尚宏偉， 楊 勇

1中材建設有限公司（063030） 2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

1 試驗概況

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》中的有關規(guī)定[4]，設計制作了9個縮小比例尺的框架邊節(jié)點試件,試件尺寸及模擬邊界條件如圖1所示。由于采用木模板澆筑，每個試件尺寸略有偏差，因此柱、梁的實際長度和截面尺寸以試件的實測值為準，其中柱、梁的實際長度分別用lc和lb表示。圖1中填充區(qū)摻加鋼纖維，其中摻入節(jié)點外的柱中50mm，摻入節(jié)點外的梁中為 80mm、125mm、250mm。

混凝土強度等級為C60。水泥為42.5級的普通硅酸鹽水泥；纖維為銑削型鋼纖維，長徑比為34.24；砂子為中級河砂，級配良好；石子為碎石，粒徑在5～20之間。高強混凝土和鋼纖維高強混凝土的配合比設計見表1。試件采用室外澆筑、成型、自然養(yǎng)護，共澆筑 9個試件，分為 A、B、C、D四個系列，試件尺寸及節(jié)點核心區(qū)配箍等詳見表2。澆筑時預留用于立方體抗壓、軸心抗壓、劈拉、彈性模量試驗的試塊各三個。

表1 鋼纖維高強混凝土試驗配合比（kg/m3）

梁、柱截面配筋及箍筋布置如圖2所示。試件成型前，在梁、柱中有關位置的鋼筋上埋置應變片，用來量測縱向鋼筋和箍筋的應變。核心區(qū)四個預埋銷釘處各有一個電測百分表，對角線兩端的兩個百分表的探頭保持在一條直線上，用來測量核心區(qū)剪切變形。由于試驗機的制動器包含有位移傳感器，故梁端位移計在部分變形較大的試件中并未使用。在每次試驗中,梁塑性鉸區(qū)上下表面百分表和位移計與梁表面的距離略有不同，以量測的實際值為準。

采用多功能液壓伺服疲勞試驗機對梁端進行低周反復加載，柱端用200 t液壓千斤頂施加軸力，研究在模擬地震荷載作用下鋼纖維對于高強混凝土節(jié)點核心區(qū)及梁端塑性鉸的影響。采用荷載-變形混合控制的加載制度，分兩個階段:1）荷載控制階段:分為兩個循環(huán)，第一循環(huán)加載到計算屈服荷載的75%；第二循環(huán)加載至計算屈服荷載，并記下屈服位移用于后期的位移控制。2）位移控制階段:位移控制從1倍位移開始，逐次增加至2倍、3倍、4倍等，每級位移循環(huán)2次，直至試件承載力降低到最大承載力的85%時，可認為試 件破壞。

表2 試件參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 滯回曲線

節(jié)點在受荷過程中，其梁端的位移是由核心區(qū)、節(jié)點區(qū)域的梁和柱的彈性和塑性變形共同影響而形成的。所以，鋼纖維高強混凝土框架節(jié)點梁端的荷載-變形滯回曲線可以反映試件在整個反復荷載作用下的變形和耗能能力，是描述試件延性的重要指標。

核心區(qū)配箍率對框架節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線影響的對比見圖4和圖5。與配箍率為0.87%的A-1試件相比,配箍率為0.43%的A-2試件的后期非彈性變形過程中有明顯的“捏縮”現(xiàn)象。這是由于A-2試件核心區(qū)配箍率較小，使其核心區(qū)剪切變形增大,從而造成試件剛度降低而引起的。這也說明節(jié)點核心區(qū)較高的配箍率在地震荷載作用中，能有效提高核心區(qū)抗剪性能，保證節(jié)點核心區(qū)的完整性，較好體現(xiàn)“強柱弱梁、強剪弱彎”的抗震設計原則。當核心區(qū)配箍率為0.43%，并摻入0.5%體積率的鋼纖維時，箍筋與鋼纖維聯(lián)合作用，提高了試件的耗能能力，且滯回曲線較為豐滿，從變化形態(tài)上與配箍率較大的A-1試件較為接近，見圖6。這說明用鋼纖維來替代部分箍筋的做法是可行的。

試驗表明,節(jié)點核心區(qū)用1.0%體積率的鋼纖維來完全替代核心區(qū)箍筋，其耗能效果與核心區(qū)配箍率為0.43%基本相當，見圖5與圖7；但當鋼纖維體積率增加至1.5%時，其耗能效果與核心區(qū)配箍率保持在0.43%、并與在核心區(qū)摻入0.5%體積率的鋼纖維的B-1試件基本相當,也與核心區(qū)配箍率為0.87%的A-1試件基本相當，見圖5、圖7和圖9。這說明，在不影響鋼纖維混凝土和易性的條件下,增大鋼纖維體積率確實能明顯提高節(jié)點試件的抗震性能。

軸壓比對框架節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線也有影響，見圖9、圖7和圖10所示，C-1、B-2和C-2試件的滯回曲線較為一致，滯回環(huán)具有“捏縮”現(xiàn)象。相對而言，軸壓比為0.2的C-1試件和軸壓比為0.4的C-2試件的“捏縮”現(xiàn)象更明顯，軸壓比為0.3的B-2試件在后期大變形期間表現(xiàn)出較好的延性，滯回環(huán)較為豐滿。這是由于三者的核心區(qū)沒有配置箍筋，且鋼纖維體積率都為1.0%，核心區(qū)混凝土在非彈性變形過程中無法提供給鋼筋足夠的粘結(jié)力,使鋼筋過早出現(xiàn)滑移，承載力降低。

鋼纖維摻加范圍對框架節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線的影響見圖11、圖6和圖12。可以看出，鋼纖維摻入節(jié)點外柱中50mm,鋼纖維摻入節(jié)點外梁中80mm、125mm、250mm三種條件下的節(jié)點梁端荷載-變形滯回曲線變化趨勢十分相近，只是B-1試件的鋼纖維體積率較D-1試件和D-2試件略少，因此出現(xiàn)了輕微的“捏縮”現(xiàn)象。這說明用1.0%體積率的鋼纖維替代部分核心區(qū)箍筋能滿足節(jié)點的抗震要求。

2.2 塑性鉸區(qū)截面的曲率延性

試驗的梁端塑性鉸區(qū)截面曲率測量布置如圖14所示，其中s和x分別表示梁上和梁下布置的測表，例如s1表示梁上1號測表。6個測表距離梁表面的距離分別用hsi和hxi表示(i=1,2,3)。

節(jié)點試件在單位長度上的轉(zhuǎn)動稱為曲率。假設節(jié)點梁與柱的交界處為0截面，根據(jù)下式（1）和（2）分別求出距柱邊0～160mm和160～320mm范圍內(nèi)梁截面的平均曲率:

式中，?1、?2分別為距柱邊 0～160mm 和 160～320 mm 范圍內(nèi)梁截面的平均曲率;△si和△xi(i=1,2,3)分別為梁上下表面的6個測表在同一時刻的變化量，mm；h1和h2分別為0～160mm和160～320mm范圍內(nèi)梁截面上下兩個測表間的距離，mm。其中，h1=hs1+hx1+250、h2=hs2+hx2+250。由于在試驗過程中，梁上部的測表和下部的測表都保持在一條直線上，因此有hsi=hs2=hs3和 hxi=hx2=hx3；l1和 l2分別為梁上預埋銷釘之間的間距，l1=l2=160mm。

0～160mm和160～320mm范圍內(nèi)梁截面的曲率延性系數(shù)分別為:

0～160mm范圍內(nèi):

160～320mm范圍內(nèi):

式中，?ui和?yi(i=1,2)分別為兩個范圍內(nèi)梁截面的極限平均曲率和第一次屈服時的平均曲率。

對比節(jié)點試件A-1和A-2的計算結(jié)果可以看出，A-1試件梁端部的變形主要集中在160～320 mm的范圍內(nèi)，0～160mm范圍內(nèi)的變形值相對較小，表現(xiàn)出了較好的塑性鉸區(qū)外移的特性；A-2試件的梁端變形幾乎全部集中在0～160 mm范圍內(nèi)，160～320mm的變形值非常小，這說明節(jié)點核心區(qū)配箍率的大小對框架節(jié)點的梁端變形起著至關重要的作用。節(jié)點核心區(qū)配箍率大，核心區(qū)的剛度會有所加強，可以使梁端塑性鉸朝核心區(qū)相反的方向外移,提高了梁端的變形能力和耗能能力。從圖14可以看出，A-1試件兩個范圍內(nèi)的截面曲率延性系數(shù)一樣,說明按照規(guī)范配筋的框架節(jié)點的梁端部塑性鉸區(qū)的截面變形能力基本一致,裂縫分布較為均勻,但在試件最終破壞時，靠近柱邊的梁截面裂縫寬度較大。

從節(jié)點試件B-1和A-2平均曲率的計算結(jié)果可以看出，鋼纖維體積率為0.5%的B-1試件，不論在0～160mm范圍內(nèi)，還是在160～320mm范圍內(nèi)，梁截面的轉(zhuǎn)動能力都比A-2試件高。當節(jié)點試件屈服時，在0～160mm范圍內(nèi)，B-1試件梁截面轉(zhuǎn)動量和A-2試件基本相等；但在極限狀態(tài)下，B-1試件的梁截面轉(zhuǎn)動量卻是A-2試件的4倍左右。這是因為在B-1試件中摻加鋼纖維后,提高了節(jié)點核心區(qū)的抗剪強度，延緩了核心區(qū)的開裂，提高了試件的承載能力。B-1試件在發(fā)生屈服時，由于核心區(qū)剛度的增強，在160～320 mm范圍的梁截面產(chǎn)生了較多的裂縫，轉(zhuǎn)動變形增大。但從整體來看，B-1試件梁端的塑性鉸主要還是在0～160 mm范圍內(nèi)。從圖14可以看出，B-1試件由于核心區(qū)性能的提高，增加了試件的耗能能力，循環(huán)次數(shù)比A-2要多，最終極限時梁截面的變形能力得以發(fā)揮充分，曲率延性提高。

節(jié)點試件B-2和B-3平均曲率的計算結(jié)果表明,在核心區(qū)沒有配置箍筋的情況下，隨著鋼纖維體積率的增加，B-2試件和B-3試件的主要區(qū)別是160～320 mm范圍梁截面平均曲率的變化。在0～160mm范圍內(nèi)，當構(gòu)件屈服時，B-3試件比B-2試件轉(zhuǎn)動變形略小,這是因為B-3試件的鋼纖維體積率為1.5%，比B-2試件大，核心區(qū)的混凝土抗裂性能較好。由于B-2試件核心區(qū)沒有箍筋約束，核心區(qū)梁筋與混凝土之間的粘結(jié)力由于混凝土內(nèi)部裂縫的形成而迅速退化，核心區(qū)承載力降低，荷載無法完全通過梁傳遞到核心區(qū)部位，在柱邊的裂縫處出現(xiàn)應力集中，裂縫開展迅速，直至破壞。所以160～320mm范圍的梁截面沒有充分發(fā)揮抵抗荷載的作用，變形較小。當鋼纖維體積率增加至1.5%時，節(jié)點核心區(qū)抗剪能力逐漸增強，B-3試件梁截面在屈服后的非彈性變形主要在160～320mm范圍，見圖14。在核心區(qū)混凝土初裂后，剪力主要由鋼纖維承擔，鋼纖維體積率越大，核心區(qū)抗剪能力就越強，梁端塑性鉸就會外移。從梁截面曲率延性的結(jié)果也可以得到相同的結(jié)論。

從節(jié)點試件C-1和C-2平均曲率的計算結(jié)果可以看出，軸壓比對梁截面的影響主要集中在160～320 mm范圍內(nèi)。隨著軸壓力的增大，核心區(qū)柱截面的抗剪能力增強，梁端塑性鉸具有外移現(xiàn)象。但通過和B-2試件的對比發(fā)現(xiàn)，這種變化并不穩(wěn)定。其原因可能是當軸壓力大于一臨界值后，核心區(qū)混凝土內(nèi)部應力重分布，抗剪能力反而降低。但由于C-2試件的柱端軸向力較大，在一定時間內(nèi)增強了核心區(qū)的剛度，使梁截面變形主要集中在160～320mm范圍內(nèi)。

節(jié)點試件B-1、D-1和D-2平均曲率計算結(jié)果表明，隨著鋼纖維摻加范圍的增加,三個試件在兩個范圍內(nèi)的梁截面變形的變化趨勢較為接近,由于B-1試件的鋼纖維體積率比D-1和D-2試件小，B-1試件的梁端截面在0～160mm范圍內(nèi)的變形受核心區(qū)剪切變形影響程度比D-1和D-2試件要大。并且由于D-2試件的鋼纖維摻加范圍最大,達到250mm，D-2試件梁截面在160～320mm范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動量也是最小的。

3 結(jié)論

1）鋼纖維能有效提高高強混凝土框架節(jié)點的抗裂性能、核心區(qū)的剛度和承載能力，改善框架節(jié)點的抗震性能。建議高強混凝土框架節(jié)點中鋼纖維體積率取1.0%～1.5%為宜。

2）鋼纖維的摻加范圍對梁端彎曲變形的影響較為有限。除了對梁截面變形要求嚴格的特殊結(jié)構(gòu)，考慮到成品鋼纖維的價格因素，不建議在實際工程中采用較大的摻加范圍，建議以從柱面算起往外延伸至1倍梁高的距離為限。

3）在高強混凝土框架節(jié)點中摻入鋼纖維，可以適當減少節(jié)點的箍筋用量，提高施工的可操作性，并能獲得較好的抗震性能。在一些特殊情況下，只要滿足施工條件和工程造價，可以用較高體積率的鋼纖維來完全替代核心區(qū)箍筋。

[1] 高丹盈,湯寄予,朱海堂.鋼纖維高強混凝土的配合比及基本性能研究[J].鄭州大學學報（工學版）,2004

[2] 高丹盈,朱海堂,湯寄予.纖維高強混凝土抗剪性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報,2004

[3] 唐九如.鋼筋混凝土框架節(jié)點抗震[M].南京:東南大學出版社,1989:43

[4] GB50010-200,混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S]

[5] GB/T 50081-2002,普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]

[6] CECS-1992,鋼纖維混凝土試驗方法標準[S]