高強混凝土框架結構中節點抗震性能

魏春明，尹景耀，趙星海，趙 強，陳建華（.東北電力大學建筑工程學院，30吉林吉林；.東北電力大學能源與動力工程學院，30吉林吉林）

高強混凝土框架結構中節點抗震性能

魏春明，尹景耀1，趙星海2，趙 強1，陳建華1
（1.東北電力大學建筑工程學院，132012吉林吉林；2.東北電力大學能源與動力工程學院，132012吉林吉林）

為研究高強混凝土框架結構中節點的抗震性能，對10根留有施工縫的高強混凝土框架結構中節點進行了低周反復抗震性能試驗.研究了軸壓比、節點核心區混凝土的強度等級、柱中混凝土在梁中的延伸長度等對梁柱中節點抗震性能的影響，對構件的破壞特征、承載能力、延性性能、滯回曲線進行了對比分析.研究結果表明：所有試驗構件均為梁端受彎破壞；柱中混凝土在梁中的延伸長度對滯回曲線的形態、屈服荷載和最大荷載都沒有顯著影響，但是對節點的延性性能影響比較大.根據試驗結果和分析，并考慮到實際施工因素，取用1.5h為柱中高強混凝土延伸到梁中的最佳延伸長度.

高強混凝土；中節點；抗震性能

隨著中國高層、超高層建筑、大跨度橋梁等工程建設項目的增多，C60級以上高強混凝土的用量不斷增加.目前，國內外學者對高強、超高強混凝土節點的研究主要集中在梁柱節點混凝土強度等級相同［1－5］，或者節點核心區采用梁混凝土澆筑的情況［6－7］，忽略了當梁、柱混凝土強度等級相差過大時，必須采用柱混凝土澆筑節點核心區的情況.由于梁柱節點不同混凝土交匯處，也是留設施工縫［8－9］的地方，已有試驗研究并沒有將節點核心區混凝土的澆筑，同施工縫的留設有效結合起來，也沒有考慮柱中的高強混凝土在梁中的延伸長度（即柱和節點區的高強混凝土在梁中的延伸澆筑長度，以下簡稱延伸長度）等問題.因此，本文以混凝土強度等級不同的高強混凝土框架結構中節點為研究對象，采用低周反復抗震性能試驗方法，研究梁柱節點核心區混凝土強度等級、施工縫留設位置、延伸長度等對中節點抗震性能的影響，為高強混凝土框架結構節點的設計和工程施工提供借鑒.

1 試驗構件設計和制作

試驗采用“十字形”試件，為有效保證試件的澆筑質量和垂直度，全部試件均采用鋼模板立模澆筑.試驗共包括10根中節點試件，試驗構件概況如表1所示，試件編號中，J和G分別代表柱混凝土設計強度為C80和C100；Z1、Z2、Z3分別代表設計軸壓比為0.3、0.5、0.7；Y1、Y2、Y3分別代表延伸長度為0.5h、1.0h、1.5h，其中h為梁的高度.試件JZ1的節點區混凝土強度等級與梁相同，澆筑時分別在梁上和梁下留設2道施工縫；其余試件的節點區混凝土強度等級與柱相同，澆筑時只在梁上部留設1道施工縫；施工縫的澆筑時間間隔為48 h.試件的尺寸和配筋如圖1所示.梁和柱中的縱向受力鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HPB235級.

表1 試驗構件概況

圖1 構件尺寸和配筋（mm）

2 試 驗

本次試驗采用低周反復試驗方法研究中節點的抗震性能，試驗采用柱端加載的方式［10］，加載制度采用力－位移混合控制加載，在開始加載到構件屈服前采用力控制，每個力控制點循環1次；構件屈服后，改用屈服位移的整數倍作為回載控制點，每一位移級差下循環3次.

試驗在東北電力大學結構試驗室進行，試驗加載采用美國MTS公司生產的MTS伺服加載系統，數據采集采用MTS動態數據采集系統.試驗自行設計了加載裝置，豎向加載裝置由反力架和1 000 kN數控電動液壓伺服作動器組成，水平加載裝置由反力墻和500 kN數控電動液壓伺服作動器組成.試件垂直安放，為了保證柱的上、下兩端為理想的球鉸，在柱端設置了帶有滾動軸的墊板，墊板上部為帶有球鉸的油壓千斤頂，柱下端為固定鉸支座；梁端由剛性連桿與地面鉸支座相連，保證梁端可以水平移動但不能垂直移動.試驗加載裝置示意如圖2所示.

圖2 試驗加載裝置

3 結果與分析

3.1 試驗破壞現象

構件JZ1的破壞圖片如圖3所示.構件初始裂縫出現在梁端第1道箍筋處，正、反向水平開裂荷載均為15 kN，構件開裂后，裂縫擴展速度較快，裂縫區域主要集中在梁端部范圍內；當水平荷載達到45 kN時，在節點核心區出現了少量的剪切斜裂縫，但直到構件破壞，節點都沒有出現主裂縫.從破壞形態上看，構件在梁端形成塑性鉸，為梁端受彎破壞，塑性鉸發展充分；在節點和下柱相交的施工縫處出現了水平裂縫和混凝土剝落的現象.

構件JZ1Y1的破壞圖片如圖4所示，正、反向水平開裂荷載分別為13.4、14.0 kN；裂縫擴展速度比較快，裂縫區域集中在梁高1.0h范圍內；荷載達到30 kN時，出現貫通梁高的裂縫，構件破壞的主裂縫靠近柱的邊緣，混凝土剝落嚴重；構件最后在梁端形成塑性鉸.構件JZ1Y2的破壞過程和破壞現象與構件JZ1Y1類似，梁端的裂縫范圍大于延伸長度為0.5h的JZ1Y1構件.構件JZ1Y3的破壞圖片如圖5所示，正、反向水平開裂荷載分別為17.8、17.9 kN，梁端的裂縫范圍也大于延伸長度為0.5h的JZ1Y1構件，構件破壞時在梁端和梁根部形成多條主裂縫.

圖3 JZ1破壞圖片

圖4 JZ1Y1破壞圖片

圖5 JZ1Y3破壞圖片

構件JZ2Y1的破壞圖片如圖6所示，正、反向水平開裂荷載均為15 kN，構件最后在梁端形成塑性鉸，混凝土剝落比較嚴重.構件JZ2Y2破壞圖片如圖7所示，正、反向水平開裂荷載分別為25、15 kN；構件破壞主裂縫出現在距離梁端第1道箍筋處，梁根部沒有出現裂縫；構件最后在梁端形成塑性鉸，混凝土剝落比較嚴重.構件JZ2Y3的破壞圖片如圖8所示，梁根部出現了破壞主裂縫，正、反向水平開裂荷載分別為20、15 kN.構件JZ3Y1的破壞特征與構件JZ1Y1和JZ2Y1類似，破壞圖片如圖9所示.

構件GZ1Y1和GZ2Y1的破壞形態如圖10、11所示，破壞主裂縫出現在梁的根部，梁中裂縫很少，沒有在梁端形成有效的塑性鉸，而是依靠鋼筋在節點和梁端的滑移來消耗地震能量，構件的耗能能力很差.

圖6 JZ2Y1破壞圖片

圖7 JZ2Y2破壞圖片

圖8 JZ2Y3破壞圖片

圖9 JZ3Y1破壞圖片

圖10 GZ1Y1破壞圖片

圖11 GZ2Y1破壞圖片

3.2 試驗破壞現象分析

從裂縫開展情況來看，隨著延伸長度的增加，梁中出現裂縫的范圍也增大.延伸長度為1.5h的構件JZ1Y3和JZ2Y3，在加載過程中，梁根部均出現了破壞主裂縫，這是因為，高強混凝土在梁中的延伸長度較長，充分保證了鋼筋的有效粘結，梁端局部錨固粘結強度較大，使得梁柱交接的部分成為了薄弱部位.從開裂荷載上看，延伸長度為0.5h構件的開裂荷載相對較小，延伸長度為1.0h、1.5h構件的開裂荷載相對較大；開裂荷載隨著軸壓比的增加而增大.

從構件的破壞形態上可以看出，與延伸長度為1.0h和1.5h的構件相比較，延伸長度為0.5h的構件破壞更嚴重，塑性鉸長度也最小（約為0.5h），這可能是由于梁、柱不同強度等級混凝土在梁端0.5h處相交接導致的.所有節點區混凝土強度等級與柱相同的構件，節點核心區均未產生明顯的破壞，這一方面是由于試驗構件均采用了“強節點，弱構件”的設計原則，對節點核心區的箍筋做了加密處理；另一方面是由于在節點區采用了強度等級較高的柱混凝土進行澆筑，有效保證了節點核心區的承載能力.

從試驗現象上可以看出，當梁、柱混凝土強度等級相差較大時，節點核心區采用強度等級較高的柱混凝土進行澆筑，可以使節點具有更好的抵抗低周反復荷載的能力.但是，隨著梁柱混凝土強度的提高，節點承載力提高，鋼筋在節點處的滑移量增大，節點的耗能能力降低.

3.3 滯回曲線分析

構件的滯回曲線如圖12所示，構件JZ1的滯回曲線出現了捏縮現象，表明梁中縱向受力鋼筋存在一定的滑移量.構件開裂后，隨著水平荷載的增大，構件剛度退化明顯，進入屈服階段后，梁中縱向受力鋼筋有較大的滑移，試驗構件的卸載剛度和再加載剛度隨著位移幅值的增加而快速退化.其余具有不同延伸長度構件的滯回曲線形狀都比較飽滿，反映出節點構件的塑性變形能力比較強，高強混凝土節點能夠較好地吸收低周反復荷載的能量.延伸長度對滯回曲線的形狀沒有顯著影響.由構件GZ1Y1和GZ2Y1的滯回曲線可以看出：滯回曲線的形狀不飽滿，呈倒S形，說明梁筋在節點內產生了嚴重的滑移，滯回曲線在經過一段距離的滑移段后，承載能力才有上升，曲線的下降段也很陡峭，說明節點構件的耗能能力較差.在低周反復荷載作用下，隨著梁柱混凝土強度的增大，節點承載力提高，梁筋的黏結退化明顯加重，這也與節點構件采用HRB400級高強鋼筋有一定的關系［11］.

圖12 構件的滯回曲線

3.4 承載力和延性性能分析

0.3 軸壓比下構件的承載能力和延性系數如表2所示，延性系數取用構件在最大水平荷載下所對應的水平位移（即最大位移）與屈服位移的比值，屈服位移由圖解法確定.由表2可見，構件GZ1Y1的延性系數為2.32，構件JZ1Y1的延性系數為2.58，即隨著梁、柱混凝土強度等級的增加，構件的延性系數降低.延伸長度對構件的屈服荷載和最大荷載沒有顯著影響.延伸長度為0.5h和1.5h構件的延性性能都比較好，延伸長度為1.0h的構件JZ1Y2的延性系數最小.

0.5 和0.7軸壓比下構件的試驗結果如表3所示，當延伸長度為0.5h時，構件GZ2Y1的屈服荷載和最大荷載值最大.與軸壓比為0.3的中節點構件類似，當延伸長度為1.0h時，節點構件的延性性能最差，延伸長度為0.5 h和1.5 h構件的延性性能都較好.構件GZ2Y1的延性系數為2.49，構件JZ2Y1的延性系數為2.74，即隨著梁、柱混凝土強度等級的增加，構件的延性性能降低.

表2 0.3軸壓比下構件的試驗結果

表3 0.5和0.7軸壓比下構件的試驗結果

3.5 柱中高強混凝土延伸到梁中的最佳延伸長度

從中節點構件的試驗結果可以看出，在0.3和0.5軸壓比下，延伸長度0.5 h的構件延性最好，延伸長度1.5h的構件延性稍差，延伸長度1.0h的構件延性最小.延伸長度為1.0 h的構件延性系數最小，可能是由于梁塑性鉸的有效區段長度約為一個梁高的長度1.0h，而梁中高、低強混凝土相交接的部位，正好是一個梁高的長度1.0h，由于在此處混凝土存在較大的強度差，導致混凝土不能夠有效傳遞剪力，從而引起延性系數的降低.另一方面，對于中節點而言，雖然延伸長度0.5h的構件延性最好，但是，由于0.5h距離節點的位置比較近，在澆筑混凝土的過程中，如果處理不好，在撤出封堵模板時，容易導致梁中混凝土向節點流淌，不能有效保證節點的澆筑強度；同時，從試驗現象也能夠看出，延伸長度為0.5h的構件，達到極限強度時混凝土破壞也最嚴重.

因此，綜合本次試驗中節點試件的研究結果，認為取用延伸長度為1.5h作為柱中高強混凝土延伸到梁中的最佳延伸長度比較合理.因此建議柱中高強混凝土在梁中的延伸長度優選1.5h.以上結論，對于梁高比較大的建筑，會出現延伸長度過大的情況，由于試驗樣本有限，因此該結論不適用于深梁和樓板上布置有大型設備的工業建筑梁.

4 結 論

1）從試驗現象上看，試驗構件的破壞均為梁端受彎破壞.當梁、柱混凝土強度等級相差較大時，節點核心區采用強度等級較高的柱混凝土進行澆筑，可以使節點具有更好的抵抗低周反復荷載的能力.

2）隨著梁柱混凝土強度的增大，節點承載力提高，梁筋的黏結退化明顯加重，耗能能力變差，構件的滯回曲線捏縮效應明顯.

3）隨著延伸長度的增加，梁中出現裂縫的范圍也增大.延伸長度對滯回曲線、屈服荷載和最大荷載都沒有顯著影響.

4）延伸長度為0.5h的構件延性系數最大，延伸長度為1.0h的構件延性系數最小，延伸長度為1.5h的構件延性系數介于兩者之間.

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［5］CORINALDESI V，MORICONI G.Behavior of beam?column joints made ofsustainable concrete under cyclic loading［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，2006，18（5）：650－658.

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［11］中華人民共和國國家標準.GB50010—2010混凝土結構設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

（編輯 張 紅）

Seismic behavior of interior joints of high?strength concrete frame structure

WEI Chunming1，YIN Jingyao1，ZHAO Xinghai2，ZHAO Qiang1，CHEN Jianhua1
（1.School of Architectural and Civil Engineering，Northeast Dianli University，132012 Jilin，Jilin，China；2.School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，132012 Jilin，Jilin，China）

To study the seismic behavior of interior joints of high?strength concrete frame structure，10 interior joints with construction joints of high?strength concrete frame structure are carried out based on the low?cycle loadings test.The influences of the axial compression ratio，concrete strength grade of core area of interior joints，and the length of high?strength concrete in columns and joints extends to beams are studied.Failure characteristics，bearing capacity，displacement ductility and hysteretic curves are also analyzed deeply.Test results show that all of the interior joints are damaged at the end of beam by bending.The lengths of high?strength concrete in columns and joints extension to beams have little effect on yield load，peak load and hysteretic curves as well.While the length of high?strength concrete in columns and joints extensions to beams have significant effect on displacement ductility. On the basis of the test results analysis and construction factors，it is shown that1.5h is the optimal length of high?strength concrete in columns and joints extension to beams.

high?strength concrete；interior joints；seismic behavior

TU375.4

A

0367－6234（2015）10－0124－05

10.11918／j.issn.0367?6234.2015.10.023

2014－07－18.

國家自然科學基金（51478094）；吉林省教育廳＂十二五＂科學技術研究資助（2013109）.

魏春明（1977—），女，博士，副教授

魏春明，chunming＠mail.nedu.edu.cn.