配置HRB500E RC梁柱组合体在低轴压比下滞回性能

朱大权， 李世贵， 袁 矫， 张 锐

(贵州高速公路集团有限公司， 贵州 贵阳 550009)

梁柱组合体是框架结构的重要组成部分，其中影响梁柱组合体抗震性能的因素较多，有剪压比、核心配箍率、轴压比、混凝土强度、节点构造形式等。虽然各国学者关于节点核心区受力机理理论还有一定分歧，但是相当数量的研究结果表明，轴压比可以影响梁柱节点的受力机理，从而影响其抗震性能。

国内最早在1983年，框架节点专题研究组[1]通过大量的实验研究，指出一定范围内轴压比增加可以增强梁柱节点的抗剪强度。2000年，傅剑平等[2]设计5个不同剪压比水准的框架梁柱节点，并进行高低轴压比下实验研究，得出了与前人一致的结论，并提出了轴压比上界限值问题。2006年，傅剑平等[3]设计19个梁柱RC框架梁柱组合体进行拟静力加载试验，研究轴压比对节点受力机理的影响规律，结果表明：(1)随着轴压比的增加，梁筋在节点内的粘结滑移量明显减小；(2)节点作用剪力在中等以上作用水平时，轴压比的增大对节点的延性起不利作用。2007年，朱敬峰等[4]对框架柱轴压比界限值进行了研究，指出现行规范中对轴压比规定的不足并给出了修改意见。2013年意大利学者Masi等[5]对四个T型梁柱组合体在不同轴压比下进行试验研究并模拟核心区应力分布，研究结果表明轴压比的改变足以使得梁柱组合体的破坏模式发生改变，同时低轴压比下的核心区出现的裂缝会导致刚度退化加快。2013年，代筠杰[6]基于扰动应力场理论模型进行数值分析，研究了高性能钢筋梁柱节点在不同轴压比下的抗剪强度，研究指出较低和过高的轴压比对高性能钢筋混凝土梁柱节点抗震性能均产生不利影响。2014年刘文峰等[7]设计4榀HRB500框架柱试验，研究结果表明，轴压比在0.15～0.3内变化时，框架的延性变化不大。总结现有的关于梁柱节点轴压比文献可以发现，过大和过小的轴压比均会导致较差的抗震效果。然而现有文献多为针对轴压比上限值相关的研究，专门针对低轴压比下梁柱节点抗震性能研究文献较少。

结构设计时荷载根据最不利荷载设计，所以结构在使用过程当中可能出现较小的轴压比情况。为了研究低轴压比下配置HRB500E高性能钢筋的混凝土梁柱组合体抗震性能，本文参照GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》[8]设计低、中、高剪压比下三组试件，在低轴压比和中轴压比下进行了抗震性能试验研究。主要对比研究不同剪压比下两种轴压比对梁柱组合体的延性系数、能量耗散、刚度退化等主要抗震性能指标的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

6个试件几何尺寸完全相同，几何尺寸及配筋如图1所示。试件设计基本参数如表1所示。

图1 试件SP1～SP6尺寸及配筋/mm

试件编号梁纵筋核心区箍筋核心区箍筋率ρv/%剪压比轴压比υSP13Φ166Φ101.030.170.07SP23Φ206Φ10+8Φ101.720.2660.07SP34Φ207Φ10+10Φ102.060.3550.07SP43Φ166Φ101.030.170.28SP53Φ206Φ10+8Φ101.720.2660.28SP64Φ207Φ10+10Φ102.060.3550.28

试件选用HRB500E钢筋和C50混凝土，经过钢筋绑扎，模板制作，混凝土浇筑等工序，按规范条件养护28 d后进行试验。试验前对钢筋材料力学性能进行抽样检验，检验结果满足GBT 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[9]中关于钢筋材料力学性能的要求，具体结果如表2所示。试验采用的混凝土为商用混凝土，其立方体抗压强度实测值为fcu=48.8 MPa。

表2 HRB500E钢筋材料力学性能

1.2 实验加载

试验加载采用梁端加载方式，不考虑柱端偏心弯矩情况，柱底采用铰接，同时在柱顶施加横向面内水平约束。试验加载装置现场图如图2所示。试验加载装置示意图如图3所示。

图2 试验加载装置现场

图3 试验加载装置示意

加载方式参考JGJ 101-96《建筑抗震试验方法规程》[10]。首先在柱顶施加恒定轴力模拟柱上端传来的竖向力，然后在梁两外端施加同步反对称低周往复荷载以模拟地震力作用。加载中采用荷载与位移混合控制，每级荷载循环两次，即梁纵筋屈服前，采用梁端荷载控制，屈服后加载由梁端位移控制。加载制度如图4所示。当梁端荷载值下降至最大梁端荷载值的85%时认为试件破坏并停止加载。

图4 加载制度

2 试验现象与结果

2.1 试件加载破坏模式

对6个试件进行拟静力加载试验，试件的加载破坏形态如图5所示。

对比低剪压比下两个试件：试件SP1梁端和核心区裂缝较少，最终破坏是由于钢筋在节点区屈服扩展，导致较大粘结滑移，梁端承载力下降而破坏；试件SP4的破坏模式为梁端破坏模式，核心区完整未产生贯通裂缝。

图5 试件SP1～SP6加载过程及破坏形态

对比中剪压比下两个试件：试件SP2为梁端破坏加核心区开裂，破坏时核心区产生的斜裂缝相互交织形成小方格，梁端发生弯曲破坏，但梁端混凝土未被压碎。试件SP5梁端破坏与试件SP2相似，但核心区裂缝稀疏未形成交织裂缝。

对比高剪压比下两个试件：试件SP3和SP6破坏模式一致，破坏时核心区裂缝密集，边角有混凝土脱落，梁端形成塑性铰区域，梁端混凝土被压碎脱落。

2.2 滞回曲线与骨架曲线

滞回曲线和骨架曲线可以反映试件的受力与变形的关系，是结构抗震性能的综合体现[11]。

6个试件的滞回曲线如图6所示。低剪压比下试件SP1和SP4的滞回曲线差别较大，试件SP1的滞回环在加载后期呈反Z字型，说明有较大的钢筋粘结滑移；中剪压比下试件SP2与SP5的滞回曲线相比，SP2滞回环的面积大且形状饱满呈歪8字形状，SP3滞回曲线外环呈平行四边形；高剪压比下SP3和SP6的滞回曲线形状相似，均呈歪8字型。

三组试件的骨架曲线对比如图7所示。SP1与 SP4试件对比，两个试件的骨架曲线基本重合；SP2与SP5试件对比，SP5的承载力大于SP2；SP3与SP6试件对比，SP3的承载力大于SP6，但SP6的变形能力相对SP3有所提升。

图6 试件SP1～SP6滞回曲线

图7 试件骨架曲线对比

2.3 延性系数

延性系数是衡量结构或构件抗震性能的重要指标。试件的位移延性系数μΔ为极限位移Δu和屈服位移Δy之比为：

μΔ=Δu/Δy

(1)

式中：屈服位移Δy取试件中任意一根纵筋达到屈服应变时的梁端竖直位移；极限位移Δu取试件承载力下降至最大承载力85%时的梁端竖直位移。

试件SP1～SP6的延性系数如表5所示。低轴压比下SP1～SP3三个试件的延性系数变化趋势与中轴压比下SP4～SP6的变化趋势相同，均为随着剪压比的增加而减小。低轴压比下试件的延性比中低轴压比下的延性有所降低，由于低轴压比下梁端塑性变形未能得到充分发展[12,13]，但是随着剪压比的提升，降低的幅度越来越小，低、中、高剪压比下试件延性系数的降低幅度分别为16.6%，15.2%，11.1%。

表5 试件SP1～SP6延性系数

2.4 耗能性能

耗能性能是结构或构件的另一重要抗震指标，当结构或构件在强震作用下时没有良好的耗能性能，必将导致结构出现严重破坏。

三组试件的总能量耗散对比如图8所示。SP1与SP4的能量耗散对比如图8a所示，试件SP1比试件SP4的总耗能减小约35.4%，主要原因是SP1梁端出现钢筋的滑移，耗能梁端耗能较小。试件SP2与SP5的能量耗散对比如图8b所示，试件SP2比试件SP5的总耗能增大约7.7%。试件SP3与SP6的能量耗散对比如图8c所示，试件SP3比试件SP6的总耗能增大约10.1%。

图8 试件能量耗散对比

2.5 刚度退化

在强震作用下若构件和结构没有足够的刚度，会导致顶部位移加大，底部偏心弯矩增加，所以刚度退化是梁柱节点抗震性能研究中的一个重要组成部分。刚度退化即割线刚度的改变量，割线刚度取每一级荷载的第一个滞回环的峰值荷载与对应位移的比值。

三组试件的刚度退化对比如图9所示，低剪压比情况下，试件SP1和SP4的刚度退化率曲线基本重合；中等剪压比情况下，低轴压比试件SP2的刚度前期退化较快，后期与中轴压比试件SP5保持一致；高剪压比情况下，试件SP3的刚度退化始终比试件SP6快。

图9 试件刚度退化对比

3 结 论

本文设计共6个配置HRB500E钢筋的低、中、高剪压比梁柱组合体，在低和中轴压比情况下进行拟静力试验，分别得到其破坏形态、延性系数、耗能性能、刚度退化率等结果。通过以上诸多试验现象及数据分析可以得出以下结论：

(1)中低剪压比时，低轴压比试件SP1，SP2与中轴压比试件SP4，SP5的破坏模式有一定差别，中轴压比试件的核心区相对低轴压比试件的核心区较为完整；高剪压比下的试件SP3和SP6的破坏模式一致。说明中低剪压比情况下降低轴压比可以改变试件的破坏模式。

(2)低轴压比情况下试件SP1～SP3的延性系数相对中轴压比情况下试件SP4～SP6有所降低，但是随着剪压比的提升，降低的幅度越来越小，低、中、高剪压比下的降低幅度分别为 16.6%，15.2%，11.1%。

(3)在低剪压比情况下，低轴压比试件SP1出现粘结滑移，因此能量耗散能力比中轴压比试件SP4低35.4%；在中高剪压比情况下，低轴压比试件SP2，SP3的能量耗散分别比中轴压比试件SP5，SP6提高7.7%和10.1%。

(4)在低剪压比情况下，低轴压比试件SP1的刚度退化性能与中轴压比试件SP4基本一致；在中高剪压比情况下，中轴压比试件SP5，SP6的刚度退化性能略好于低轴压比试件SP2，SP3。

[1] 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): 1-17.

[2] 傅剑平, 白绍良, 王 峥, 等. 考虑轴压比影响的钢筋混凝土框架内节点抗震性能试验研究[J]. 重庆建筑大学学报, 2000, 22(s1): 60-66.

[3] 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.

[4] 朱敬锋, 于志军, 于德湖. 框架砼柱轴压比限值的研究[J]. 青岛理工大学学报, 2007, 28(6): 26-30.

[5] 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.

[6] 代筠杰. 高性能钢筋混凝土梁柱节点抗震性能试验研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2013.

[7] 刘文锋, 王来其, 高彦强, 等. 高强钢筋混凝土框架抗震性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2014, 47(11): 64-74.

[8] GB 50010-2010, 混凝土结构设计规范[S].

[9] GBT 228.1-2010, 金属材料 拉伸试验 第1部分: 室温试验方法[S].

[10]JGJ 101-96, 建筑抗震试验方法规程[S].

[11]Jin L, Du X L, Li D, et al. Seismic behavior of RC cantilever beams under low cyclic loading and size effect on shear strength: An experimental characterization[J]. Engineering Stuctures, 2016, 122: 93-107.

[12]Fan G, Song Y. Effect of axial compression ratio on dynamic mechanical properties of RC beam-column joints[J]. Magazine of Concrete Research, 2014, 66(23): 1219-1236.

[13]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.