岳哲萌 王嘯霆 王濤

摘 要：通過一按照現(xiàn)行中國規(guī)范中“強節(jié)點”原則設(shè)計的高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)中提取出的3個不同位置的梁柱節(jié)點縮尺模型的擬靜力試驗，研究框架結(jié)構(gòu)中不同位置梁柱節(jié)點的抗震性能，試驗采用柱端加載，同時考慮了樓板對節(jié)點抗震性能的影響，分析其延性、剛度、承載力、耗能等性能指標(biāo)，并對裂縫開展情況做了詳細(xì)記錄，與構(gòu)件的力學(xué)指標(biāo)進行比對，將損傷狀態(tài)與力學(xué)指標(biāo)對應(yīng)起來，為完善鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點的易損性曲線及為相關(guān)結(jié)果信息提供試驗依據(jù)。試驗發(fā)現(xiàn)：框架結(jié)構(gòu)不同位置的節(jié)點破壞形式不同，底層節(jié)點破壞形態(tài)表現(xiàn)為彎曲破壞，破壞主要集中在梁端和柱腳，節(jié)點區(qū)未發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象，而頂部節(jié)點節(jié)點區(qū)發(fā)生剪切破壞。結(jié)果表明：極高水平的節(jié)點區(qū)強節(jié)點系數(shù)和柱端彎矩放大系數(shù)可以完全避免梁柱節(jié)點區(qū)出現(xiàn)需要修補的損傷，實現(xiàn)節(jié)點彈性化，也不會削弱組合件的延性。

關(guān)鍵詞：框架剪力墻結(jié)構(gòu);梁柱組合件;強節(jié)點弱構(gòu)件;抗震性能

中圖分類號：TU375.4;TU317 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2021）03-0093-08

Abstract： Through a quasi-static test of three beam-column joint scale models extracted from the high-rise frame-shear wall structure designed according to the "strong joint" principle in the current national code， the seismic performance of beam-column joints at different positions in frame structures is studied. The test adopts column end loading， considering the influence of the floor slab on the seismic performance of the joint， and analyzes its ductility， stiffness， bearing capacity， energy consumption and other performance indicators. During the test， the development of the cracks was recorded in detail and compared with the mechanical indexes of the components to relate the damage state with the mechanical indexes. The test provides test basis for improving the vulnerability curve and relevant consequence information of the reinforced concrete frame beam-column joints. It is found that the failure modes of the joints at different positions of the frame structure are different. The failure modes of the bottom nodes are shown as bending failure， and the failure is mainly concentrated in the beam ends and column feet toe. No obvious failure in the joint area， while the shear failure occurs in the top joint area. The test results show that the strong joint coefficient and the column end bending moment amplification factor at an extremely high level can completely avoid the damage that needs to be repaired in the beam column joint area， achieve the elasticity of the node， and will not weaken the ductility of the assembly.

Keywords：frame-shear wall structure; beam-column assemblies; strong joint weak component;seismic performance

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是目前最普遍的結(jié)構(gòu)形式，而節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)中傳力的樞紐，起著傳遞和分配內(nèi)力及保證結(jié)構(gòu)整體性的作用。在地震中，節(jié)點往往承受很大的剪力作用，極易發(fā)生剪切脆性破壞。鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點的試驗研究從20世紀(jì)60年代末開始，學(xué)者們對不同類型梁柱節(jié)點的抗震性能進行了大量試驗研究。呂西林等[1]對6個RC框架梁柱組合件的抗震性能進行研究，并對塑性鉸區(qū)域的彎曲變形、剪切變形和縱向鋼筋的粘結(jié)滑移以及節(jié)點區(qū)的剪切變形所產(chǎn)生的側(cè)移占框架結(jié)構(gòu)總側(cè)移的比例進行了分析。傅劍平等[2]將在梁端或柱端縱筋屈服后可能發(fā)生剪切失效或破壞的節(jié)點的受力特征分為斜拉型、斜壓型和斜拉斜壓復(fù)合型3類。近年來，鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點依舊是工程領(lǐng)域研究的熱門問題。王麗萍等[3]研究了梁軸向約束效應(yīng)對節(jié)點抗剪需求、抗剪承載力及損傷破壞模式的影響;Wang等[4]提出了一種采用鋼絞線提供自復(fù)位能力的新型預(yù)應(yīng)力預(yù)制鋼筋混凝土梁柱節(jié)點;鄭黎君等[5]設(shè)計了一種采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線拼接的預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)并建立了彎矩與節(jié)點轉(zhuǎn)角關(guān)系的理論分析模型;Rajeev等[6]研究了梁柱節(jié)點在意外和有意沖擊荷載作用下的損傷及破壞模式;Ma等[7]對13個鋼管混凝土柱鋼筋混凝土梁節(jié)點的抗震性能進行了試驗研究，得出了4種典型的破壞模式。

目前已有的大多數(shù)對梁柱節(jié)點的研究是為了探究節(jié)點的破壞規(guī)律，試驗體多采用“弱節(jié)點”，而實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時都是按照“強節(jié)點弱構(gòu)件”來設(shè)計，如果按照這些既有試驗結(jié)果來建立節(jié)點的易損性數(shù)據(jù)庫，用以評價節(jié)點的易損性[8-9]，會將結(jié)構(gòu)的損傷放大，因此，有必要對實際結(jié)構(gòu)中節(jié)點的抗震性能進行研究。

空間梁柱節(jié)點的加載方式主要有梁端加載和柱端加載兩種方案，目前對于梁柱節(jié)點的研究多采用梁端加載的方式，梁端加載雖然節(jié)點區(qū)的受力狀態(tài)與實際結(jié)構(gòu)基本一致，但未能體現(xiàn)重力作用下的二階效應(yīng)（P-Δ效應(yīng)）。包坤[10]進行了4個中間層中節(jié)點柱端加載的低周反復(fù)加載試驗，將其試驗結(jié)果與收集到的相同參數(shù)的梁柱組合試驗體采用梁端加載方式進行試驗得到的結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，梁端加載與柱端加載兩種不同的加載方式對試驗結(jié)果確實有一定影響。為了更真實地模擬實際梁柱節(jié)點的受力狀態(tài)，試驗采用柱端加載。

筆者進行了3個不同位置的梁柱節(jié)點在豎向軸壓力下的低周往復(fù)試驗，探究了不同位置梁柱節(jié)點破壞形態(tài)、承載能力、變形能力和耗能能力等。

1 試驗概況

1.1 試驗體設(shè)計

圖1所示為一棟按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2016版）》（GB 50010—2010）[11]和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[12]設(shè)計的高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的平面圖，選取首層邊柱、中柱節(jié)點和頂層中節(jié)點為研究對象。原型結(jié)構(gòu)采用PKPM軟件進行設(shè)計，按照2∶3的縮尺比例設(shè)計本試驗的3個梁柱組合件，分別為試驗體RCJ-1.1、RCJ-1.2和RCJ-18。

為保證“強柱弱梁”和“強節(jié)點弱構(gòu)件”，實現(xiàn)“梁鉸→柱鉸→彈性節(jié)點”的預(yù)期失效路徑，參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）中第11.4.1條、11.6.2條和11.6.4條，分別采用式（1）和式（2）計算柱端彎矩放大系數(shù)ηc和節(jié)點區(qū)強節(jié)點系數(shù)γj。結(jié)果如表1所示，顯然，試驗體RCJ-1.1和RCJ-1.2顯著提高了兩個參數(shù)的設(shè)計值，而試驗體RCJ-18的強節(jié)點系數(shù)也較大。

圖2為試驗體RCJ-1.1的尺寸及配筋詳圖。試驗體RCJ-1.2為底層中間節(jié)點，其配筋及尺寸同RCJ-1.1;試驗體RCJ-18為頂層中間節(jié)點，層高為1 200 mm，梁的跨度同RCJ-1.1;柱縱筋為414+1012，箍筋為Φ8@100。試驗體的梁、板、柱的混凝土等級均為C40，縱筋等級為HRB400，箍筋等級為HRB335，主要材料的性能詳見表2。

1.2 加載方案

全部試驗在中國地震局工程力學(xué)研究所恢先地震工程綜合實驗室進行，試驗加載裝置如圖3所示。試驗體固定在反力地板上，梁端采用鉸接方式與反力地板連接，設(shè)置兩組面外約束支架限制試驗體的面外變形。柱頂加載端分別連接豎向、水平向2臺液壓千斤頂，其中，豎向千斤頂與加載框架采用隨動滑板連接。

先施加豎向荷載至預(yù)定值并保持恒定，然后進行水平向低周往復(fù)加載。水平加載采用位移控制，控制點位于梁頂。參考FEMA461[13]提供的方法確定試驗的層間位移角幅值依次為1/800、1/550、1/300、1/200、1/140、1/100、1/70、1/50、1/30、1/20，每級荷載循環(huán)兩次。發(fā)生不適于繼續(xù)加載的損傷或荷載下降至最大荷載的85%以下時，停止加載。

1.3 測量方案

試驗各測點的位置如圖4所示，主要包括：1）梁、柱及基礎(chǔ)的絕對位移;2）梁端、柱端及節(jié)點區(qū)的彎曲、剪切變形;3）梁端、柱端主要縱向鋼筋的應(yīng)變;4）梁端、柱端及節(jié)點區(qū)主要箍筋的應(yīng)變。

2 試驗過程及現(xiàn)象

試驗體RCJ-1.1加載至層間位移角θ=1/800時，梁端出現(xiàn)細(xì)微裂縫。θ=1/550時，梁端1.0hb范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的彎曲裂縫，最大寬度0.2 mm;同時，首層柱底1.0hc范圍內(nèi)出現(xiàn)彎曲裂縫。θ=1/140時，梁端出現(xiàn)剪切斜裂縫。θ=1/70時，梁端通縫形成。θ=1/50時，柱底出現(xiàn)剪切斜裂縫，裂縫基本出齊。θ=1/30時，梁端張開明顯，角部混凝土壓潰，可見部分鋼筋;柱腳混凝土部分壓潰。θ=1/20時，短跨梁底主筋斷裂，柱腳壓潰區(qū)域擴大，承載力下降至峰值的85%以下，試驗終止。試驗體RCJ-1.1最終破壞如圖5（a）所示，為典型的梁端彎曲破壞模式，節(jié)點區(qū)未出現(xiàn)明顯裂縫。最終破壞形態(tài)顯示，無論長短跨，梁上裂縫集中于2.0hb范圍內(nèi)，以彎曲裂縫為主;而首層柱底裂縫集中于2.0hc范圍內(nèi)，1.0hc范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的交叉斜裂縫，并出現(xiàn)約25%的混凝土保護層剝落和壓潰。

試驗體RCJ-1.2的損傷與試驗體RCJ-1.1相似，如圖5（b）所示。不同點在于：1）θ=1/140時，短跨梁上翼緣發(fā)展出的斜裂縫數(shù)量明顯多于RCJ-1.2，且分布范圍也更廣;2）柱底損傷程度明顯降低，試驗終止時，僅在1.0hc范圍內(nèi)形成一條水平通縫和一條斜裂縫。

頂層節(jié)點試驗體RCJ-18首先在梁、柱中出現(xiàn)較多的彎曲裂縫，層間位移角θ達到1/100后，節(jié)點區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)剪切斜裂縫。層間位移角θ達到1/50后，梁上出現(xiàn)明顯的剪切斜裂縫。由于加載裝置空間限制，未加載至承載力下降即終止加載，試驗體最終破壞形態(tài)如圖5（c）。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滯回曲線及骨架線特性

圖6所示為試驗體位移角水平荷載滯回曲線。試驗體RCJ-1.1和RCJ-1.2在加載初期滯回曲線呈直線變化且基本無殘余變形，處于線彈性階段。屈服前，兩者的滯回曲線非常接近。屈服之后，兩者的滯回曲線形狀和骨架線趨勢出現(xiàn)了明顯的分化。試驗體RCJ-1.1的承載力迅速達到峰值并緩慢下降，滯回環(huán)更加飽滿，而試驗體RCJ-1.2在位移角達到1/50后承載力開始下降，滯回環(huán)的飽滿程度相對較低。導(dǎo)致這種分化的原因主要在于豎向軸壓對試驗體RCJ-1.2柱腳受剪承載力的加強，使其柱腳損傷降低，耗能削弱;而試驗體RCJ-1.1在大變形下，梁端和柱腳位置的塑性鉸區(qū)同時參與耗能。加載后期（位移角約達到1/50后），伴隨柱腳損傷（混凝土保護層壓潰、鋼筋的屈服）的迅速開展，承載力降幅明顯。試驗體RCJ-18的滯回曲線飽滿程度較低，且大變形時出現(xiàn)較明顯的捏攏效應(yīng)，原因在于：1）柱先于梁發(fā)生屈服，導(dǎo)致梁鉸推遲出現(xiàn)，影響了組合件的耗能性能;2）節(jié)點區(qū)的損傷導(dǎo)致鋼筋滑移程度增大，降低了梁端塑性鉸區(qū)的耗能。

3.2 剛度退化

以各幅值下第1圈加載過程中的峰值承載力點計算得到的割線剛度表征試驗體抗側(cè)剛度的變化趨勢，各試驗體的割線剛度位移角關(guān)系曲線如圖7所示。對比試驗體RCJ-1.1和RCJ-1.2的曲線可以發(fā)現(xiàn)：1）樓板及垂直方向小尺寸（梁寬<0.5×柱寬）框架梁對加載方向抗側(cè)剛度的貢獻很小，樓板開裂后，其貢獻近似可以忽略;2）屈服前，試驗體RCJ-1.1的剛度退化速度高于試驗體RCJ-1.2，整個加載過程中，試驗體RCJ-1.2的剛度退化趨勢更緩和。試驗體RCJ-18的剛度退化趨勢與試驗體RCJ-1.2相近，降速相對緩慢。

3.3 延性

結(jié)合圖6的骨架曲線，將各試驗體的重要特征參數(shù)列于表3中。其中，屈服點為試驗體主要截面位置處縱向鋼筋首次達到屈服對應(yīng)的加載工況幅值點，極限點為試驗體骨架線上承載力降至峰值荷載的85%對應(yīng)的點。試驗體RCJ-1.1和RCJ-1.2在位移角θ=1/300至θ=1/200時，梁端縱筋發(fā)生屈服，同時于位移角達到θ=1/30時達到承載力極限。兩個底層梁柱組合件的延性系數(shù)最小為6.7，均值達到8.4，具有很強的延性。試驗體RCJ-18（頂層梁柱組合件）約在位移角θ=1/80時發(fā)生柱縱筋屈服。由于該試驗體未加載至實際的極限位移，故其延性系數(shù)僅具備一定的參考價值。

3.4 耗能能力

參考《建筑抗震試驗方法規(guī)程》，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力用其滯回曲線滯回環(huán)圍成的圖形面積來衡量，其滯回環(huán)越飽滿表示其耗能能力越強。從滯回曲線看，RCJ-1.1的滯回曲線很飽滿，證明其耗能能力強，而RCJ-18耗能能力則較差。圖8為各試驗體的滯回耗能位移角關(guān)系曲線。其中，試驗體RCJ-1.1和RCJ-1.2在1/20位移角下的滯回耗能僅為單周耗能值，其余均為加載兩圈的耗能值?？梢园l(fā)現(xiàn)，由屈服點向峰值點變化的過程中，試驗體RCJ-1.1的耗能值高于試驗體RCJ-1.2。峰值點之后，兩者耗能能力趨同。試驗體RCJ-18的總體耗能水平較低，耗能機制的發(fā)揮相對滯后。

3.5 應(yīng)變分析

表4中列出了試驗體RCJ-1.1節(jié)點區(qū)周邊的縱筋和箍筋的應(yīng)變水平變化情況，各工況下數(shù)值為正負(fù)向加載過程中鋼筋經(jīng)歷的最大應(yīng)變。表中列出依據(jù)鋼筋實測強度計算出的屈服微應(yīng)變值?？梢园l(fā)現(xiàn)：1）梁端縱筋屈服是試件屈服的起點;2）梁端剪切失效是試件承載力達到極限的主要原因;3）節(jié)點區(qū)附近柱箍筋較早出現(xiàn)屈服，而柱縱筋始終處于彈性狀態(tài)。

3.6 等效粘滯阻尼系數(shù)

表5中列出了3個試驗體各個工況下兩周加載時的等效阻尼系數(shù)。可以發(fā)現(xiàn)：1）邊節(jié)點的初始等效阻尼系數(shù)最大，隨著加載幅值的增大，阻尼明顯降低;2）中間節(jié)點等效阻尼系數(shù)在0.2左右，隨著加載的進行變化不大;3）頂層中間節(jié)點試驗體的等效阻尼系數(shù)在0.2～0.08之間變化。

4 結(jié)論

通過對高層框剪結(jié)構(gòu)中3個不同位置梁柱組合件的擬靜力試驗和分析，通過構(gòu)造“強節(jié)點弱構(gòu)件”獲得了不同于其他“弱節(jié)點強構(gòu)件”型梁柱組合件試驗的抗震性能和破壞特點。

1）極高水平下的節(jié)點區(qū)強節(jié)點系數(shù)和柱端彎矩放大系數(shù)可以完全避免梁柱節(jié)點區(qū)出現(xiàn)需要修補的損傷，實現(xiàn)節(jié)點彈性化。同時，不會削弱組合件的延性性能。組合件的主要破壞模式表現(xiàn)為梁端彎曲失效及柱鉸剪切失效。

2）試驗體的破壞模式與多數(shù)組合件試驗結(jié)果相差較大，由“弱節(jié)點”型試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建的“梁柱組合件”易損性模型[9]難以準(zhǔn)確評估該類型梁柱節(jié)點的抗震性能，需要對此進行進一步研究。

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（編輯 章潤紅）