混凝土框架梁柱节点抗震试验研究进展

张 祥，苏 捷

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

地震造成大量伤亡和损失的最主要原因有两点：一是在地震中有大量建筑物倒塌；二是地震的发生就目前技术手段而言尚无法做出准确预测，无法给居民提供一个合适的避难时间。虽然近些年来在地震预测模型、地震的前兆异常研究等其它研究计划上取得了重要成果，但就目前而言，提高结构建筑物的抗震性能仍是最有效避免或降低地震中的人员伤亡和财产损失的关键措施[1-3]。在进行结构设计时应考虑满足社会经济效益最大化的要求，即性能化抗震设计，需要对各种构件在地震作用下的抗震机理和抗震性能进行充分研究。

框架结构在国际上一直被广泛使用。震害观测表明，起到连接作用的节点部分破坏是引起框架结构倒塌的主要原因(见图1)，一方面，节点部分受力复杂，在水平地震荷载作用下会受到多种力共同作用，为应力集中区域。另一方面，在水平地震荷载作用下，节点会受到极大剪力作用，通常能达到3～6倍柱端所受剪力，是结构中典型薄弱部位，实际工程中常采取密集配筋的形式来保证节点质量，这带来了节点施工困难的问题，导致质量难以保证。土木工程新材料方面的不断突破，给框架节点的发展带来了巨大变革，混凝土框架梁柱节点得到了飞速发展。本文综述了近些年来在框架梁柱节点方面的试验研究工作，并给当下发展方向给予了建议。

图1 节点破坏引起建筑物倒塌

1 对普通混凝土框架节点研究

1.1 国外对普通混凝土框架节点研究

国外对节点抗震性能试验起步较早，1969年HANSON等[4]发表了波特兰协会进行的第一批梁柱节点试验的结果，提出在节点中配置封闭的环向箍筋对于节点延性的发展与保持节点强度具有重要意义。此后MEINHEIT、TRAN、KIM、PARK等[5-8]就混凝土混凝土框架梁柱节点抗剪承载力方面进行了系统研究。ASAKUSA、DURRANI、EHSANI等[9-11]研究了框架梁柱中节点和边节点的节点抗震性能，并探讨了轴压比、节点核心区配箍率、直交梁、柱内非角部钢筋等因素对其综合抗震性能的影响规律。针对梁柱节点核心区梁纵筋与混凝土之间的粘结能力问题，WOODWARD、KITAYAMA等[12-13]进行了节点抗震相关试验，研究指出梁纵筋黏结滑移能力对梁柱节点的抗震性能具有很大影响。

PARK和PAULAY等[14-15]对混凝土框架节点传利机理进行了研究，于19世纪70年代首次提出节点传力由斜压杆机制与桁架机制两种传力机制共同作用(见图2)，就其传力机制进行了深入探讨。HWANG等[16-18]提出了拉-压杆模型，并对该模型进行了不断修正得到了简化拉-压杆模型(见图3)，为混凝土节点承载力计算模型发展做出了重要贡献。

(a)混凝土压杆模型

(a)斜向机构

HENAGER[19]研究了钢纤维混凝土梁柱节点的抗震性能，证实了纤维混凝土用于梁柱节点抗震的可行性。随后，FILATRAULT等[20-21]通过试验验证了HENAGER等提出的钢纤维可以有效替代节点核心区内水平箍筋的结论。GANESAN、ROHM、SHAKYA等[22-24]研究了纤维体积掺量对混凝土节点抗震性能的影响，并与2个普通钢筋混凝土节点试件进行了对比。BAYASI等[25]分析了钢纤维掺量与配箍减少率的关系，并提出相应的纤维混凝土节点抗剪承载力计算公式。

1.2 国内对普通混凝土框架节点研究

唐山大地震后，框架节点专题研究组[26-27]对钢筋混凝土框架梁柱节点在低周反复荷载作用下的抗震性能进行了系统试验，研究了轴压比、节点核心区配箍率、混凝土强度等因素对节点抗震性能的影响，并提出了相应的框架节点抗震设计建议。后来徐云扉等[28]通过对试验验证了所提出的框架节点抗震设计方法的可行性。唐九如、李忠献等[29-31]研究了框架节点在水平循环荷载作用下的抗剪承载力。吕西林、钟易村、武秀莹、莫林辉等[32-35]对往复荷载下节点核心区内纵筋粘结滑移进行了研究，指出贯穿节点的梁纵筋滑移引起的梁外端附加挠度占梁柱组合体外端总挠度的30%以上。傅剑平、白绍良等[36-37]按节点的受力特征将节点破坏分为斜拉型、斜压型和斜拉-斜压复合型3类，并指出除斜压杆机制和桁架机制外节点核心区内还存在约束机制，见图4。

图4 约束机制

章文纲等[38]进行了钢筋混凝土梁柱边节点和钢筋钢纤维梁柱边节点试件的对比试验，试验中，钢纤维混凝土节点的耗能能力提高了27%，梁纵筋粘结滑移量减少了60%～78%。王宗泽等[39]通过试验指出钢纤维可以有效提高节点的受剪承载力和延性，但在节点中配置必要的水平箍筋仍是十分必要的。唐九如、郑七振等[40-41]提出了考虑钢纤维含量特征值的钢筋钢纤维混凝土梁柱节点受剪承载力计算公式。

2 高强混凝土框架节点研究进展

纤维的掺入有效提高了普通混凝土的延性能力，但其应变软化特性使钢纤维普通混凝土并不适用于节点抗震。为减小构件截面尺寸，降低箍筋用量，国内外学者开始试图采用更高强度的混凝土来进行节点制作，对高性能混凝土框架梁柱节点的研究工作得到了相应开展。

史科[42]通过13个高强混凝土梁柱节点试验，系统性地研究了轴压比、混凝土强度、节点核心区配箍率、钢纤维体积掺量等因素对节点抗震性能的影响。肖良丽等[43]对四榀高强混凝土框架节点进行了拟静力试验，指出高强混凝土节点中可适当减少箍筋用量。KANG等[44]研究了配置高强纵筋的高强混凝土节点的抗震性能，试验中层间位移角达到5%时未见试件承载力发生退化，另外掺入1%的纤维减少了30%的节点核心区水平箍筋用量。史庆轩[45]研究了高强箍筋对高强混凝土节点抗震性能的影响，试验中，配高强箍筋的试件延性系数高出普通箍筋试件9%，总耗散能量要高出57%，配置高强箍筋的试件表现出更加优异的抗震性能。

SHANNAG等[46]通过试验指出高性能纤维混凝土框架节点极限承载力可达到普通混凝土试件的3倍，耗能能力为普通混凝土节点试件的20倍，刚度退化能力仅是普通混凝土的1/2。蒋永生等[47]制作了5榀RC-HPC复合节点试件，试验指出C60等级钢纤维混凝土与钢筋的黏结强度比C30等级纤维混凝土提高了47%，初裂强度提高40%。SAGHAFI等[48]采用HPC替代节点核心区和梁柱塑性铰区域的普通混凝土，制作了2个复合节点试件与普通混凝土节点试件进行了对比，试验中RC-HPC复合节点试件延性系数比普通混凝土试件高出了15%左右，且高强混凝土节点的使用，改变了构件原有破坏模式。MANTESINOS等[49]取消了节点核心区域中箍筋的配置，且将梁塑性铰区域箍筋间距放大了一倍，进行了相关拟静力试验，试验中试件在较大剪切荷载作用下仍能正常工作。

3 超高性能混凝土框架节点研究

UHPC是一种新型建筑材料，其超高的强度和优异的延性变形能力使得UHPC在结构抗震领域中具有广阔应用前景，目前对于UHPC框架节点抗震主要有王德弘、鞠彦忠、崔建华等[50-53]开展了研究工作。

研究成果主要有以下几点：

a.研究了纤维掺量为1.3%的UHPC框架梁柱节点试件的破坏特征和破坏形式。研究结果表明：UHPC框架梁柱节点的破坏特征和破坏形式与普通混凝土相似，但UHPC节点开裂强度更高，可达到极限强度的70%，通裂阶段UHPC试件裂缝开展较慢，裂缝分布呈密而广的趋势，进入破坏阶段后UHPC试件能很好地保持构件的完整性，并未出现普通混凝土框架节点常出现的混凝土大面积剥落现象，损伤控制能力优异。

b.系统性地研究了节点类型、纵筋强度和纵筋配筋率、轴压比、节点核心区配箍率、梁内腰筋与柱内非角部钢筋等因素对UHPC节点抗震性能的影响规律。并通过Opensees和Abaqus等有限元软件对其影响规律进行了验证。

c.对UHPC框架节点抗裂性能进行了系统研究，探讨了轴压比、纤维掺量、节点核心区配箍量等因素对UHPC框架节点抗裂性能的影响。并考虑纤维抗拉拔阻力的有利作用，在简化拉-压杆模型基础上建立了UHPC框架边节点在复合作用下的初裂承载力计算公式，见式(1)。

(1)

d.对UHPC节点的传力机制进行了探讨并建立了UHPC框架边节点在复合作用下的受剪承载力计算模型，提出了相应的UHPC框架节点在地震荷载下的抗剪承载力计算公式，见式(2)。

(2)

4 节点破坏过程

混凝土框架梁柱节点的破坏过程主要可分为以下几个阶段(破坏现象见图5)：

(a)普通混凝土框架节点

a.弹性阶段：该阶段主要在节点出现裂缝之前，此时构件基本处于弹性阶段，承载力和刚度基本不发生退化。在弹性阶段中，构件主要依靠混凝土基体来承载，钢筋作用很小，故高强混凝土和超高性能混凝土的弹性阶段要长于普通混凝土构件。

b.弹塑性阶段：此阶段中，随裂缝不断发展，构件刚度出现退化，梁纵筋屈服过后并随着变形向节点核心区渗透，刚度退化速度开始增快，节点核心区箍筋应变不断增长，节点残余位移累积增大，直至达到构件峰值强度。

c.退化阶段：进入退化阶段后，核心区裂缝宽度不断增长，节点变形明显加大，残余位移已经积累到非常大的程度，构件承载力和刚度退化加剧，随后发生破坏。不同材料在退化阶段呈现出不同的表现，传统混凝土框架梁柱节点常出现混凝土大面积剥落现象，而高强混凝土脆性较大，其破坏相对会更为突然，UHPC框架节点具有很好的损伤控制能力，能很好地保持构件的完整性。

5 节点抗震性能主要影响因素

节点抗震性能主要受以下几个方面因素影响：

a.混凝土强度。

强度的增加会提高框架梁柱节点受剪承载力和初始刚度，但同时会导致脆性加大，降低节点构件的延性和耗能能力，对构件承载力和刚度退化也会有不利影响。高强混凝土与超高性能混凝土节点中一般都会通过添加纤维或密集配筋来对构件延性进行补偿。

b.节点核心区水平箍筋。

节点核心区水平箍筋对混凝土框架节点抗震有着积极作用。水平箍筋可以对节点核心区混凝土起到约束作用，从而提高节点延性和耗能能力。此外，还能直接参与节点核心区剪力的承担工作，提高构件抗剪承载力。虽然纤维的掺入可以有效减少构件中水平箍筋的用量，但无论是在普通混凝土、高强混凝土还是超高性能混凝土节点中配置适量的箍筋仍是十分必要的。

c.柱端轴压力。

轴压力对于混凝土节点抗震性能的影响是一个极为复杂的问题，其对节点核心区域的综合抗震性能的影响尚未形成共识。如在KITAYAMA等[13]、MEINHEIT等[5]和KIM等[7]学者的研究中发现柱端轴压力对节点延性和极限承载力影响很小。赵成文、胡庆昌等[55-56]提出一定范围内增大节点核心区作用的轴压力在提高节点开裂强度和极限强度的同时，会加剧节点的承载能力退化，降低构件延性；而傅建平等[57]根据试验结果认为轴压比对于节点核心区的抗震性能影响需要结合构件所受剪压比的大小进行综合考虑。

d.纤维掺量。

适量掺入纤维可以显著提高构件延性和耗能能力，同时降低构件承载力和刚度降低速度，并提高构件的损伤控制能力。一方面，纤维的桥架作用可以有效抑制核心区裂缝的发展，对核心区混凝土起到了约束作用；另一方面，纤维受力时的脱粘、被拔出或被拉断需要消耗很大的能量，提高了构件的耗能能力。由于纤维提高了钢筋周围混凝土基体的完整性，令钢筋与混凝土的粘结能力得到强化，提高了构件的强度和刚度保持能力。

e.梁纵筋与混凝土之间的粘结性能。

锚固破坏是一种常见的节点破坏模式，在地震力的反复作用下，传统混凝土与钢筋的粘结性能在通裂阶段会迅速恶化，导致钢筋与混凝土的粘结发生失效，节点区域可能提前发生锚固破坏。通过增加限制梁纵筋相对贯穿长度、钢筋锚固形式、短梁头、转移梁端塑性铰等措施均可有效增大梁纵筋与混凝土之间的粘结性能，提高节点构件的综合抗震性能。

f.贯通节点的柱内非角部纵筋和梁内腰筋。

贯通节点的柱内非角部纵筋和梁部腰筋柱内非角部纵筋可以提高节点构件初始刚度与抗剪强度，增大节点延性和耗能能力。一方面，贯通节点的柱内非角部钢筋和梁内腰筋可以给核心区混凝土提供有效约束，抑制裂缝的发展；另一方面，它还参与了桁架机构中主拉应力的承担工作，起到一分部抗剪作用。

6 框架节点受剪计算公式

各国学者对节点的传力机理理解不同，各自相关规范中所提出的对混凝土节点设计控制标准也并不统一。部分国家认为节点中所需箍筋用量与节点作用剪力的大小有关，首先计算出节点中的剪力大小，然后利用所提出的抗剪公式推导出节点的箍筋用量。采用这类控制体系的有代表性规范主要有中国GB50010、新西兰NZS3101、欧州Eurocode8等[58-60]规范。还有部分国家则强调对节点中的最大剪压比进行控制，然后按照最小配箍量控制条件确定箍筋用量。美国ACI318-14[61]和日本AIJ—1990[62]规范采用该类控制。公式列表见表1。

材料构成上的差异使得普通混凝土结构抗震设计规范并不适用于超高性能混凝土结构，一方面，超高性能混凝土并不存在粗骨料，节点核心区裂缝两侧的骨料咬合力对抗震受剪能力的贡献将极大弱化，另一方面，纤维的桥架作用在提供节点受剪能力的同时减小了斜裂缝间混凝土的受压计算长度。

王德宏[63]认为UHPC节点受剪承载力主要由混凝土、水平箍筋和钢纤维三部分提供，基于试验结果，提出了UHPC节点受剪承载力计算，相对于湖南省地方规程[64]提出的UHPC框架梁柱节点抗剪承载力计算公式[见式(3)]，王德弘所提式中忽略了轴压力对节点核心区抗剪承载力的影响[见式(2)]，主要是考虑到粗骨料消失导致裂缝两侧骨料咬合力和摩擦力贡献的弱化，致使轴压力对节点核心区裂缝的抑制能力无法转化为节点承剪能力。对比节点抗剪承载力试验值与DBJ 43/T 325—2017、王德弘所提公式计算结果，如表2所示。由表2可见，两种关于UHPC框架梁柱节点承载力计算公式均能很好预测UHPC框架梁柱节点的实际抗剪承载能力。

表1 普通混凝土框架节点抗剪承载力计算公式Table 1 Calculation formula of shear bearing capacity of concrete frame joints规范计算公式计算模型ACI318Vn=0.083φγf′c bjhj压杆-拉杆模型AIJ-1990Vju≤kϕ Fj bj hj压杆-拉杆模型NZS3101Vjh=f′c fyhAsh6 fyAsb(1.4-1.6Pu/(bjhj f′c))桁架-斜压杆机构GB50010Vj=1γRE(1.1ηj ft hj bj+0.05ηjNbjbc+fyvAsvjho-a′ss)基于桁架-斜压杆模型的半经验公式EC8Vjbj hjc=λγRd(12 τRd+vd fcd)+Ash fydbjhjw压杆-拉杆模型注: 表中规范所提公式针对一般情况下。

DBJ 43/T 325—2017规程所提公式：

(3)

表2 UHPC节点抗剪承载力计算公式对比Table 2 Comparison of calculation formulas for shear bearing capacity of UHPC nodes节点试件编号试验值承载力计算值V王德宏VDBJ43/T325V王/V试验VDB/V试验EJ-1271.2245.56305.120.911.12边节点EJ-2302.63224.02287.410.740.94EJH-1232.88200.51245.960.861.05J-1374.82299.88305.440.800.81中节点J-3380.91279.51311.200.730.82LJ-31 128.09833.62920.910.740.82LJ-8967.21710.40787.800.730.81

7 发展趋势和展

普通混凝土框架节点虽已发展较为成熟，但为顺应现今建筑结构向高层、大跨发展的趋势，满足建筑结构高强、减重的要求，国内外学者开始研究强度更高、延性更加优异的新型节点以解决当下建筑结构所遇瓶颈。合理设计的HPC和UHPC框架节点具有更加优异的综合抗震性能，可有效解决当前工程结构中普遍存在如结构自重大、配筋过多、耗能能力不足等关键问题。研究新材料框架节点抗震性能，对促进其在结构抗震领域中的发展和应用，推进抗震设计规范和条款等标准体系的建立，具有十分重要的意义。结合前人关于节点方面的研究成果，本文作者综合考虑之下，提出了以下几点发展方向：

a.目前关于HPC与UHPC框架节点传力机制、承载能力设计等方面研究工作较匮乏，仅见国内东南大学蒋永生教授、郑州大学高丹盈教授和国外首尔大学KANG教授等相关团队就HPC框架节点传力机制、抗剪承载力计算公式方面开展了相关研究工作，而UHPC框架节点方面仅哈尔滨工业大学郑文忠教授和日本广岛大学SUNGANO教授等[65]相关团队开展了此方面研究工作，当前研究成果并不足以支撑相关部分的抗震设计规范的编制，还需深入研究。

b.现今关于HPC与UHPC节点抗震相关研究尚不具备普适性。材料材性上的突破必然导致新型节点抗震性能受如轴压比、混凝土强度等相关因素影响呈现出与普通混凝土节点不同的规律。有研究指出提高UHPC梁纵筋配筋率可以增大其弯曲延性，表现出与普通混凝土梁构件截然相反的趋势[66]和在0.71的轴压比下，UHPC柱在强震下位移延性系数仍达到了5.31[67]。这都表明材料材性上的差异使得部分传统因素对新型节点抗震性能的影响规律出现变化，需进一步研究。

c.传统混凝土由于变性能力差，无法充分发挥高性能钢筋的工作能力。研究表明UHPC与高强钢筋和高强材料能够充分发挥彼此的高强特性，保持构件高延性变形能力的同时能有效减少构件中的钢筋用量，具有非常现实的经济意义与工程意义。对配置高强钢筋或高性能材料如FRP的UHPC构件的研究工作还有待进一步开展。

d.传统混凝土耐腐蚀能力和抗冻融循环特性差，并不适用于在如海洋环境等极端环境条件下工作。研究表明UHPC节点在循环荷载作用下具有更加优异的抗裂性能，且其材料本身耐腐蚀性和抗冻融循环特性优异，在极端环境下对其抗震性能进行研究很有实际工程意义。

e.实际震害后，普通混凝土节点破坏严重，震后修复工作困难。配置适量纤维后的HPC节点与UHPC节点在损伤控制能力方面具有明显优势，破坏时基体完整性保持更好。对HPC和UHPC框架节点在震后修补，以及修复后结构二次受震方面研究工作有待开展。另外，UHPC本身是很好的混凝土加固材料，法赫德国王石油与矿业大学的KHAN教授团队曾就采用UHPC加固后的传统混凝土节点进行了拟静力试验，结果表明采用UHPC对传统混凝土框架节点进行加固，可以有效提高原结构的综合抗震性能，不同材料对混凝土框架节点加固效果具体参数见表3。

表3 不同材料对混凝土框架节点加固效果对比Table 3 Comparison of the reinforcement effect of different materials on concrete frame joints研究者加固材料加固层厚度/mm提高程度/%强度刚度耗能KHAN[68]UHPC Cast in-suit30125179210KHAN[68]Prefabricated UHPFRC Plates30144120160ESMAEELI[69]GFRP Strengthened SHCC2546.7Restored95ESMAEELI[70]Prefabricated HCP2551.422.584TSONOS[71]Ferrocement Jacket3016.634171TSONOS[72]Shotcrete Jacketing7011575120

f.当下制约HPC和UHPC在实际工程中应用除尚无成体系的设计规范以外，其造价较高也是一主要原因。有学者已经开展了关于框架梁柱组合构件中节点核心区域采用HPC或UHPC制成的复合节点构件抗震性能的研究工作，已验证其可行性，对此方面的研究有助于推动HPC和UHPC框架节点在实际工程中的推广应用。