地聚物混凝土梁柱節點抗震性能研究進展

毛宇光，劉鈺中，蘇捷，杜運興，胡翔，史才軍

（1.綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室，湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南省綠色與先進土木工程材料國際創新合作中心，湖南大學，湖南 長沙 410082；3.建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南大學，湖南 長沙 410082）

引言

地聚物（geoploymer）是通過堿性激發劑激發富含硅鋁酸鹽的礦物質獲得的一類新型膠凝材料。堿激發劑通常為硅酸鈉（Na2O·nSiO2）溶液，富含硅鋁酸鹽的礦物質可以是工業副產品（粉煤灰、冶金渣等）或天然材料（偏高嶺土、天然火山灰等）［1－3］。生產地聚物混凝土比生產普通混凝土的CO2排放量減少75%到84%［4－5］，故地聚物是一種綠色低碳膠凝材料。圖1為兩者組成的比較，可以看到它們最大的區別在于膠凝組分，它對混凝土的和易性、強度和耐久性等都有顯著影響［6］。

圖1 單位體積的普通混凝土和地聚物混凝土的組成成分［6］Fig.1 Composition（1 m3）of conventional concrete and geopolymer concrete［6］

相較于普通混凝土，新拌的地聚物混凝土和易性稍差［7－8］，凝結時間短［1，9］。硬化地聚物混凝土的早期強度更高［10－11］、耐久性更佳［12－14］，特別是抗硫酸鹽和抗酸侵蝕性［15］。地聚物混凝土的抗壓強度會隨著氫氧化鈉濃度和堿性活化劑模量的提高而增大［16］，但彈性模量比普通混凝土低大約25%～35%［17－19］，這可能是因為地聚物中形成的N－A－S－H凝膠的彈性模量明顯小于普通水泥中的C－S－H凝膠［20］。2種混凝土的粘結應力－滑移曲線非常相似［21］，地聚物混凝土在與鋼筋的粘結強度方面稍優于普通混凝土［22－24］，在相同條件下養護28d時，前者的滑移值相較于相同強度的后者減小了10%［25］。研究發現地聚物混凝土顯示出較普通混凝土更大的脆性［26－28］，添加纖維可以改善其力學性能與脆性［8，29－30］。

現有地聚物混凝土的研究大多集中在材料層面，在結構構件層面的研究非常有限。地聚物混凝土梁的抗彎承載力接近或略高于普通混凝土梁，兩者在較大彎矩作用下的破壞模式與荷載－撓度響應等均相似，而且兩者的抗剪強度和破壞模式也相近［31－34］。梁的跨深比、配筋率和縱筋強度等對地聚物混凝土梁的抗剪強度有顯著影響［35－38］。另外，研究顯示高強度的礦渣地聚物混凝土梁在破壞時表現出的脆性明顯大于普通混凝土梁，且隨抗壓強度的提高愈發明顯［19，39］。有學者［31，40］認為現有普通混凝土的設計規范適用于地聚物混凝土梁的撓度、彎矩和裂縫大小的計算。地聚物混凝土柱的承載能力隨著荷載偏心率的減小、地聚物混凝土強度與縱向配筋率的上升而增加，柱中撓度會隨著荷載偏心率的增大、混凝土強度和配筋率的減小而增大［41－42］。Albitar等［42］指出地聚物混凝土柱的結構響應與普通混凝土柱，現有混凝土柱的設計規定可以很容易地修改并用于地聚物混凝土柱設計。地聚物混凝土墻相較于普通混凝土墻的撓度更大，但承載能力卻很接近。這可能與地聚物混凝土含有更多的細小基體顆粒有關［43］。

梁柱節點是一類受力非常復雜的構件，其受到來自上下柱和兩側梁端傳來的軸力、彎矩及剪力，甚至會因為存在偏心而存在扭矩［44－46］。當房屋遭受地震荷載作用時，梁柱節點也是最容易遭受破壞的部分，它的破壞往往會造成建筑物的倒塌。

文中綜述了地聚物混凝土梁柱節點抗震性能的研究進展，在此基礎上討論了改善地聚物節點性能的措施的有效性以及現有設計規范的適用性，為地聚物混凝土的結構進一步研究和設計及應用提供了一些指導作用。

1 地聚物混凝土梁柱節點研究

目前地聚物混凝梁柱節點的研究還只限于框架結構一般層邊柱處的T型節點，對于地聚物混凝土梁柱節點的研究重點是其抗震性能，表1和表2列出了現有地聚物混凝土梁柱節點試驗研究中所采用的配合比和各試件的信息。試驗均采用梁端加載，下面的章節將從破壞模式、荷載－變形關系、強度和延性、剛度退化和耗能能力等方面對地聚物混凝土和普通混凝土梁柱節點的異同進行討論。

表1 文獻中地聚物與普通混凝土梁柱節點配合比Table 1 Mix ratio of geopolymer and conventional concrete beam-column joints in literature kg/m3

表2 文獻中地聚物與對應普通混凝土梁柱節點試驗試件Table 2 Geopolymer concrete and conventional concrete beam-column joints specimens in literature

1.1 破壞模式

1.1.1 破壞形態和裂縫發展

框架結構一般層梁柱邊節點因只受單側梁的約束，所以梁的縱向鋼筋無法貫穿節點核心區，必須通過彎折處理或加錨頭（錨板）等措施錨固于節點核心區內，這使其傳力途徑和受力情況非常特殊［52］。一般層邊節點的破壞模式主要有3類——梁端受彎破壞、核心區剪切破壞及錨固破壞［53－55］。

圖2顯示了地聚物混凝土梁柱邊節點在單調加載過程中的破壞模式。因為試件設計采用“強柱弱梁”理念，所以普通混凝土試件CCJ0和地聚物試件GCJ0的裂縫多出現在靠近節點核心區的梁端，梁上部靠近節點核心區的混凝土可以明顯觀察到被壓破碎，而梁下端的裂縫貫穿使得試件破壞。據測量，普通混凝土試件的主裂縫平均值為18 mm，而地聚物混凝土試件的該值為15 mm。無論是裂縫形態還是裂縫寬度，地聚物混凝土試件與普通混凝土試件差異并不明顯。

圖2 梁柱節點在單調荷載下的破壞形態［47］Fig.2 Failure mode of beam-column joints under monotonic loading［47］

梁柱節點試驗通常采用低周反復荷載模擬地震作用。現有文獻中各試驗試件的開裂情況見圖3。多個學者［48－51，56］的研究結果顯示，在低周反復荷載的作用下所有試件的梁部最先出現大量的微裂縫，當達到初裂階段時，梁部裂縫擴展，同時節點核心區開始出現交叉裂縫。當荷載值進一步加大，梁端裂縫變寬直至貫穿導致節點發生梁端受彎破壞，試件的裂縫均主要集中在靠近節點核心區的梁端和核心區，且這一區域的裂縫明顯寬于其他區域。Datta等［49］測量了普通混凝土邊節點試件CCJ2和地聚物邊節點GCJ2初裂和通裂階段的裂縫寬度，在初裂階段，CCJ2的裂縫寬度為0.7 mm，而GCJ2的裂縫寬度為0.6 mm；當達到通裂階段時，CCJ2的裂縫寬度為1.8 mm，而GCJ2的裂縫寬度為2.1 mm。從圖2、圖3及裂縫寬度的比較可以看出地聚物混凝土梁柱邊節點在2種加載方式下的裂縫開裂發展及試件的破壞特點均與普通混凝土梁柱邊節點相似。

圖3 普通混凝土節點（GCJ）與地聚物混凝土節點（CCJ）在低周反復荷載下的破壞形態［48－51］Fig.3 Failure mode of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）under cyclic loading［48－51］

1.1.2 開裂荷載和極限荷載

現有試驗得到的地聚物混凝土和普通混凝土梁柱邊節點的開裂荷載、極限荷載及極限位移值列于表3。可以看出地聚物混凝土梁柱邊節點的開裂荷載與普通混凝土梁柱邊節點試件的開裂荷載基本一致。但當荷載繼續增大到試件破壞時，極限荷載與極限位移結果卻有差異。有的試驗結果［48］顯示地聚物混凝土試件與普通混凝土試件的極限荷載基本一致，兩者的極限位移也相差不大；一些試驗結果［49］表明地聚物混凝土邊節點試件相較于普通混凝土邊節點試件極限承載力低約16.7%；而另一些試驗［47，50－51］卻顯示地聚物混凝土邊節點的極限承載力相較于普通混凝土試件高約7%～19%。另外，Ngo等［50］注意到，在地聚物混凝土節點試件達到極限承載力值的下一級循環，其承載能力下降明顯，而普通混凝土節點試件的承載能力則在達到極限承載力值得下一級循環下降不明顯。這是由于地聚物混凝土試件在承受峰值荷載時表現出來的脆性特性［19，57］。

表3 梁柱邊節點試件開裂和極限荷載Table 3 Frist crack load and ultimate load of exterior beam－column joint specimens

1.2 荷載－變形關系

節點試件在低周反復加載過程中得到的荷載－變形曲線稱為滯回曲線，將滯回曲線的峰值點依次連接，可得到試件的骨架曲線。試件的滯回曲線和骨架曲線可以全面地展示試驗的抗震性能。

圖4是現有文獻中地聚物混凝土一般層梁柱邊節點試件和相應普通混凝土試件的滯回曲線與骨架曲線［48，50－51］。可以看到，普通混凝土邊節點試件CCJ1和CCJ4的試驗結果較為相似，2個滯回曲線都呈弓形。地聚物邊節點試件GCJ4的滯回曲線與相對應的普通混凝土試件CCJ4類似，呈較為飽滿的弓形，但是可以觀察到GCJ4較CCJ4的剛度有一定的退化，其滯回曲線可以觀察到“捏縮”現象。地聚物混凝土邊節點試件GCJ1滯回曲線整體趨勢也與對應的普通混凝土試件CCJ1滯回曲線類似，但在超過極限荷載的正循環階段，GCJ1的強度降低更加明顯，但是剛度相較于對應的普通混凝土試件卻沒有較大的改變。而地聚物混凝土邊節點GCJ3的滯回曲線同時顯示出比相對應的普通混凝土試件CCJ3更加明顯的強度降低和剛度退化現象，特別是在負向加載階段。地聚物混凝土邊節點試件GCJ3和普通混凝土邊節點試件CCJ3的滯回曲線均呈倒“S”型。

圖4 （續）Fig.4（Continued）

圖4 普通混凝土節點（CCJ）與地聚物混凝土節點（GCJ）在低周反復荷載下的滯回曲線和骨架曲線［48，50－51］Fig.4 Hysteretic curves and skeleton curves of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）［48，50－51］

1.3 強度和延性

在混凝土框架節點試件承受低周反復荷載的過程中，節點的承載能力和延性會隨著循環次數的增加而逐漸下降。為了反映地聚物混凝土一般層邊節點試件與對應的普通混凝土試件在低周反復荷載下強度和延性降低的統一關系，將試件的累積延性系數作為橫坐標，將試件每一循環荷載下的最大承載力與屈服時承載能力的比值作為縱坐標得到圖5。累積延性系數的計算公式如下［58］：

向下加載的累積延性系數：

向上加載的累積延性系數：

式中：Δy、Δ'y為屈服時的位移；Δ1、Δ3、Δn為從原點O到該循環的最大位移；Δ2、Δ4、Δn+1為反向加載到該循環的最大位移。

從圖5中可以看到，地聚物混凝土邊節點的強度降低比普通混凝土試件明顯。這種現象可歸因于地聚物混凝土基體早期相較于普通混凝土基體有更大的收縮微裂縫［59－61］。這些微裂縫會在低周反復加載過程中更快地發展，進而使得地聚物混凝土在達到極限荷載后比具有更少微裂縫的普通混凝土試件表現出更快的強度下降［62－63］。

圖5 地聚物混凝土與普通混凝土邊柱節點強度降低系數和累積延性系數［48，50－51］Fig.5 Strength degradation curves and accumulated ductility of geopolymer concrete and conventional concrete exterior beam-column joints［48，50－51］

通過對J1和J4這2組試驗結果進行計算（將試件的最大位移比上試件屈服時的位移），可以發現地聚物混凝土試件的累積延性系數比普通混凝土試件高了43%和13%。但是J3組的試驗結果顯示地聚物混凝土試件的延性系數相較于普通混凝土試件小了23%。地聚物混凝土邊節點在延性方面存在的分歧與地聚物混凝土材料方面（地聚物混凝土強度、所采用的原料及堿激發劑模量）的差異有關。在地聚物混凝土強度對基體脆性的影響方面，早前研究［19］表明隨著地聚物混凝土抗壓強度的提高，其破壞時的特征長度（一種反映混凝土脆性的材料參數，與斷裂能及彈性模量成正比，而與劈裂抗拉強度成反比［64］）會顯示出下降的趨勢，這解釋了J3試驗組中制備的抗壓強度為66.1 MPa的地聚物混凝土節點表現出更明顯脆性的原因。在所采用原料對基體脆性的影響方面，有的研究人員［65］發現F級粉煤灰基地聚合物混凝土比普通混凝土具有更高的斷裂能，并且其破壞時的撓度更大，這說明F級粉煤灰基地聚物混凝土構件比普通混凝土構件具有更強的延性；而礦渣基地聚物混凝土構件在破壞前的特征長度小于對應的普通混凝土構件，表現出更大的脆性［66］。地聚物混凝土節點GCJ1選用的原料為F級粉煤灰，而GCJ3則采用了GGBS與粉煤灰混合作為主要的原料，這可能是兩組試驗中試件節點延性差異的另一個重要原因。而雖然GCJ4也是用GGBS和白云石作為主要原料制備了抗壓強度為72.5 MPa的高強地聚物混凝土，但其卻仍表現出比對應普通混凝土試件更大的延性，作者推測這可能與其選用的堿激發劑模量Ms（SiO2/Na2O）是3組試驗中最大的有關，先前的研究［67］已經證明隨著堿激發劑模量的提高，水化過程中可以提供更多的硅來形成更多的富硅凝膠，富硅凝膠含水量高，排水性大的特點會使基體產生更多微裂縫，基體也因此表現出更佳的延性行為［66］。

1.4 剛度退化

試件的剛度退化一般通過計算同一循環荷載下的割線剛度來表示，其計算公式為［68］：

式中：Pji為處于j次加載位移的第i次循環的荷載峰值；uji為處于j次加載位移的第i次循環的位移峰值。

節點試件出現剛度退化的現象是由于試件的彈塑性特質與低周反復荷載過程中的累積損傷，其在基體的表現形式為混凝土部分的裂縫出現和裂縫發展以及鋼筋的彈塑性變化和其與混凝土之間的粘結滑移［69］。圖6整理了現有地聚物一般層邊節點構件和對應的普通混凝土構件剛度隨循環荷載次數增加的改變情況。可以看出，地聚物混凝土邊節點試件的初始剛度與相對應的普通混凝土邊節點試件相近（J1、J4），甚至更大（J2、J3）。隨著循環次數的增加，所有試件的割線剛度均呈下降趨勢，其中GCJ1的下降速率略大于CCJ1；GCJ2的下降速率明顯大于CCJ2；J3、J4這2組的情況相同，在前中期，普通混凝土試件CCJ3和CCJ3下降速率更大，在后期，地聚物混凝土試件GCJ3和GCJ4的下降速率更大。在接近極限狀態時，地聚物混凝土邊節點試件的割線剛度曲線斜率會出現較為陡峭的下降，這是因為地聚物混凝土在極限狀態下表現出的脆性使得混凝土基體剝落破壞迅速［70－71］，進而導致節點試件剛度急劇下降。先前的研究［72－73］認為地聚物混凝土更為明顯的剛度退化現象是由于其在接近極限狀態下彈性模量驟降的特性。產生這一特性的根本原因這與1.3節論述的強度降低的原因一致，是地聚物混凝土早期更多的微裂縫使得其在極限階段變寬甚至貫穿導致的。

圖6 普通混凝土節點（CCJ）與地聚物混凝土節點（GCJ）在低周反復荷載下的割線剛度［48－51］Fig.6 Stiffness of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）under cyclic loading［48－51］

1.5 耗能能力

節點能夠耗散的能量是評價構件抗震性能最重要的指標。若節點能把更多的能量耗散到外部空間，則其自身受到的損傷將更小。通常，試件的荷載－變形滯回環包圍的面積越大，其能量耗散性能越好。圖7展示了現有地聚物一般層邊節點試件與對應的普通混凝土試件能量耗散能力隨循環荷載次數的變化情況。從圖中可以看到J1和J4這2組試件的研究中，2類混凝土邊節點試件在相同循環荷載次數下的耗能能力相當，J3試驗組結果顯示普通混凝土邊節點試件在接近極限荷載的幾輪循環荷載次數下的耗能能力顯著高于地聚物混凝土邊節點試件，但2種類型混凝土試件的最終耗能能力相當。而進行的半循環荷載試驗的J2試驗組的結果顯示地聚物混凝土節點試件能承受半荷載下的耗能能力強于普通混凝土試件。另外，J0組的試驗結果也表明在單調荷載作用下，地聚物混凝土節點試件破壞時耗散的能力是大于普通混凝土節點試件的。

圖7 普通混凝土節點（CCJ）與地聚物混凝土節點（GCJ）在低周反復荷載下的能量耗散能力［48-51］Fig.7 Energy dissipation capacity of of conventional concrete joints（CCJ）and geopolymer concrete joints（GCJ）［48-51］

上述地聚物與普通混凝土邊節點試件在能量耗散方面表現出的不同可以由2類混凝土試件在單調荷載與低周反復荷載下的破壞機理差異來解釋。當地聚物混凝土基體承受靜力荷載時，其界面過渡區的強度起到主要控制作用［74］。早前的研究［75－76］已經證明地聚物混凝土相較于普通混凝土有著強度更高，更密實、均勻的界面過渡區，這使得其斷裂能更高。但是在地聚物混凝土節點試件受到低周反復作用時，基體上產生的裂縫可能穿過骨料，界面過渡區將不再是最薄弱的區域，決定能量耗散的區域由界面過渡區轉為了鋼筋混凝土基體本身的內摩擦或節點的開裂、轉動和位移等［19］，相較于普通混凝土節點試件，地聚物混凝土節點試件在能量耗散能力方面可能將不再有優勢。

2 改善地聚物混凝土節點性能的措施

地聚物混凝土一般層邊節點在低周反復加載過程中，節點延性、節點耗能等方面與普通混凝土一般層邊節點類似或更優。但是在強度降低和剛度退化方面相較于普通混凝土邊節點更加明顯。過大的強度降低和剛度退化率對于結構的穩定性是不利的，針對這2方面的缺陷，可以摻加纖維改善其性能；也可以通過改變節點構造形式以獲得更好的性能。

2.1 摻加鋼纖維

在混凝土構件中摻加鋼纖維是非常常規的改善構件性能的措施。先前的研究已經證明在地聚物砂漿或混凝土試件中摻加纖維可以增強其韌性［77－79］、抗彎強度［8，30］、抗拉強度［80］及與鋼筋的粘結強度［25］等力學性能，并且可以減小地聚物混凝土的早期收縮［81］。鋼纖維的摻入對于地聚物混凝土一般層邊節點與普通混凝土節點的各項性能的影響整理于表4。可以看到在地聚物混凝土節點中摻入鋼纖維可以顯著增加其延性和能量耗散能力，并且對其剛度退化和極限承載力也有一定改善。隨著鋼纖維體積分數的增大，這些影響的效果也會增加。

表4 摻加鋼纖維對地聚物梁柱節點試件性能的影響Table 4 The influence of adding steel fiber on the performance of geopolymer beam-cdumn joints

圖8顯示了摻加鋼纖維的節點試件的裂縫發展情況，通過圖3與圖8的對比可以看到鋼纖維的加入使得節點試件上較大寬度裂縫的數量明顯變少，取而代之的是寬度較小的微裂縫數量增多。在承載力方面，早前的研究結果［48－49］顯示鋼纖維的摻入對于地聚物混凝土節點試件的開裂荷載并沒有明顯的提高，摻入0.75%的鋼纖維后地聚物混凝土節點開裂荷載與不摻鋼纖維的試件一樣仍為6 kN［49］。但是在所有研究中，鋼纖維的摻加均能夠提高地聚物混凝土試件的極限承載力，提高的程度為5.1%～33%。

圖8 摻鋼纖維的普通混凝土邊柱節點（SFRCCJ）與摻鋼纖維的地聚物混凝土邊柱節點（SFRGCJ）在低周反復荷載下的破壞形態［48，51］Fig.8 Failure mode of conventional concrete joints with steel fiber（SFRCCJ）and geopolymer concrete joints with steel fiber（SFRGCJ）under cyclic loading［48，51］

在節點延性方面。以0.5%的體積分數把鋼纖維摻入得到的地聚物混凝土邊節點試件SFRGCJ1的位移延性由3.68增加到4.56，而同樣摻入0.5%鋼纖維的普通混凝土節點試件SFRCCJ1的位移延性由2.50增加到3.86［48］；將鋼纖維分別以0.25%、0.5%、0.75%的體積分數在摻入地聚物混凝土節點得到的SFRGCJ4－0.25、SFRGCJ4－0.50、SFRGCJ4－0.75試件分別比不摻鋼纖維的地聚物試件的延性系數增加了14.7%、32.9%及58.8%［51］。

在剛度退化方面，J1［48］與J4［51這2組研究結果顯示摻加鋼纖維可以減緩地聚物混凝土試件的割線剛度降低速率，使其在剛度退化表現上與普通混凝土試件類似，并且改善其在接近極限狀態時的剛度驟降現象（圖9）。

圖9 不摻與摻入纖維的普通混凝土節點（CCJ，SFRCCJ）及不摻與摻入纖維的地聚物混凝土邊柱節點（GCJ，SFRGCJ）在低周反復荷載下的割線剛度［48，51］Fig.9 Stiffness of conventional concrete joints without and with steel fiber（CCJ,SFRCCJ）and geopolymer concrete joints without and with steel fiber（GCJ,SFRGCJ）under cyclic loading［48，51］

在對抗震性能最重要的耗能能力方面，Datta等［49］的試驗結果顯示鋼纖維的摻入能使地聚物混凝土節點試件的耗能能力上升驚人的195%。摻入0.5%鋼纖維的試件SFRGCJ1的耗能能力由98 kN·mm增加到280 kN·mm，而相同體積分數的鋼纖維只能讓普通混凝土邊節點試件SFRCCJ1的耗能能力由148 kN·mm增加至170 kN·mm［48］。SFRGCJ4－0.25、SFRGCJ4－0.50、SFRGCJ4－0.75的試驗結果顯示0.25%、0.5%、0.75%體積分數的鋼纖維分別能讓地聚物混凝土試件的耗能能力增加32%、95%及122%［51］。

鋼纖維摻入的影響可以歸因于4個方面：化學物理粘接作用、靜摩擦作用、摩擦作用、機械咬合作用，后三者一并稱為“廣義摩擦力”［82］。鋼纖維在宏觀構件層面通過摩擦作用和機械咬合作用限制了地聚物混凝土構件的開裂程度與主裂縫的發展，將能量通過更多的微裂縫來耗散；在微觀層面，纖維與地聚物基體之間、纖維與纖維之間的物理粘接作用及廣義摩擦力的增強彌補了地聚物混凝土材料脆性的缺點［83］，使得基體具有更高的節點延性、承載力和耗能能力。另外先前的研究證明鋼纖維的摻入可以使地聚物混凝土的彈性模量增加約5.3%至7.6%［48－49］，這使其具有更佳的剛度退化表現。關于摻加鋼纖維對于地聚物節點的性能影響，有一些問題需要在未來的研究中引起重視，一是最佳的纖維摻加量和纖維長度。二是2種膠凝材料中鋼纖維的取向問題。

2.2 新型節點形式

轉移梁端塑性鉸、梁端水平加腋和梁筋附加錨板等措施［84－87］已運用于改善普通混凝土節點的性能。但目前對于改善地聚物混凝土梁柱節點的結構措施的研究非常少。

Ngo等［50］提出了一種新型干連接節點形式。其使用2根碳纖維增強聚合物（CFRP）預應力螺栓來代替傳統鋼螺栓來連接柱與梁，以避免鋼螺栓腐蝕問題。所采用的CFRP螺栓和新型干連接地聚物混凝土邊節點試件的細節見圖10。試驗結果表明CFRP螺栓在地聚物混凝土節點中的應用可以最大程度地減少試件在低周反復荷載作用下裂縫的產生與發展，并且避免了地聚物混凝土的脆性破壞（圖11）。另外，新型干連接節點能夠緩解地聚物混凝土節點在接近極限狀態時的剛度急劇退化問題，但是在加載的初期，剛度退化趨勢相較于普通形式節點更明顯，這是CFRP螺栓相較于鋼螺栓初期剛度更低導致的，新型干連接節點試件與普通形式地聚物混凝土試件在承載力、節點延性及能量耗散等方面的對比見表5。可以看到，除了改善了開裂荷載和極限荷載，新型干連接還使得試件在3%層間位移角時的能量耗散能力上升。試驗中觀測到的新型干連接節點試件的節點延性的下降可能與試驗中的儀器故障有關，預期新型干連接地聚物混凝土節點試件的延性可能與普通形式地聚物混凝土試件相似，甚至優于普通形式地聚物混凝土試件。

圖10 新型干連接地聚物混凝土邊節點試件細節圖［50］Fig.10 Detail drawing of the new tyre of connected ground polymer concrete edge joint specimen［50］

圖11 不同構造形式的地聚物混凝土節點破壞模式［50］Fig.11 Failure mode of different structural type of GC joint［50］

表5 新型干連接節點與現澆節點性能的對比Table 5 Comparison of performance between CFRP bolts dry joint and monolithic joint

3 現有規范對地聚物混凝土節點的適用性

目前世界范圍內還未有地聚物混凝土的梁柱節點設計規范，設計均采用普通混凝土相關設計規范。為了促進地聚物混凝土在實際工程中的應用，對我國現有標準《混凝土結構設計規范》（GB 50010－2010）［88］和美國標準（ACI 318－19）［89］就地聚物混凝土一般層邊節點的適用性進行了評估和討論。

早前的研究已經證明現有普通混凝土設計規范（GB 50010－2010和ACI 318－19）適用于地聚物混凝土梁的設計［31－32，40］，這里主要評估現有規范中節點抗震性能（節點核心區的抗剪承載力）計算模型對于地聚物混凝土邊節點設計的適用性。現有地聚物混凝土一般層邊節點試驗試件均按照“強柱弱梁”概念設計，破壞形式均為梁端受彎破壞，基于現有試驗結果，文中按照現有普通混凝土設計規范模型計算出節點核心區的抗震受剪承載力，與試驗得到的發生梁端破壞時的實際極限承載力進行比較。

當邊節點破壞形式為梁端受彎破壞時，節點的極限承載力Pmax1由梁端的正截面受彎承載力控制，試驗中實際測得受彎破壞的極限承載力為Pmax1.exp。當邊節點破壞形式為核心區剪切破壞時，節點的極限承載力Pmax2由節點核心區的受剪承載力控制。由GB 50010－2010和ACI 318－19計算出節點核心區受剪承載力（計算公式詳見文獻［88］與［89］），通過平衡方程可以得到節點在核心區剪切破壞時的理論極限承載力Pmax2.T：

式中：Vc為柱頂（底）剪切力；T為梁在彎矩作用下受拉鋼筋所受拉力；VJ為梁柱節點核心區受到的水平剪切力；Pmax2.T為節點在核心區剪切破壞形式下的理論極限承載力；Lb為荷載點至柱心得距離。

如果計算出的受剪承載力Pmax2.T大于實際受彎破壞的極限承載力Pmax1.exp，則說明現有普通混凝土規范的節點核心區抗剪計算模型可以用于地聚物混凝土邊節點的抗震設計，按一定安全富余設計出來的邊節點能夠在地震作用下發生要求的延性破壞（梁端受彎破壞）；如計算出的受剪承載力Pmax2.T小于實際極限承載力Pmax1.exp，則按計算應先出現節點核心區剪切破壞（與試驗結果出現的梁端受彎破壞不同），故現有規范的節點核心區抗剪計算模型不適用于地聚物混凝土邊節點的抗震設計，預測模型對于地聚物節點來說過于保守。計算結果列于表6，可以看到計算出的受剪承載力Pmax2.T均大于實際極限承載力Pmax1.exp，試件的梁端先發生破壞，這與試驗結果一致，同時也說明現有規范中的預測模型可以用于地聚物混凝土邊節點的設計。

表6 地聚物混凝土試件試驗承載力與理論承載力Table 6 Experimental and theoretical bearing capacity of geopolymer concrete joints

現有試驗中的節點試件破壞形式未出現梁柱節點核心區剪切破壞，所以無法從試驗結果判斷現有普通混凝土設計規范對于地聚物混凝土節點的核心區抗剪承載力計算的準確性。未來需要進行不是基于“強柱弱梁”或“強節點弱構件”的地聚物混凝土節點試驗，通過使節點試件產生核心區剪切破壞獲得實際承載力Pmax2.exp，并將其與基于現有普通混凝土規范計算的理論核心區受剪承載力Pmax2.T進行比較從而探究上述問題。另外，現有文獻中的試驗試件設計均滿足現有規范中的限制條件，且均未發生脆性破壞，說明現有規范限制條件可以用于地聚物混凝土邊節點的設計。但現有文獻中的試驗未涉及剪壓比、軸壓比、體積配箍率和錨固長度等抗震設計限制條件的研究，這是判定現有標準對于地聚物混凝土節點設計適用性及保守性的關鍵，也是亟待研究的重點問題。

4 結論

文中對地聚物混凝土一般層梁柱邊節點的研究進展進行了綜述和分析討論，可以得出以下結論：

（1）地聚物混凝土梁柱邊節點無論是在單調荷載還是在低周反復荷載作用下的裂縫的產生與發展、試件的破壞特點及開裂荷載均與普通混凝土梁柱邊節點相似。但地聚物混凝土梁柱邊節點的極限荷載與極限位移試驗結果卻有差異。

（2）地聚物混凝土一般層邊節點的荷載－位移曲線在整體趨勢上與普通混凝土一般層邊節點相似，但是地聚物邊節點相較于普通混凝土試件會表現出更明顯的強度降低和剛度退化，這歸因于地聚物混凝土材料的脆性。目前對于地聚物混凝土邊節點的節點延性研究結果存在較大差異，這與地聚物混凝土的材料特性有很大關系。另外，2類混凝土邊節點在相同循環荷載次數下的耗能能力基本相當。摻入鋼纖維可以顯著增加地聚物混凝土一般層邊節點的延性和能量耗散能力，并且對地聚物混凝土節點的剛度退化與極限承載力有一定改善。

（3）現有普通混凝土設計規范（GB 50010－2010和ACI 318－19）中的節點核心區剪力計算模型及限制條件可以保證地聚物一般層梁柱邊節點能夠保證在地震作用下發生延性破壞（梁端受彎破壞）。