HRB600钢筋钢纤维混凝土梁柱边节点抗震性能试验研究

2020-08-24张健新张标丁传林

土木与环境工程学报 2020年4期

张健新，张标，丁传林

(河北工业大学土木与交通学院，天津 300401)

随着高性能结构的发展，普通钢筋混凝土结构已经很难满足现代化结构的要求，许多学者关注高强钢筋高性能混凝土结构的研究[1-2]。作为混凝土结构关键部位的梁柱节点，其抗震需求较高，因此，需要配置足够数量的钢筋，由此导致节点区域钢筋密集。特别是梁柱边节点，梁纵筋在节点区域弯折锚固致使节点区域钢筋密集，浇筑混凝土容易拥堵而不容易密实[3-4]。采用HRB600高强钢筋可以减少钢筋用量，减少节点区域钢筋拥堵。学者们进行了配置HRB600高强钢筋混凝土梁柱节点构件的抗震性能试验与理论分析[5-7]。张健新等[8]发现应用HRB600高强钢筋高强混凝土节点具有良好的滞回性能。Hwang等[9]进行配置600 MPa钢筋的梁柱节点拟静力试验，发现梁底部钢筋粘结滑移较为明显。为了解决高强钢筋梁筋粘结性能差的问题，可以采用纤维增强类混凝土。纤维增强类混凝土具有抑制裂缝发展、改善结构开裂性能等优势[10-13]，在工程中得到了广泛应用。学者们进行了纤维增强类混凝土梁柱节点的相关研究，取得了一定的研究成果[14-15]。韩建平等[16]对混杂纤维增强的梁柱节点进行抗震性能试验研究。Qureshi等[17]对掺加钢纤维和玻璃纤维的混凝土梁柱节点的剪切性能进行研究。以上纤维增强类混凝土梁柱节点中梁柱钢筋采用普通钢筋，梁筋在低应力水平下表现出较好的粘结性能。当梁纵筋采用HRB600高强钢筋时，节点段梁筋的应力水平会较高，与钢纤维混凝土在核心区域的粘结性能方面的研究尚未涉及。

为研究HRB600高强钢筋在高应力水平下与钢纤维混凝土在梁柱边节点区域的粘结性能，笔者设计了改善HRB600梁筋粘结性能的钢纤维整体增强或局部增强的梁柱边节点。通过进行低周往复荷载试验，对比分析高强钢筋、钢纤维混凝土增强范围以及剪压比对梁柱边节点抗震性能的影响。

1 构件设计

共设计和制作4根梁柱边节点，分别为配置HRB600高强钢筋的普通混凝土梁柱边节点BJ1、配置HRB400普通钢筋的普通混凝土梁柱边节点BJ2、配置HRB600高强钢筋的钢纤维整体增强混凝土梁柱边节点BJ3和配置HRB600高强钢筋的钢纤维局部增强混凝土梁柱边节点BJ4，构件BJ3和BJ4主要是为了分析钢纤维增强范围对节点破坏形态的影响，钢纤维体积百分含量为1.2%。整个试验的主要参数变化为钢筋的强度等级、混凝土的种类、钢纤维混凝土的应用范围以及剪压比，各试件试验参数见表1。剪压比γ为截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值之比，按式(1)计算[18]。

(1)

式中：Vj为节点剪力，按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中公式11.6.2-4计算；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；bj和hj为节点核心区截面宽度和高度。

表1 各试件参数Table 1 Parameters of specimens

与构件BJ4相比，配置HRB400普通钢筋的边节点构件BJ2柱纵筋采用等面积代换以满足“强柱弱梁”的设计原则，梁纵筋采用近似等强代换以实现梁端弯矩近似相等。各试件的配筋图如图1所示，图中E代表HRB600钢筋。

图1 试件配筋详图Fig.1 Details of specimen reinforcement

混凝土强度等级为C55，普通混凝土立方体抗压强度实测平均值为55.6 MPa，钢纤维混凝土的为57.3 MPa。试件梁柱纵筋为HRB600/HRB400钢筋，箍筋为HRB400钢筋，各钢筋的力学性能见表2。

表2 钢筋力学性能实测平均值Table 2 Measured average mechanical properties of reinforcement bars

构件采用梁端加载，加载装置如图2所示。先通过竖向千斤顶施加柱顶505 kN恒定荷载以模拟轴压力，试件屈服之前通过拉压千斤顶在梁端施加力，每级循环1次，屈服之后在梁端施加位移，每级循环3次，直至梁端荷载下降到极限荷载的85%时，认定试件破坏。

图2 试验加载装置Fig.2 Test loading device

2 破坏形态

各试件的最终破坏形态如图3所示。

图3 试件破坏形态Fig.3 Failure modes of specimens

配置HRB400普通钢筋的普通混凝土梁柱边节点试件BJ2和配置HRB600高强钢筋的普通混凝土梁柱边节点试件BJ1在破坏时，节点核心区均有大面积的混凝土剥落，试件BJ1核心区混凝土的剥落量稍高。这个结果在一定程度上与试件BJ1的剪压比比试件BJ2的剪压比大(约12.4%)有关，在一定程度上加重了节点核心区剪切破坏程度。与普通混凝土边节点试件BJ1、BJ2相比，钢纤维增强HRB600高强钢筋混凝土试件BJ3和BJ4的裂缝数量多，破坏时核心区混凝土保护层未出现明显脱落，这主要是由于钢纤维限制了裂缝的开展与传播，从而有效控制了核心区混凝土剥落。相对于剪压比较小的钢纤维局部增强混凝土梁柱边节点试件BJ4，剪压比较大的钢纤维整体增强混凝土梁柱边节点试件BJ3的开裂形式和裂缝分布规律基本相同，同时，试件BJ3核心区混凝土保护层出现轻微脱落，而剪压比较小的钢纤维局部增强混凝土梁柱边节点试件BJ4混凝土脱落不明显，表明在钢纤维增强混凝土梁柱边节点中，降低剪压比更有利于减少核心区混凝土的损伤。

3 试验数据结果及分析

3.1 滞回曲线

各试件的实测荷载-位移滞回曲线如图4所示。

图4 荷载-位移滞回曲线Fig.4 Load-displacement hysteresis curve

对比边节点试件BJ1和试件BJ2可以看出，采用HRB600高强钢筋的试件BJ1滞回环更加饱满，且极限承载力更高，说明应用HRB600高强钢筋可以提高试件的承载能力和耗能能力。对比边节点试件BJ1、BJ3和BJ4可以看出，采用钢纤维整体增强或局部增强的梁柱边节点试件BJ3和BJ4，滞回环更为饱满，捏缩效应得到改善。相对于钢纤维混凝土整体增强的试件BJ3，钢纤维混凝土局部增强的试件BJ4承载力稍有下降，滞回曲线饱满程度略差，说明钢纤维混凝土整体增强试件的滞回效果更好。

3.2 刚度退化

刚度退化情况是分析节点抗震性能的另一个重要因素，刚度退化曲线如图5所示。刚度退化率为割线刚度与初始割线刚度的比值,割线刚度Ki按式(2)计算。

(2)

式中：+Fi和-Fi为第i循环的正向和负向荷载，+Δi和-Δi为第i循环对应的位移。

图5 刚度退化曲线Fig.5 Stiffness degradation curve

试件的刚度退化经历陡降段、缓降段和近平台段。配置HRB600钢筋边节点试件BJ1比配置HRB400钢筋试件BJ2的刚度退化率较大，刚度退化较为缓慢，表明采用高强钢筋能够有效缓解节点的刚度退化。对比配置HRB600钢筋普通混凝土梁柱边节点试件BJ1和配置HRB600钢筋钢纤维整体增强混凝土梁柱边节点试件BJ3，试件BJ3的刚度退化曲线更加平缓，这主要是因为钢纤维通过限制裂缝的发展最终保证了节点核心区的整体性，进而缓解节点的刚度退化。与剪压比较低的钢纤维局部增强HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ4相比，剪压比较高的钢纤维整体增强HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ3的刚度退化较为缓慢，表明增大钢纤维混凝土的应用范围可以延缓节点的刚度退化。

3.3 耗能能力

结构的耗能能力是评判结构抗震性能的重要因素，取当前循环之前每个滞回环的面积之和为累积耗能，各个构件的累积耗能曲线如图6所示。

图6 累积耗能曲线Fig.6 Cumulative energy dissipation curve

配置HRB600钢筋混凝土试件BJ1比配置HRB400钢筋混凝土试件BJ2的累积耗能值高，表现出更高的耗能能力，表明提高钢筋强度等级会增加结构的能量耗散。与配置HRB600钢筋普通混凝土梁柱边节点试件BJ1相比，钢纤维整体增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ3在加载中后期具有较高的累积耗能值，表明其具有较高的耗能能力。钢纤维局部增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ4，由于其梁筋的配筋率较小，破坏时节点相应的承载能力较低，因此，滞回环的面积相对较小，致使其累积耗能值比未增强的HRB600钢筋混凝土边节点的略低。

3.4 承载能力和位移延性

各边节点荷载及位移见表3，边节点的延性系数如图7所示。延性系数为破坏位移与屈服位移的比值。

表3 各试件荷载及位移Table 3 Load and displacement of specimens

图7 试件延性系数Fig.7 Ductility factor of specimens

相较于配置HRB400普通钢筋的普通混凝土梁柱边节点试件BJ2，配置HRB600钢筋梁柱边节点试件BJ1的屈服、极限和破坏荷载平均值分别比试件BJ2高4.7%、9.3%和9.4%，说明在普通混凝土结构中，用HRB600钢筋的试件承载能力得到提高。相比普通混凝土试件BJ1，钢纤维整体增强的边节点试件BJ3的开裂、屈服、极限和破坏荷载相差不明显，钢纤维对试件的承载力贡献几乎可以忽略。与配置HRB600钢筋普通混凝土梁柱边节点试件BJ1相比，钢纤维整体增强HRB600钢筋的边节点BJ3和钢纤维局部增强HRB600钢筋试件BJ4的开裂位移平均值分别提高约6.6%和24.8%，表明采用钢纤维通过提高混凝土的抗拉性能和抗裂性能来提高节点的开裂位移。高强钢筋试件BJ1、BJ3和BJ4分别比普通钢筋混凝土试件BJ2的破坏位移平均值高14.4%、21.4%和3.7%，延性系数平均值分别比BJ2试件高5.4%、14.4%和4.5%，表明HRB600钢筋可以提高边节点的变形能力和延性性能。与钢纤维局部增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ4相比，钢纤维整体增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点BJ3的屈服位移、破坏位移和延性系数平均值分别高约5.2%、17.0%和9.3%，说明采用钢纤维整体增强的HRB600钢筋混凝土边节点具有较高的变形能力和延性性能。钢纤维局部增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点BJ4的反向屈服位移略大，破坏位移略小，其反向延性系数为2.98，略小于3.0，但正反向平均位移延性系数为3.48，具有良好的延性性能。

3.5 节点核心区剪切变形

在梁柱边节点的核心区沿对角线方向布置两个位移计，通过测量变形来计算核心区的剪切变形[2]，各节点的剪切-转角滞回曲线如图8所示。

图8 剪力-转角滞回曲线Fig.8 Shear-rotational hysteresis curve

配置HRB600钢筋的边节点试件BJ1比配置HRB400钢筋的试件BJ2的剪力高，节点核心区的剪切变形较大，这主要是由于配置HRB600钢筋试件BJ1的剪压比比配置HRB400钢筋试件BJ2的剪压比大约12.4%，试件BJ1采用HRB600高强钢筋，试件的受剪承载力增加约9.3%，在一定程度上增加了节点核心区剪切破坏程度。

钢纤维整体增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ3和钢纤维局部增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ4在整个试验过程中核心区的剪切变形较小，说明应用钢纤维混凝土通过改善节点核心区的破坏形态，从而限制节点核心区的剪切变形。

3.6 节点段的梁筋粘结退化

通过梁端300 mm及核心区的梁纵筋每隔50 mm粘贴应变片计算得到粘结应力与极限粘结应力比值[19]，绘制节点段的梁筋粘结退化曲线如图9所示。粘结应力τb按式(3)计算。

(3)

式中：Tbr、Csl分别为节点段梁筋所受的拉力和压力；hc为水平锚固段长度；Sb为钢筋周长。

图9 梁筋粘结退化曲线Fig.9 Beam reinforcement bond degradation curve

配置HRB600高强钢筋的边节点试件BJ1比配置HRB400钢筋的试件BJ2的节点段梁筋粘结退化快，主要是由于随着节点变形的增加，HRB600梁筋的屈服渗透过快，从而导致梁筋粘结退化程度加快，这在一定程度上限制了HRB600高强钢筋的优良性能的发挥。

钢纤维整体增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ3和钢纤维局部增强的HRB600钢筋混凝土梁柱边节点试件BJ4在加载中后期节点段梁筋的粘结应力比较大，其粘结退化较为缓慢，主要是因为钢纤维能够有效限制裂缝的发展，在构件破坏时，节点核心区混凝土较完整，因此，梁筋具有较好的粘结条件，其粘结退化较为缓慢，HRB600钢筋与钢纤维混凝土具有良好的协同工作能力。钢纤维整体增强的HRB600钢筋边节点试件BJ3梁筋的粘结条件优于钢纤维局部增强的边节点试件BJ4，其粘结应力比较大，梁筋粘结退化程度较为缓慢。