复荷载作用下的加载试验,研究柱轴压比和核心区配箍率对梁柱边节点的破坏模式、滞回特征、延性性能和耗能性能的影响。试验结果表明,配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点具有良好的延性性能和耗能性能。其中,3个试件均属于梁端弯曲破坏,边节点核心区裂缝较少。随着核心区配箍率的增加,梁柱边节点的延性性能和耗能能力显著提高。然而,随着轴压比的增加,试件的延性系数和耗能能力下降均比较明显。

钢筋砼梁柱边节点; 高性能钢筋(HRB500E); 滞回特征; 延性性能; 耗能性能

梁柱节点受力复杂,是建筑、桥梁结构中较为薄弱的部位。在发生地震时,梁柱节点容易发生破坏,导致结构整体失稳。因此,各国学者热衷于研究梁柱节点的抗剪承载力和抗震性能。

Fujii 和Morita[1]设计了8个1/3倍的缩尺试件(4对梁柱内节点和边节点)。试验结果表明,柱轴向力在fc/12~fc/4范围变化(fc为混凝土轴心抗压强度设计值),对内节点抗剪强度没有显著影响,但是边节点提高了10%。节点核心区配箍率由0.41%增大到1.1%,对两种节点的性能没有显著影响。在低周往复荷载作用下,一旦节点剪切变形达到0.5%,试件的剪切刚度将加速退化。

Kaku等[2]对18个钢筋混凝土梁柱边节点进行了拟静力试验。试验结果表明,组合体延性随着柱轴压力和节点配箍量的增加而提高,同时柱侧面纵筋的存在也提高了组合体的延性,并得到了位移延性系数与试验变量之间的函数关系。

吕西林等[3]对6个比例为1∶2的框架梁柱组合体试件进行了低周往复加载试验。研究结果表明,89版《建筑抗震设计规范》中框架节点的剪力调整系数偏小,不能避免节点发生剪切破坏;在强节点框架结构弹塑性地震反应分析时可以忽略节点剪切变形的影响。

武秀莹[4]完成了一系列配置500级钢筋且贯穿梁筋相对长度hc/d=20的高剪压比、中剪压比试件(hc为梁筋贯穿段长度;d为梁筋直径。)。试验结果表明,组合体在节点剪切失效时所达到的位移延性均大于3小于4,表现出较差的综合抗震性能;hc/d=20的试件与hc/d=25相比,前者节点混凝土损伤严重,斜向压溃的进程更快,试件的耗能能力要差一些;作者提出了受钢筋强度、混凝土强度和剪压比等参数影响的贯穿节点梁筋相对长度hc/d的建议公式。

东南大学的张继文和蒋朝文[5]参照02版《混凝土结构设计规范》设计了4个不同配筋率的配置细晶粒高强钢筋混凝土梁柱十字形组合体。研究结果表明,采用细晶粒高强钢筋的混凝土梁柱十字型组合体,具有较好的抗震性能。

Alva等[6]采用试验手段研究了混凝土抗压强度和节点横向配筋率对钢筋混凝土梁柱节点在往复循环荷载作用下性能的影响,共进行了4个边节点试验。研究结果表明:混凝土抗压强度是节点抗剪承载力的主要影响因素。

Rajagopal 和Prabavathy[7]对4组共12个边节点试件进行了拟静力试验,研究不同梁筋在节点核心区内的锚固形式对抗震性能的影响。

Masi等[8]设计了4个足尺梁柱边节点试件,主要考虑不同的抗震设计等级和轴向荷载对试件抗震性能的影响。试验结果表明,通过施加不同的柱端轴向荷载,实现了试件由梁端破坏向节点核心区剪切破坏的转变。Haach 等[9]认可Masi等[8]的观点,并且对试验与理论预测节点的失效方式作对比,最后提出研究如何精确的设计梁柱组合体的破坏模式是非常有必要的。

武秀莹[4]认为现行使用的500级钢筋综合抗震性能不好,并且从以上文献中可以看出轴压力和节点配箍率对试件影响较大。本文提出一种新型高性能钢筋HRB500E,主要考虑按照2010版《混凝土设计规范》设计的配置HRB500E钢筋梁柱边节点的抗震性能是否满足规范要求,同时,考虑柱轴压力和核心区配箍率对其抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计与材料性能

依据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[10]设计了3个配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点的足尺试件。试件的几何尺寸及配筋见表1。

表1 试件基本参数

注:υ=N/(A·fc),式中N为柱的轴压力设计值;A为柱截面面积。

图1为试件SP1的配筋图,除了核心区配箍量不同以外,试件SP2与SP1的其他设计参数完全一致。试件SP1核心区配箍量为4Φ10,而试件SP2的核心区配箍量为6Φ10。同理,试件SP2和SP3的变量是轴压比,试件SP2的轴压比υ=0.28,而试件SP3的轴压比υ=0.56。

图1 试件SP1配筋/mm

试件采用的钢筋型号是HRB500E。通过钢筋拉伸试验来获取试验钢筋的力学性能,其力学指标详见表2。

表2 HRB500E钢筋材料力学性能

1.2 试验装置与加载过程

图2 试验装置

试验装置如图2所示,在2组6 m高的门式刚架上固定一根长3 m、高0.5 m的横梁,横梁的中部安装一个5 MN的千斤顶和一个力传感器,力传感器与上端柱帽相连。侧向支撑与上端柱帽和反力墙通过铰支座相连,即试件与反力墙之间通过滚轴支座连接,试件柱上端可以有竖向位移,但是不能发生水平移动。下端柱帽与地面铰接。靠近试件梁自由端的两根钢柱通过两根长0.8 m、高0.4 m的钢梁相连,钢梁中部均安装了1 MN的千斤顶和力的传感器。千斤顶和高精度静态伺服液压控制台通过高压油管相连。

参照JGJ 101-96《建筑抗震试验方法规程》[12],本试验采用梁端加载模式。首先,在试验正式开始前,对柱顶施加恒定的轴力;然后,在梁的自由端,采用上下两个千斤顶施加低周往复荷载(以梁端向上加载为正方向)来模拟水平地震作用时构件的受力和变形情况。最后,通过裂缝观测仪、力传感器及动态应变采集仪获取试验数据。

试验采用荷载-位移双控制的加载方式。试件梁纵向钢筋屈服前,采用荷载控制。以屈服荷载Py的±30%、±60%和±90%来施加往复循环荷载,每级荷载下进行2次循环。试件梁纵向钢筋屈服之后,采用位移控制。以屈服位移Δy的整数倍来控制加载,以±Δy、±2Δy、±3Δy......作为控制位移,每级位移进行2次循环。当滞回环峰值荷载下降到最大荷载Fmax的85%以下时,停止加载,加载制度示意图详见图3。

图3 加载制度示意

1.3 测量装置

通过力传感器,对施加到柱顶轴向荷载N和梁端竖向荷载P进行采集。利用YHD-400型位移计测量梁端荷载加载点的竖向位移Δ。通过梁端荷载P和加载点位移Δ得出梁柱边节点荷载位移关系曲线,即滞回曲线。如图4利用位移计1和3的位移差(Δ1-Δ3)来测量梁端塑性铰转角。位移计2和4分别测量梁上部和下部纵筋相对柱边的滑移量。位移计5和6测量边节点核心区对角线的相对位移,并通过经验公式计算出边节点核心区剪切角γ。

图4 位移计布置/mm

2 试验结果与分析

2.1 试验现象观测

图5、图6和图7分别为试件SP1、SP2和SP3的停止加载的破坏模式。通过对比发现,试件的破坏形态大体相似,主要是梁端弯曲破坏。通过试验现象观测表明,梁柱边节点发生梁端破坏一般经历:梁端开裂、梁端贯通裂缝、梁纵筋屈服、边节点核心区开裂、梁端极限状态等过程。由试件SP1到试件SP3,边节点核心区斜裂缝逐渐减小,适当增加边节点配箍率或者轴压比对核心区的裂缝的发展具有明显的抑制作用。

图5 试件SP1 破坏

图6 试件SP2 破坏

2.2 滞回曲线

试验通过测量梁端加载点的荷载与位移,来获得试件梁端荷载-位移曲线,即滞回曲线,本次试验3个试件的滞回曲线如图8~10。滞回曲线的特征能反应结构构件延性与耗能性能。试件在反复荷载作用下滞回曲线的形状是抗震性能的一个综合表现,滞回曲线越饱满,表明构件的耗能能力越强,抗震性能越好。

图8 SP1 滞回曲线

图9 SP2 滞回曲线

图10 SP3 滞回曲线

(1)试件SP1

由图8可知,试件SP1在荷载控制的加载初期,滞回环面积较小,表明试件基本处于弹性状态。但在屈服荷载后,滞回环变得饱满、呈梭形,滞回环包围的面积较大,具有较好的耗能性能。

试件SP1经过一定的塑性发展之后,即在3Δy时,正向卸载完毕后,梁下侧的纵筋粘结滑移和斜裂缝未完全闭合;随着反向荷载的不断增大,梁下侧纵筋粘结滑移逐渐恢复,斜裂缝也慢慢闭合,梁抗侧刚度逐渐增大,直至恢复到正向卸载前时的梁抗侧刚度,此段过程滞回环出现内凹,即“捏缩”现象。随着梁塑性变形的增大,滞回曲线的“捏缩”现象越来越明显,此时的滞回环与初期的梭形滞回环相比,前者面积更大,但更偏向水平方向。加载到6Δy时,第二循环相比于第一循环梁抗侧刚度和梁端峰值荷载下降比较明显(梁端峰值荷载下降了14.1%),主要是因为梁斜裂缝开展过大,导致混凝土严重脱落。

当加载到7Δy时,梁混凝土脱落严重,梁纵筋粘结滑移严重,导致滞回曲线呈现倒S形,即加载的后期,滞回曲线形成了一段“滑移平台”。此时梁抗侧刚度较小,梁端峰值荷载下降到最大荷载的85%,故停止加载。

(2)试件SP2和SP3

由图9和图10所示,试件SP2和SP3的滞回曲线与试件SP1滞回曲线的特征基本一致。试件SP2加载至4Δy时,梁端裂缝宽度较大,混凝土开始少量剥落。6Δy时,梁端荷载达到最大值Fmax=+99.2 kN(反向加载Fmax=-110.1 kN),此时梁端混凝土少量脱落,梁内端箍筋外露。7Δy时,第二循环相比于第一循环梁端峰值荷载下降了18.9%。

试件SP3加载至3Δy时,试件出现少量剥落。4Δy时,梁端荷载达到最大值Fmax=+97.3 kN(反向加载Fmax=-102.7 kN),此时梁端混凝土少量脱落,梁内端箍筋外露。此时,第二循环相比于第一循环梁端峰值荷载稍微有所下降。

2.3 骨架曲线

根据《建筑抗震试验方法规程》[12],取每一级的第一次循环加载的峰值点所连成的包络线即为试件的骨架曲线。本次试验试件的骨架曲线如图11所示,三个试件具有相似的形状,均有明显的屈服点和极限点;骨架曲线可以划分为上升段、强化段和下降段。如图11所示,试件SP2的下降段最陡,其次是试件SP1,试件SP3相对比较平缓。

图11 骨架曲线对比

从骨架曲线中可以得到试件的屈服荷载、最大荷载、极限荷载及其对应的位移,所得到的数据见表3。

表3 试件的试验数据

2.4 延性系数

结构或构件的延性通常用位移延性系数表示,位移延性系数的定义为:u=Δu/Δy,其中Δy和Δu分别为试件的屈服位移和极限位移(取Fu=0.85Fmax时所对应的位移)。本次试验3个试件的延性系数见表3。试件SP1、SP2和SP3的延性系数分别是6.3、7.2和5.6,表明试件具有较好的延性性能。

试件的延性系数SP2>SP1,是由于在一定配箍率范围内,边节点配箍率越高,箍筋对混凝土的约束能力越强,试件的屈服位移相对较小,同时极限位移较大。试件延性系数SP2>SP3表明增大轴压比反而对试件的延性性能造成不利影响。

2.5 耗能分析

结构或构件吸收能量的大小反应了其耗能能力的强弱。其中,功比指数是表达塑性铰区域在加载过程中吸收能量的一种方法,可按下式计算:

(1)

式中:i为荷载等级次数;n为循环次数;Py、Δy为屈服荷载、屈服位移;Pi、Δi为第i次循环下的峰值荷载及其对应的位移。

本次试验各试件在加载至6Δy时的功比指数Iw计算结果如表4所示。SP2的功比指数大于SP1,表明增加节点核心区的配箍率能有效提高试件的耗能能力;SP3的功比指数明显小于SP2,表明过大的轴压比对试件的耗能能力有明显的减弱作用。

表4 各试件功比指数Iw

3 结 论

本文对3个试件进行了低周往复加载试验,测试得到试件破坏形态、梁端荷载-位移曲线、极限位移和极限荷载等重要数据。对试验数据进一步分析得到配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点的延性指标。通过对试验结果的对比与分析,得到边节点核心区配箍率及轴压比对试件的破坏机理、滞回特征和延性性能的影响。试验结果表明,配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点具有良好的延性性能。其中,主要结论如下:

(1)3个试件均发生梁端弯曲破坏,节点核心区裂缝较少,没有出现梁纵向钢筋粘结滑移破坏,表明按照2010版《混凝土设计规范》设计时,即贯穿梁筋相对长度hc/d=25,高性能钢筋与混凝土能较好的相互作用。

(2)随着边节点核心区配箍率由0.687%增加到1.03%,试件的滞回曲线更加饱满,极限荷载、极限位移和延性性能提升较大,其中试件的延性系数由6.3增加到7.2。试件的耗能能力也有所提高,即功比指数由31.9提高到35.9。

(3)随着柱端轴压比υ由0.28增加到0.56,试件的滞回曲线饱满程度降低,试件的延性系数由7.2降低到5.6,可见延性性能下降较大。试件的功比指数由35.9提高到29.3,可见耗能能力下降明显。

(4) 配置HRB500E钢筋混凝土梁柱边节点具有良好的延性性能。

[1] Fujii S,Morita S. Comparison between interior and exterior R/C beam-column joint behavior[J]. ACI Special Publication,1991,123:145-166.

[2] Kaku T,Asakusa H. Ductility estimation of exterior beam-column subassemblages in reinforced concrete frames[J]. ACI Special Publication,1991,123:167-186.

[3] 吕西林,郭子雄,王亚勇. RC框架梁柱组合件抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2001, 22(1):2-7.

[4] 武秀莹. 配置500级纵筋的框架中间层中节点抗震性能试验及设计方法研究[D]. 重庆:重庆大学,2008.

[5] 张继文,蒋朝文. 细晶高强钢筋混凝土梁柱组合体抗震性能试验研究[J]. 工业建筑,2009,39(11):33-39.

[6] Alva G M S,De Cresce El Debs A L H,El Debs M K. An experimental study on cyclic behaviour of reinforced concrete connections[J]. Canadian Journal of Civil Engineering,2007,34(4):565-575.

[7] Rajagopal S,Prabavathy S. Study of exterior beam-column joint with different joint core and anchorage details under reversal loading[J]. Structural Engineering and Mechanics,2013,46(6):809-825.

[8] Masi A,Santarsiero G,Lignola G P,et al. Study of the seismic behavior of external RC beam-column joints through experimental tests and numerical simulations[J]. Engineering Structures,2013,52:207-219.

[9] Haach V G,De Cresce El Debs A L H,El Debs M K. Influence of high column axial loads in exterior R/C beam-column joints[J]. KSCE Journal of Civil Engineering,2014,18(2):558-565.

[10]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[11]GB/T 50152-2012,混凝土结构试验方法标准[S].

[12]JGJ 101-96,建筑抗震试验方法规程[S].

Experimental Research of the Exterior Beam-column Joint with HRB500E Reinforced Concrete

HUANGShi-tao1,MEIShi-long2,TANGZhi-qiang1,GAOFei1

(1.a.School of Civil Engineering and Mechanics;b. Hubei Key Laboratory of Control Structure,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Guizhou Expressway Group Co Ltd, Guiyang 550008, China)

The traditional reinforcements fail to satisfy the modern constructional requirements due to the relatively low strength. Even HRB500 has higher capacity, its ductility lead to poor seismic behavior. Hence, a high performance reinforcement with new process and fabrication was proposed in this paper. The author focused on the seismic behavior of exterior RC beam-column joints with HRB500E reinforcements. Three full-scale exterior beam-column joint specimens were tested to failure under cyclic and low-frequent loading to investigate the influence of axial load ratio and core stirrup ratio on the failure mode, hysteretic characteristic, ductility behavior and energy dissipation. The results verified the excellent ductility behavior and energy dissipation of the exterior RC beam-column joints with HRB500E reinforcements. Specifically, flexural failure occurred at the beam end of 3 specimens with small amount of cracks in the core. The increase of the core stirrup ratio enhanced the ductility behavior and energy dissipation of the joint. However, larger axial load ratio weakened those behaviors.

exterior RC beam-column joints; high performance reinforcement (HRB500E); hysteretic characteristic; ductility behavior; energy dissipation

2014-04-23

2014-07-17

黄世涛(1989-),男,河南潢川人,硕士研究生,研究方向为钢筋混凝土梁柱节点抗震(Email:shitaohuang1116@163.com)

贵州省“十二五”重大科技专项(黔科合重大专项[2011]6014);中央高校基本科研业务费(2013QN026)

TU375.4

A

2095-0985(2014)04-0044-06

猜你喜欢

梁端梁柱延性
多方向梁与型钢混凝土梁柱连接节点的性能设计分析
一种数控钻铣机床翻转夹紧工作台的设计与仿真∗
市域铁路无砟轨道梁端转角限值研究
高速铁路大跨度钢桥梁端伸缩装置设计研究
安徽省《高延性混凝土应用技术规程》解读
基于强震动数据的等强度延性谱影响因素分析
大截面钢管劲性柱梁柱节点施工技术的要点分析
矩形钢管截面延性等级和板件宽厚比相关关系
B和Ti对TWIP钢热延性的影响
低屈服点钢板剪力墙梁柱刚接与梁柱铰接对比分析