核心区配箍率影响下HRB500E梁柱节点抗震研究

王思启，高飞，彭运动，马健

(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．中交公路规划设计院有限公司，北京 100055)

核心区配箍率影响下HRB500E梁柱节点抗震研究

王思启1，高飞1，彭运动2，马健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．中交公路规划设计院有限公司，北京 100055)

核心区箍筋可以约束混凝土同时改变梁柱节点传力机理。为研究不同核心区配箍率下高性能钢筋梁柱节点的抗震性能，设计高、低剪压比下共6个配置高性能钢筋(HRB500E)的足尺试件，并对其进行拟静力加载试验。本文分高、低两种剪压比情况下研究了配置不同核心区体积配箍率时梁柱节点的破坏模式、裂缝发展、滞回曲线、延性系数和能量耗散性能。研究结果表明:低剪压比情况下，随着核心区配箍率的增加，试件滞回曲线越来越饱满，试件的延性性能显著提高;高剪压比情况下，随着核心配箍率的增加，节点核心区越来越完整，试件的梁端承载力和延性系数有一定的提高。无论高剪压比还是低剪压比情况下，核心区配箍率都可以改变梁柱节点的破坏模式，且过低的配箍率会使试件表现出较差的耗能性能。

梁柱节点;高性能钢筋(HRB500E);抗震性能;核心区配箍率;剪压比

梁柱节点在地震过程中的受力性能复杂，影响其抗剪强度的因素众多，主要有混凝土强度、直交梁约束、轴压比、剪压比、核心配箍率等［1］。节点抗剪强度的计算理论主要包括:桁架–斜压杆机构理论和压杆–拉杆理论［2］。两种理论都认为核心区水平箍筋能约束混凝土，并承担部分水平剪力的作用。因此，研究核心配箍率对梁柱节点抗震性能影响是很有必要的。

1991年北山和宏［3］等人通过试验得出结论:节点核心区的水平箍筋对核心区混凝土有着重要的约束作用。李立仁［4］、吕锦权［5］等人通过试验研究表明:改变核心区配箍率可以改变核心区的受力状态和抗震性能。2006年傅剑平［6］进一步指出水平箍筋有两个作用:约束混凝土在承受轴向压力后的侧向膨胀和承担节点核心区开裂后主拉应力的水平分量。

框架节点专题研究组［7］的研究表明核心配箍率和剪压比可以影响梁柱节点的抗剪强度，并用m值代表剪压比和配箍率的共同影响。因为传入节点的最大剪力随剪压比变化，而节点的剪切强度跟核心配箍率有关。高剪压比时，核心配箍率过小会导致节点约束力不足而发生剪切破坏，核心配箍率过高会导致核心区混凝土破坏先于箍筋屈服。低剪压比时节点区混凝土承受大部分的剪力，箍筋并未达到屈服，过多的配箍会造成浪费。因此研究配箍率对梁柱节点抗震性能的影响需要考虑剪压比的影响。

傅剑平［8～10］分别研究了中低剪压比、中等偏高剪压比和高剪压比下考虑轴压比和核心配箍率对梁柱节点的传力机理和抗震性能的影响，但是关于箍筋仅仅说明了其受力机理，没有研究配箍率对梁柱节点抗震性能的影响。高飞和黄世涛［11］、Masi［12］、Haach［13］等人的研究表明剪压比能改变梁柱节点的破坏模式，同时对延性系数和滞回曲线的饱满程度有较大影响。

HRB500E钢筋是我国科研人员针对结构抗震开发的高性能钢筋，马健［14］等人研究表明，配置HRB500E钢筋的混凝土梁柱节点有良好的抗震性能。为研究核心区配箍率对高性能钢筋梁柱节点抗震性能的影响，设计两组共六个足尺梁柱节点试件进行拟静力加载试验，研究得到梁柱节点在高、低剪压比下破坏模式、裂缝发展、滞回特性、延性系数和能量耗散受核心配箍率影响的变化趋势。研究结果可为HRB500E钢筋的工程推广提供设计依据。

1 试验设计

1．1 试件设计

本次试验共设计六个足尺试件，模型选取为中间楼层的梁柱中节点，实际建筑中梁柱节点多为直交梁或者三边有梁的情况，同时还有楼板的加固，这些对梁柱节点的抗剪承载力比较有利［7］，但试验中为更好地观察试件的裂缝和破坏模式，采用平面十字型梁柱节点。试件的制作过程依次为钢筋绑扎、应变片贴片、模板支模、混凝土浇筑和试件养护。试件的几何尺寸和配筋图如图1所示，试件的轴压比、核心区配箍率等参数如表1所示。钢筋采用HRB500E钢筋，试验前根据GBT 228．1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》［15］对钢筋进行抽样拉伸试验，试验测得结果均满足规范要求，具体结果如表2所示。混凝土为C50商用混凝土，根据JGJ/T 23-2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》［16］对混凝土进行回弹法试验，计算得到三个试件的混凝土主要力学性能如表3所示。

图1 LS1～LS3试件尺寸及配筋/mm

表1 试件设计表

表2 HRB500E钢筋材料力学性能

表3 混凝土材料力学性能

1．2 加载装置及加载制度

常用的梁柱节点抗震性能试验有两种加载方案，分为梁端加载和柱端加载［17］，前者主要用于研究梁端塑性变形，后者主要研究柱端塑性变形。本文试验试件的破坏主要发生在梁端，故选取梁端加载方案，即不考虑柱端位移的P-Δ影响。具体加载装置示意图如图2所示。

图2 加载装置示意

加载过程分为:柱端轴力加载和梁端反对称加载。柱端轴力加载分为两步，先通过液压千斤顶在柱顶施加1 kN轴力进行预加载，当试件和上下柱帽间的接触面受力均匀后逐步加载到设计的0．28轴压比时轴力保持不变。梁端加载由布置在梁端的四个液压千斤顶完成，加载控制方式为力和位移混合控制，梁端纵筋屈服前采用力控制方式，首个梁纵筋屈服后采用位移控制方式。每一级荷载加载循环两次，当梁端承载力下降到最大加载值的85%时［18］认为试件失效，停止加载。加载控制示意图如图3所示(图中Py为梁的计算屈服荷载;Δy为梁的屈服位移)。其中，荷载控制阶段，因承载力是计算有一定误差，为防止梁提前屈服，故最后一阶段取0．9Py加载。

图3 加载控制示意

2 试验过程及结果

2．1 加载过程

低剪压比的三个试件破坏过程如图4所示。梁纵筋屈服(Δy)时，三个试件的梁端形成贯通裂缝，LS1核心区出现较宽的斜裂缝，LS2核心区出现细小的斜裂缝，LS3核心区未发现裂缝。当梁端位移加载到3Δy时，LS1、LS2核心区裂缝和梁端裂缝的宽度、数量进一步增加，LS3梁端裂缝宽度增加，数量基本保持不变，核心区仍未发现裂缝。三个试件破坏时，LS1(6Δy时)核心区裂缝稀疏，裂缝宽度较大，靠近柱子边缘范围的混凝土发生严重劈裂甚至可以看见柱的纵筋，同时梁端发生破坏;LS2(7Δy时)核心区裂缝细而密，但无混凝土脱落，梁端发生严重的破坏;LS3(7Δy时)核心区未见大范围的裂缝，但梁端发生了严重的破坏。

高剪压比的三个试件的破坏过程如图5所示。梁纵筋屈服(Δy)时，HS1梁端出现较为细小的弯曲裂缝;核心区裂缝相互交织形成粗大的网格，HS2、HS3裂缝情况和HS1相似，但HS2梁端有较多的斜裂缝。当梁端位移加载到3Δy时，HS1、HS2、HS3梁端裂缝宽度增加非常明显，同时数量也有少量增加;核心区裂缝数量增加，形成细而密的网格，但宽度增加不明显。三个试件加载至破坏时，HS1(6Δy时)梁端较为完整，而核心区表面混凝土大面积脱落，箍筋露出，柱边混凝土脱落。HS2(6Δy时)梁和柱的交接处破坏严重，混凝土脱落，同时核心区表面混凝土酥松。HS3 (6Δy时)梁端出现严重破坏，核心区较为完整，与HS1、HS2不同的是HS3核心区附近柱上出现了数条贯通的水平裂缝。

2．2 裂缝发展

试验过程中通过裂缝观测仪监测试件裂缝的发展，并通过试件核心区附近所画的网格来记录裂缝发生的坐标位置。裂缝的发展包括:核心区裂缝发展和梁端裂缝发展。六个试件的裂缝发展记录如表4所示。

由表4可以发现:梁端屈服(Δy)时，LS1、LS2核心区最大裂缝为0．42、0．05 mm;LS3未观测到裂缝;HS1、HS2、HS3核心区最大裂缝宽度分别为0．19、0．15、0．29 mm。由此得出:低剪压比下，随着核心区配箍率的提高，核心区最大裂缝越来越小，初始开裂延迟且裂缝的发展得到有效抑制;高剪压比下配箍率变化对于核心区开裂的影响不大。

图4 试件LS1～LS3加载过程

图5 试件HS1～HS3加载过程

表4 裂缝观测记录表mm

2．3 滞回曲线和骨架曲线

构件在反复荷载作用下的滞回曲线形状是抗震性能的一个综合表现，滞回曲线越丰满，表明构件的耗能能力越强。六个试件的滞回曲线如图6所示。试件LS1滞回曲线在前期滞回环细长，耗能较小，后期滞回环呈Z字型有较严重的捏缩效应，该效应由钢筋滑移和混凝土开裂造成。试件LS2、LS3滞回曲线相对LS1越来越丰满，LS2后期滞回曲线有较小的捏缩。由三个滞回曲线对比可知，低剪压比下随着核心区配箍率的增加，滞回曲线越来越饱满。高剪压比下三个试件HS1、HS2、HS3的滞回曲线均较丰满，但HS1滞回环相对HS2、HS3较小。

骨架曲线是由每一级循环的第一次加载的峰值点所连成的包络线，它反映了反复荷载下构件的屈服荷载、峰值荷载、极限荷载及变形能力。低剪压比下三个试件的骨架曲线对比如图7a～c所示。低剪压比下三个试件的骨架曲线对比可知: LS1曲线过早的出现下降段，变形能力和承载能力较差，试件LS2和LS3的骨架曲线均有较好的屈服平台。高剪压比下三个试件的骨架曲线对比如图7d～f所示。由三个试件的骨架曲线对比可知:HS1曲线过早的出现下降段，变形能力和承载能力较差;HS2、HS3的极限承载力随着配箍率的提高而提高。

图6 试件滞回曲线

表5 试件延性系数

图7 试件骨架曲线对比

3 结果分析

3．1 延性系数

延性是指结构、构件、材料在承载能力没有显著下降的情况下承受变形的能力。对于抗震设防区的结构和构件，必须保证构件具有良好的延性。

构件的延性主要用延性系数来表示，延性系数越大，说明构件的延性越好，延性系数包括位移延性系数、曲率延性系数以及转角延性系数，它们都是从某一个方面反构件的延性性质。本文采用位移延性系数μ表示高性能钢筋梁柱节点的延性性质，μ的表达式如式1所示。

式中:Δy为构件的屈服位移;Δu为构件的极限位移。

通过表5可以看出，低剪压比下时，由LS1至LS3试件的延性系数依次增大，当核心区配箍率较低时，试件的延性系数较小，此时提高核心配箍率对延性系数的提高非常明显;当核心区配箍率较高时，提高试件的配箍率对试件延性系数的提高并不明显。高剪压比时，HS1至HS3试件的延性系数随核心配箍率的增大而增大，但是整体的延性系数比低剪压比试件要小。

3．2 能量耗散

一个具有良好抗震性能的构件，应在保持一定承载力的条件下通过发展塑性变形吸收和耗散大量能量来降低地震反应。构件的耗能一般用滞回环的面积来计算，通过不同荷载步的滞回环面积叠加得到试件的累积耗散能量。当循环位移幅值较小时，试件滞回环较小，试件的塑性变形小，耗能能力差。随位移幅值增大，试件滞回环增大，同时塑性变形增加，耗能能力增强。而且随每一位移幅值下循环次数增多，滞回环进一步增大，显示出良好的耗能能力。

由图8a中LS1～LS3试件的累积能量耗散对比可知:试件LS1梁端位移在4Δy前累积能量耗散比LS2和LS3略好，梁端位移超过4Δy后累积能量耗散明显低于LS2和LS3，可能原因是加载初期三个试件的梁端塑性变形较小，试件LS2和LS3核心区较为完整所以耗能较少，而LS1核心区开裂耗散了较多能量;加载中后期LS2和LS3梁端塑性变形较大，能量耗散较大，而LS1梁端破坏较小，总耗能比LS3少21%。

由图8b中HS1～HS3试件的累积能量耗散对比可知:试件HS2和HS3的耗能能力基本一致，而HS1试件的耗能能力较小，试件HS1的总耗能能力比HS3少36%，试件HS2的总耗能能力比HS3少6%。

图8 试件累积能量耗散对比

4 结论

通过对六个混凝土梁柱节点试件的试验观测和结果分析，对于不同核心区配箍率下配置高性能钢筋的梁柱节点得出结论如下:

(1)破坏模式方面，低剪压比(0．17)情况下，核心区配箍率等于0．35%时试件核心区和梁端均破坏;核心区配箍率大于等于0．65%时试件发生梁端破坏;高剪压比(0．355)情况下，核心区配箍率低于等于1．72%时试件核心区和梁端均破坏;核心区配箍率等于2．06%时试件发生梁端破坏，因此，核心区配箍率可以改变梁柱节点的破坏形态。

(2)在抗震性能方面，低剪压比情况下，随着核心区配箍率的增加，试件滞回曲线越来越饱满，试件的延性性能显著提高;高剪压比情况下，核心配箍率的增加使试件的梁端承载力和延性系数有一定的提高，同时约束混凝土使其不被剪碎脱落，保证了核心区的完整性。但高配箍率时柱子靠近核心区附近出现了水平贯通裂缝。

(3)裂缝发展方面，低剪压比时，核心配箍率的提高有效延迟了核心区初始开裂并抑制裂缝发展;高剪压比时，配箍率的改变对核心区裂缝发展并无明显规律。

(4)无论高剪压比还是低剪压比情况下，过低的配箍率会使试件表现出较差的耗能性能。

［1］Bird Juliet F，Bommer Julian J．Earthquake losses due to ground failure［J］．Engineering Geology，2004，75 (2):147-179．

［2］郭二伟，李振宝．钢筋混凝土框架节点抗震性能的研究进展［J］．建筑结构，2012，42(s1)，215-219．

［3］Kitayama K，Otani S，Aoyama H．Development of Design Criteria for RC Interior Beam-Column Joints，Design of Beam-Column Joints for Seismic Resistance［C］．SP-123．Detroit:ACI，1991:145-165．

［4］李立仁，支运芳，陈永庆，等．高强约束混凝土框架柱抗震性能的研究［J］．重庆建筑大学学报，2002，24(5):38-45．

［5］吕锦权．配箍率对型钢高强混凝土梁柱中间节点受力性能影响的试验研究［D］．重庆:重庆大学，2008．

［6］傅剑平，张川，陈滔，等．钢筋混凝土抗震框架节点受力机理及轴压比影响的试验研究［J］．建筑结构学报，2006，27(3):67-77．

［7］框架节点专题研究组．低周反复荷载作用下钢筋混凝土框架梁柱节点核心区抗剪强度的试验研究［J］．建筑结构学报，1983，(6):1-17．

［8］傅剑平，陈小英，陈滔，等．中低剪压比框架节点抗震机理的试验研究［J］．重庆建筑大学学报，2005，27(1):41-47．

［9］傅剑平，张笛川，陈滔，等．中等偏高剪压比抗震节点传力机理及性能试验［J］．重庆大学学报(自然科学版)，2005，28(6):84-90．

［10］傅剑平，朱爱萍，陈小英，等．框架高剪压比中间层中节点抗震性能试验研究［J］．重庆建筑大学学报，2006，28(1):40-46．

［11］高飞，黄世涛，刘波，等．剪压比影响下配置HRB500E钢筋梁柱节点试验研究［J］．土木工程与管理学报，2014，31(4):1-6．

［12］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．

［13］Haach V G，De Creace EI Debs A L H，EI 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．

［14］马健，彭运动，高飞，等．配置HRB500E钢筋混凝土梁柱组合体抗震性能研究［J］．土木工程与管理学报，2014，31(4):38-43．

［15］GB/T 228．1-2010，金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法［S］．

［16］JGJ/T 23-2011，回弹法检测混凝土抗压强度技术规程［S］．

［17］伍鑫元．配箍率对型钢高强混凝土梁柱顶层中间节点受力性能影响的试验研究［D］．重庆:重庆大学，2010．

［18］JGJ 101-96，建筑抗震试验方法规程［S］．

Seismic Performance Research of the Beam-Column Joint with HRB500E Under Different Core Region Stirrup Ratios

WANG Si-qi1，GAO Fei1，PENG Yun-dong2，MA Jian1
(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．China Highway Planning and Design Institute Consultants，INC，Beijing 100055，China)

Core region stirrups could constraint the concrete in core region and change joint’s mechanical behavior．To investigate the seismic performance of high performance reinforcement (HRB500E)beam-column joint with different core region stirrup ratio，six full-scale specimens with low and high shear compression ratio were designed and tested under quasi-static load．The failure modes，cracksdevelopment，hystereticcurve，ductilitycoefficientandenergy-dissipation performances of the specimens were studied in both high shear compression ratio and low shear compression ratio situation．Results indicated that:when shear compression ratio is low，with the core region stirrup ratio increasing，the hysteretic curve become plumper，and the ductility coefficient increased significantly．When shear compression ratio is high，with the stirrup ratio increasing，more complete core region joints were provided，and the bearing capacity as well as the ductility coefficient was slightly improved．In both low and high shear compression ratio situation，core region stirrups ratio could change the failure mode of the beam-column joint，and the very low stirrups ratio could result in poor energy-dissipation．

beam-columnjoint;highperformancereinforcement(HRB500E);seismic performance;core region stirrup ratio;shear compression ratio

TU375．4

A

2095-0985(2015)03-0033-07

2015-04-27

2015-06-10

王思启(1990-)，男，湖北武汉人，博士研究生，研究方向为高性能钢筋梁柱组合体试验研究(Email:13514995965@163．com)

国家自然科学基金(51378233);贵州省“十二五”重大科技专项(黔科合重大专项［2011］6014)