基于拉-压杆UHTCC节点抗剪承载力分析

苏 骏， 蔡 俊

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

基于拉-压杆UHTCC节点抗剪承载力分析

苏 骏， 蔡 俊

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

针对钢筋混凝土框架节点设计常用的MCFT理论和斜压杆模型存在的不足，在以往试验的基础上，利用能全面反映节点三种传力机理的拉-压杆模型方法，对UHTCC局部增强混凝土框架节点建立基于拉-压杆模型抗剪承载力计算公式。结果表明：基于拉-压杆模型的抗剪承载力计算值与试验值和现行规范计算值吻合良好。在此基础上分析了不同配箍率和试验轴压比对UHTCC局部增强混凝土框架节点抗剪承载力的影响。

拉-压杆模型；UHTCC；框架节点；抗剪承载力

钢筋混凝土节点是框架结构中的重要部位，起着连接梁柱、传递分配内力和协调结构变形的作用，确定节点核心区抗剪能力尤为重要。Lowes等提出的修正斜压场理论(MCFT)[1]和斜压杆理论[2]均存在一定的不足。MCFT理论建立在纯剪切状态，而斜压杆模型忽略了箍筋的直接抗剪作用。为了全面反映节点核心区的传力机理，采用拉-压杆模型计算高韧性水泥基材(Ultra High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC)局部增强混凝土框架节点核心区的剪切应力。通过分析结构弹性主应力迹线建立的拉-压杆模型反映了结构的主要受力特点，具有较好的精度。

1 简化拉-压杆计算模型

1.1 节点拉-压杆原理

拉-压杆模型(简称STM)中的拉杆主要用以代表钢筋的作用，压杆代表受压混凝土的作用。节点中的斜压杆承担剪力，拉杆屈服后节点继续承载，核心区混凝土达到其抗压强度后压溃是节点组合体发生破坏的主要特征。因此，节点的受剪承载力可认为是混凝土达到其抗压强度时核心区所能承担的剪力。在软化拉-压杆模型中，混凝土剪力是由斜向机构、水平机构和竖向机构三者承担的剪力叠加所得，其组合方式有斜向机构、斜向机构加水平机构、斜向机构加竖向机构和完全机构四种，如图1所示。

1.2 节点简化拉-压杆模型建立

1.2.1 宏观模型 图1中斜向机构由一斜压杆组成，该斜压杆与水平轴夹角为θ，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2.2 屈服拉力 图1所示水平抗剪机构由1个水平拉杆和2个平缓压杆组成。UHTCC材料提高了混凝土的抗拉强度，使梁柱节点受力性能发生改变。其水平拉杆由核心区箍筋和UHTCC两部分组成：

Fyh=Fuh+Fsh

(5)

Fuh=Auhfut

(6)

Fsh=Ashfst

(7)

式中Fyh为水平拉杆屈服时的拉力；Fuh为UHTCC水平拉杆拉力，Fsh为箍筋拉杆拉力；Auh为UHTCC水平拉杆横截面积，Ash为箍筋拉杆横截面积；fut为UHTCC混凝土抗拉强度，fst为箍筋抗拉强度。考虑到节点区箍筋在极限阶段不可能全部发生屈服，引入箍筋抗剪有效系数η1，考虑不均匀屈服影响[5]，Fsh=η1Ashfst，η1可偏保守取为0.7。

图1的竖向抗剪机构由1个竖向拉杆和2个陡峭压杆组成。竖向拉杆包含截面构造筋拉杆和UHTCC拉杆，其拉力Fyv与水平拉杆相同：

Fyv=Fuv+Fsv

(8)

式中，构造筋拉杆拉力Fsv=η1Asvfsv，Asv、fsv为竖向构造筋的横截面积和抗拉强度。

1.2.3 拉-压杆系数K拉-压杆模型中拉杆存在于应力紊乱区，斜向受压除了斜压杆传递还有其他路径，并且引发更多混凝土参与受剪，通过拉压杆系数K体现。由于UHTCC提高了混凝土的抗拉强度，在水平和竖直方向上拉杆均未达到屈服，因此采用完全机构计算K值：

K=Kh+Kv-1

(9)

(10)

(11)

拉杆未屈服时可以采用线性内插法求得系数Kh和Kv：

(12)

(13)

将式(5)、(8)、(11)、(12)带入式(4)，得到基于拉-压杆模型UHTCC局部增强混凝土框架节点抗剪承载力计算公式：

0.197(Auvfut+0.7Asvfsv)

(14)

2 试验概况

为了验证模型的适用性，本次试验制作了9个UHTCC新型梁柱组合体节点试件。原型尺寸取自常规框架结构的梁柱中节点，模型缩尺比为1/2，均按现行规范[7](GB50011-2001)进行配筋计算，如图2所示。主要参数为节点核心区体积配箍率和试验轴压比。表1和表2列出混凝土及UHTCC材料参数，其他试验参数见文献[8]。

拟静力试验在大连理工大学结构实验室进行，按《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101-1996)的规定进行加载，先用液压千斤顶在柱顶施加恒定轴力，之后分级在梁端施加低周往复反对称荷载。

图 2 试件尺寸及配筋图

梁C30fcu/MPa柱C40fcu/MP节点UHTCC材料fcu/MPaσtc/MPaσtu/MPa31．9545．784045．98fcu为材料立方抗压强度标准值；σtc为UHTCC材料拉伸初裂强度；σtu为其极限抗拉强度

3 模型验证

按上述简化拉-压杆模型方法计算UHTCC局部增强混凝土框架节点试件的抗剪承载力，以验证该模型的合理性。表2给出了各试件计算值和试验值。从表中数据计算出拉-压杆模型计算值与试验值之比的平均值为0.958，标准差为0.055，变异系数为0.057，可以看出基于拉-压杆模型得到的中节点等效核心区抗剪承载力计算值与试验值吻合较好，与规范建议设计方法结果相当。表明拉-压杆模型可以适用于UHTCC局部增强混凝土梁柱节点受剪承载力的计算。

表2 梁柱节点受剪承载力计算值与试验值

利用拉-压杆计算模型可以方便地分析试验轴压比、节点核心区配箍率对节点受剪承载力的影响。比较J3、J4、J5和J2、J4、J6、J8的节点剪力值可知节点受剪承载力随试验轴压比以及核心区配箍率在一定范围内提高有增大的趋势。其中轴压比的增加对受剪承载力影响较大，这是因为柱端轴压力的增大增加了节点区压杆的高度。

4 主要结论

1)基于简化拉-压杆模型的UHTCC局部增强框架节点试件的计算值与试验值吻合较好，拉-压杆模型能够合理分析和预测UHTCC局部增强混凝土节点的受剪承载力，并且软化拉-压杆方法有明确的力学计算模型，能较为合理地反映框架节点的受力机理，为UHTCC局部增强框架节点的设计方法提供了参考。

2)建立了基于拉-压杆模型的UHTCC局部增强混凝土框架节点抗剪承载力计算公式，为UHTCC材料的工程应用提供理论支持。

3)一定范围内，提高试验轴压比和核心区配箍率有利于提高UHTCC局部增强框架节点的抗剪能力，其中轴压比的影响较为明显。

[1]LowesLN，AltoontashA.Modelingreinforced-concretebeam-columnjointssubjectedtocyclicloading[J].StructureEngineering，2003，129(12)：1686-1697.

[2]MitraN，LowesLN.Evaluation,calibrationandverificationofareinforcedconcretebeam-columnjointmodel[J].JournalofStructuralEngineering，ASCE，2007，133：105-120.

[3] 刘鸣,刘伯权,邢国华. 基于简化拉压杆模型的钢筋混凝土框架异型节点抗剪性能研究[J]. 地震工程与工程振动,2011(2):63-67.

[4] 邢国华,刘伯权,吴涛. 基于软化拉-压杆模型的钢筋混凝土框架节点受剪分析[J]. 建筑结构学报,2011(5):125-134.

[5]HwangSJ,LeeHJ.Analyticalmodelforpredictingshearstrengthsofinteriorreinforcedconcretebeam-columnjointsforseismicresistance[J].ACIStructuralJournal, 2000, 97(1): 35-44..

[6] 吴涛,邢国华,刘伯权,等. 基于软化拉-压杆模型方法的钢筋混凝土变梁中节点抗剪承载力研究[J]. 工程力学,2010(9):201-208.

[7] 中华人民共和国建设部.GB50011-2001建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

[8] 苏骏,徐世烺. 超高韧性水泥基材料新型框架节点性能研究[J]. 世界地震工程,2012(2):110-114.

[9] 高丹盈,史科,赵顺波. 基于软化拉压杆模型的钢筋钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算方法[J]. 土木工程学报,2014(9):101-109.

[责任编校： 张岩芳]

Shear Capacity Analysis of UHTCC Reinforced Concrete Frame Joint Based on Dtrut and Tie Model

SU Jun, CAI Jun

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The MCFT theory and strut model used in the reinforced concrete frame joint are insufficient. Based on the strut and tie model which can reflects three kinds of load transfer mechanism, the paper establishes a Calculation formula of shear capacity based on strut and tie model in UHTCC concrete. Research shows that the calculation results are consistent with the test. It then studies the effect on UHTCC concrete joints by different stirrup ratio and axial compression ratio.

strut and tie model; UHTCC ; frame joint; shear capacity

2016-03-01

苏 骏(1971-)， 男， 安徽六安人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为工程抗震与加固技术

1003-4684(2017)02-0084-04

TU375.4 TU528.572

A