毛宇光，劉鈺中，蘇捷，杜運(yùn)興，胡翔，史才軍

（1.綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南省綠色與先進(jìn)土木工程材料國際創(chuàng)新合作中心，湖南大學(xué)，湖南 長沙 410082；3.建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南大學(xué)，湖南 長沙 410082）

引言

地聚物（geoploymer）是通過堿性激發(fā)劑激發(fā)富含硅鋁酸鹽的礦物質(zhì)獲得的一類新型膠凝材料。堿激發(fā)劑通常為硅酸鈉（Na2O·nSiO2）溶液，富含硅鋁酸鹽的礦物質(zhì)可以是工業(yè)副產(chǎn)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(chǎn)地聚物混凝土比生產(chǎn)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(qū)別在于膠凝組分，它對混凝土的和易性、強(qiáng)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(jié)時(shí)間短［1，9］。硬化地聚物混凝土的早期強(qiáng)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(qiáng)度會(huì)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?yàn)榈鼐畚镏行纬傻腘－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(jié)應(yīng)力－滑移曲線非常相似［21］，地聚物混凝土在與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度方面稍優(yōu)于普通混凝土［22－24］，在相同條件下養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，前者的滑移值相較于相同強(qiáng)度的后者減小了10%［25］。研究發(fā)現(xiàn)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(xué)性能與脆性［8，29－30］。

現(xiàn)有地聚物混凝土的研究大多集中在材料層面，在結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yīng)等均相似，而且兩者的抗剪強(qiáng)度和破壞模式也相近［31－34］。梁的跨深比、配筋率和縱筋強(qiáng)度等對地聚物混凝土梁的抗剪強(qiáng)度有顯著影響［35－38］。另外，研究顯示高強(qiáng)度的礦渣地聚物混凝土梁在破壞時(shí)表現(xiàn)出的脆性明顯大于普通混凝土梁，且隨抗壓強(qiáng)度的提高愈發(fā)明顯［19，39］。有學(xué)者［31，40］認(rèn)為現(xiàn)有普通混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范適用于地聚物混凝土梁的撓度、彎矩和裂縫大小的計(jì)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(qiáng)度與縱向配筋率的上升而增加，柱中撓度會(huì)隨著荷載偏心率的增大、混凝土強(qiáng)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(jié)構(gòu)響應(yīng)與普通混凝土柱，現(xiàn)有混凝土柱的設(shè)計(jì)規(guī)定可以很容易地修改并用于地聚物混凝土柱設(shè)計(jì)。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(xì)小基體顆粒有關(guān)［43］。

梁柱節(jié)點(diǎn)是一類受力非常復(fù)雜的構(gòu)件，其受到來自上下柱和兩側(cè)梁端傳來的軸力、彎矩及剪力，甚至?xí)驗(yàn)榇嬖谄亩嬖谂ぞ兀?4－46］。當(dāng)房屋遭受地震荷載作用時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)也是最容易遭受破壞的部分，它的破壞往往會(huì)造成建筑物的倒塌。

文中綜述了地聚物混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上討論了改善地聚物節(jié)點(diǎn)性能的措施的有效性以及現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范的適用性，為地聚物混凝土的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了一些指導(dǎo)作用。

1 地聚物混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)研究

目前地聚物混凝梁柱節(jié)點(diǎn)的研究還只限于框架結(jié)構(gòu)一般層邊柱處的T型節(jié)點(diǎn)，對于地聚物混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的研究重點(diǎn)是其抗震性能，表1和表2列出了現(xiàn)有地聚物混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究中所采用的配合比和各試件的信息。試驗(yàn)均采用梁端加載，下面的章節(jié)將從破壞模式、荷載－變形關(guān)系、強(qiáng)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(jié)點(diǎn)的異同進(jìn)行討論。

表1 文獻(xiàn)中地聚物與普通混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)配合比Table 1 Mix ratio of geopolymer and conventional concrete beam-column joints in literature kg/m3

表2 文獻(xiàn)中地聚物與對應(yīng)普通混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)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(tài)和裂縫發(fā)展

框架結(jié)構(gòu)一般層梁柱邊節(jié)點(diǎn)因只受單側(cè)梁的約束，所以梁的縱向鋼筋無法貫穿節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，必須通過彎折處理或加錨頭（錨板）等措施錨固于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)，這使其傳力途徑和受力情況非常特殊［52］。一般層邊節(jié)點(diǎn)的破壞模式主要有3類——梁端受彎破壞、核心區(qū)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(jié)點(diǎn)在單調(diào)加載過程中的破壞模式。因?yàn)樵嚰O(shè)計(jì)采用“強(qiáng)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(xiàn)在靠近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的梁端，梁上部靠近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)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(jù)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(tài)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(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載下的破壞形態(tài)［47］Fig.2 Failure mode of beam-column joints under monotonic loading［47］

梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)通常采用低周反復(fù)荷載模擬地震作用。現(xiàn)有文獻(xiàn)中各試驗(yàn)試件的開裂情況見圖3。多個(gè)學(xué)者［48－51，56］的研究結(jié)果顯示，在低周反復(fù)荷載的作用下所有試件的梁部最先出現(xiàn)大量的微裂縫，當(dāng)達(dá)到初裂階段時(shí)，梁部裂縫擴(kuò)展，同時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)開始出現(xiàn)交叉裂縫。當(dāng)荷載值進(jìn)一步加大，梁端裂縫變寬直至貫穿導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)生梁端受彎破壞，試件的裂縫均主要集中在靠近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的梁端和核心區(qū)，且這一區(qū)域的裂縫明顯寬于其他區(qū)域。Datta等［49］測量了普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件CCJ2和地聚物邊節(jié)點(diǎn)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(dāng)達(dá)到通裂階段時(shí)，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(jié)點(diǎn)在2種加載方式下的裂縫開裂發(fā)展及試件的破壞特點(diǎn)均與普通混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)相似。

圖3 普通混凝土節(jié)點(diǎn)（GCJ）與地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)（CCJ）在低周反復(fù)荷載下的破壞形態(tài)［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(xiàn)有試驗(yàn)得到的地聚物混凝土和普通混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的開裂荷載與普通混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)試件的開裂荷載基本一致。但當(dāng)荷載繼續(xù)增大到試件破壞時(shí)，極限荷載與極限位移結(jié)果卻有差異。有的試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果［49］表明地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件相較于普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件極限承載力低約16.7%；而另一些試驗(yàn)［47，50－51］卻顯示地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)試件達(dá)到極限承載力值的下一級循環(huán)，其承載能力下降明顯，而普通混凝土節(jié)點(diǎn)試件的承載能力則在達(dá)到極限承載力值得下一級循環(huán)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(shí)表現(xiàn)出來的脆性特性［19，57］。

表3 梁柱邊節(jié)點(diǎn)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(guān)系

節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)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(diǎn)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(yàn)的抗震性能。

圖4是現(xiàn)有文獻(xiàn)中地聚物混凝土一般層梁柱邊節(jié)點(diǎn)試件和相應(yīng)普通混凝土試件的滯回曲線與骨架曲線［48，50－51］?？梢钥吹?，普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件CCJ1和CCJ4的試驗(yàn)結(jié)果較為相似，2個(gè)滯回曲線都呈弓形。地聚物邊節(jié)點(diǎn)試件GCJ4的滯回曲線與相對應(yīng)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(xiàn)象。地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件GCJ1滯回曲線整體趨勢也與對應(yīng)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(huán)階段，GCJ1的強(qiáng)度降低更加明顯，但是剛度相較于對應(yīng)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(jié)點(diǎn)GCJ3的滯回曲線同時(shí)顯示出比相對應(yīng)的普通混凝土試件CCJ3更加明顯的強(qiáng)度降低和剛度退化現(xiàn)象，特別是在負(fù)向加載階段。地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件GCJ3和普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件CCJ3的滯回曲線均呈倒“S”型。

圖4 （續(xù)）Fig.4（Continued）

圖4 普通混凝土節(jié)點(diǎn)（CCJ）與地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)（GCJ）在低周反復(fù)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(qiáng)度和延性

在混凝土框架節(jié)點(diǎn)試件承受低周反復(fù)荷載的過程中，節(jié)點(diǎn)的承載能力和延性會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸下降。為了反映地聚物混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)試件與對應(yīng)的普通混凝土試件在低周反復(fù)荷載下強(qiáng)度和延性降低的統(tǒng)一關(guān)系，將試件的累積延性系數(shù)作為橫坐標(biāo)，將試件每一循環(huán)荷載下的最大承載力與屈服時(shí)承載能力的比值作為縱坐標(biāo)得到圖5。累積延性系數(shù)的計(jì)算公式如下［58］：

向下加載的累積延性系數(shù)：

向上加載的累積延性系數(shù)：

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

從圖5中可以看到，地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度降低比普通混凝土試件明顯。這種現(xiàn)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(huì)在低周反復(fù)加載過程中更快地發(fā)展，進(jìn)而使得地聚物混凝土在達(dá)到極限荷載后比具有更少微裂縫的普通混凝土試件表現(xiàn)出更快的強(qiáng)度下降［62－63］。

圖5 地聚物混凝土與普通混凝土邊柱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度降低系數(shù)和累積延性系數(shù)［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(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算（將試件的最大位移比上試件屈服時(shí)的位移），可以發(fā)現(xiàn)地聚物混凝土試件的累積延性系數(shù)比普通混凝土試件高了43%和13%。但是J3組的試驗(yàn)結(jié)果顯示地聚物混凝土試件的延性系數(shù)相較于普通混凝土試件小了23%。地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度、所采用的原料及堿激發(fā)劑模量）的差異有關(guān)。在地聚物混凝土強(qiáng)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(qiáng)度的提高，其破壞時(shí)的特征長度（一種反映混凝土脆性的材料參數(shù)，與斷裂能及彈性模量成正比，而與劈裂抗拉強(qiáng)度成反比［64］）會(huì)顯示出下降的趨勢，這解釋了J3試驗(yàn)組中制備的抗壓強(qiáng)度為66.1 MPa的地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(shí)的撓度更大，這說明F級粉煤灰基地聚物混凝土構(gòu)件比普通混凝土構(gòu)件具有更強(qiáng)的延性；而礦渣基地聚物混凝土構(gòu)件在破壞前的特征長度小于對應(yīng)的普通混凝土構(gòu)件，表現(xiàn)出更大的脆性［66］。地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)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(yàn)中試件節(jié)點(diǎn)延性差異的另一個(gè)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(qiáng)度為72.5 MPa的高強(qiáng)地聚物混凝土，但其卻仍表現(xiàn)出比對應(yīng)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(fā)劑模量Ms（SiO2/Na2O）是3組試驗(yàn)中最大的有關(guān)，先前的研究［67］已經(jīng)證明隨著堿激發(fā)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(diǎn)會(huì)使基體產(chǎn)生更多微裂縫，基體也因此表現(xiàn)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(jì)算同一循環(huán)荷載下的割線剛度來表示，其計(jì)算公式為［68］：

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

節(jié)點(diǎn)試件出現(xiàn)剛度退化的現(xiàn)象是由于試件的彈塑性特質(zhì)與低周反復(fù)荷載過程中的累積損傷，其在基體的表現(xiàn)形式為混凝土部分的裂縫出現(xiàn)和裂縫發(fā)展以及鋼筋的彈塑性變化和其與混凝土之間的粘結(jié)滑移［69］。圖6整理了現(xiàn)有地聚物一般層邊節(jié)點(diǎn)構(gòu)件和對應(yīng)的普通混凝土構(gòu)件剛度隨循環(huán)荷載次數(shù)增加的改變情況。可以看出，地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件的初始剛度與相對應(yīng)的普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件相近（J1、J4），甚至更大（J2、J3）。隨著循環(huán)次數(shù)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(tài)時(shí)，地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件的割線剛度曲線斜率會(huì)出現(xiàn)較為陡峭的下降，這是因?yàn)榈鼐畚锘炷猎跇O限狀態(tài)下表現(xiàn)出的脆性使得混凝土基體剝落破壞迅速［70－71］，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)試件剛度急劇下降。先前的研究［72－73］認(rèn)為地聚物混凝土更為明顯的剛度退化現(xiàn)象是由于其在接近極限狀態(tài)下彈性模量驟降的特性。產(chǎn)生這一特性的根本原因這與1.3節(jié)論述的強(qiáng)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(dǎo)致的。

圖6 普通混凝土節(jié)點(diǎn)（CCJ）與地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)（GCJ）在低周反復(fù)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(jié)點(diǎn)能夠耗散的能量是評價(jià)構(gòu)件抗震性能最重要的指標(biāo)。若節(jié)點(diǎn)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(huán)包圍的面積越大，其能量耗散性能越好。圖7展示了現(xiàn)有地聚物一般層邊節(jié)點(diǎn)試件與對應(yīng)的普通混凝土試件能量耗散能力隨循環(huán)荷載次數(shù)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(jié)點(diǎn)試件在相同循環(huán)荷載次數(shù)下的耗能能力相當(dāng)，J3試驗(yàn)組結(jié)果顯示普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件在接近極限荷載的幾輪循環(huán)荷載次數(shù)下的耗能能力顯著高于地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)試件，但2種類型混凝土試件的最終耗能能力相當(dāng)。而進(jìn)行的半循環(huán)荷載試驗(yàn)的J2試驗(yàn)組的結(jié)果顯示地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)試件能承受半荷載下的耗能能力強(qiáng)于普通混凝土試件。另外，J0組的試驗(yàn)結(jié)果也表明在單調(diào)荷載作用下，地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)試件破壞時(shí)耗散的能力是大于普通混凝土節(jié)點(diǎn)試件的。

圖7 普通混凝土節(jié)點(diǎn)（CCJ）與地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)（GCJ）在低周反復(fù)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(jié)點(diǎn)試件在能量耗散方面表現(xiàn)出的不同可以由2類混凝土試件在單調(diào)荷載與低周反復(fù)荷載下的破壞機(jī)理差異來解釋。當(dāng)?shù)鼐畚锘炷粱w承受靜力荷載時(shí)，其界面過渡區(qū)的強(qiáng)度起到主要控制作用［74］。早前的研究［75－76］已經(jīng)證明地聚物混凝土相較于普通混凝土有著強(qiáng)度更高，更密實(shí)、均勻的界面過渡區(qū)，這使得其斷裂能更高。但是在地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)試件受到低周反復(fù)作用時(shí)，基體上產(chǎn)生的裂縫可能穿過骨料，界面過渡區(qū)將不再是最薄弱的區(qū)域，決定能量耗散的區(qū)域由界面過渡區(qū)轉(zhuǎn)為了鋼筋混凝土基體本身的內(nèi)摩擦或節(jié)點(diǎn)的開裂、轉(zhuǎn)動(dòng)和位移等［19］，相較于普通混凝土節(jié)點(diǎn)試件，地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)試件在能量耗散能力方面可能將不再有優(yōu)勢。

2 改善地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)性能的措施

地聚物混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)加載過程中，節(jié)點(diǎn)延性、節(jié)點(diǎn)耗能等方面與普通混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)類似或更優(yōu)。但是在強(qiáng)度降低和剛度退化方面相較于普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)更加明顯。過大的強(qiáng)度降低和剛度退化率對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式以獲得更好的性能。

2.1 摻加鋼纖維

在混凝土構(gòu)件中摻加鋼纖維是非常常規(guī)的改善構(gòu)件性能的措施。先前的研究已經(jīng)證明在地聚物砂漿或混凝土試件中摻加纖維可以增強(qiáng)其韌性［77－79］、抗彎強(qiáng)度［8，30］、抗拉強(qiáng)度［80］及與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度［25］等力學(xué)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(jié)點(diǎn)與普通混凝土節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)性能的影響整理于表4?？梢钥吹皆诘鼐畚锘炷凉?jié)點(diǎn)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?jǐn)?shù)的增大，這些影響的效果也會(huì)增加。

表4 摻加鋼纖維對地聚物梁柱節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)試件的裂縫發(fā)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(jié)點(diǎn)試件上較大寬度裂縫的數(shù)量明顯變少，取而代之的是寬度較小的微裂縫數(shù)量增多。在承載力方面，早前的研究結(jié)果［48－49］顯示鋼纖維的摻入對于地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)（SFRCCJ）與摻鋼纖維的地聚物混凝土邊柱節(jié)點(diǎn)（SFRGCJ）在低周反復(fù)荷載下的破壞形態(tài)［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(jié)點(diǎn)延性方面。以0.5%的體積分?jǐn)?shù)把鋼纖維摻入得到的地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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?jǐn)?shù)在摻入地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)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(shù)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(jié)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(xiàn)上與普通混凝土試件類似，并且改善其在接近極限狀態(tài)時(shí)的剛度驟降現(xiàn)象（圖9）。

圖9 不摻與摻入纖維的普通混凝土節(jié)點(diǎn)（CCJ，SFRCCJ）及不摻與摻入纖維的地聚物混凝土邊柱節(jié)點(diǎn)（GCJ，SFRGCJ）在低周反復(fù)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(yàn)結(jié)果顯示鋼纖維的摻入能使地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)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?jǐn)?shù)的鋼纖維只能讓普通混凝土邊節(jié)點(diǎn)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(yàn)結(jié)果顯示0.25%、0.5%、0.75%體積分?jǐn)?shù)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(gè)方面：化學(xué)物理粘接作用、靜摩擦作用、摩擦作用、機(jī)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(gòu)件層面通過摩擦作用和機(jī)械咬合作用限制了地聚物混凝土構(gòu)件的開裂程度與主裂縫的發(fā)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(qiáng)彌補(bǔ)了地聚物混凝土材料脆性的缺點(diǎn)［83］，使得基體具有更高的節(jié)點(diǎn)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(xiàn)。關(guān)于摻加鋼纖維對于地聚物節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)形式

轉(zhuǎn)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(yùn)用于改善普通混凝土節(jié)點(diǎn)的性能。但目前對于改善地聚物混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)措施的研究非常少。

Ngo等［50］提出了一種新型干連接節(jié)點(diǎn)形式。其使用2根碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）預(yù)應(yīng)力螺栓來代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(jié)點(diǎn)試件的細(xì)節(jié)見圖10。試驗(yàn)結(jié)果表明CFRP螺栓在地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用可以最大程度地減少試件在低周反復(fù)荷載作用下裂縫的產(chǎn)生與發(fā)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(jié)點(diǎn)能夠緩解地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)在接近極限狀態(tài)時(shí)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(jié)點(diǎn)更明顯，這是CFRP螺栓相較于鋼螺栓初期剛度更低導(dǎo)致的，新型干連接節(jié)點(diǎn)試件與普通形式地聚物混凝土試件在承載力、節(jié)點(diǎn)延性及能量耗散等方面的對比見表5?？梢钥吹剑烁纳屏碎_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(shí)的能量耗散能力上升。試驗(yàn)中觀測到的新型干連接節(jié)點(diǎn)試件的節(jié)點(diǎn)延性的下降可能與試驗(yàn)中的儀器故障有關(guān)，預(yù)期新型干連接地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)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(yōu)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(jié)點(diǎn)試件細(xì)節(jié)圖［50］Fig.10 Detail drawing of the new tyre of connected ground polymer concrete edge joint specimen［50］

圖11 不同構(gòu)造形式的地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)性能的對比Table 5 Comparison of performance between CFRP bolts dry joint and monolithic joint

3 現(xiàn)有規(guī)范對地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)的適用性

目前世界范圍內(nèi)還未有地聚物混凝土的梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)均采用普通混凝土相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。為了促進(jìn)地聚物混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用，對我國現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010－2010）［88］和美國標(biāo)準(zhǔn)（ACI 318－19）［89］就地聚物混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)的適用性進(jìn)行了評估和討論。

早前的研究已經(jīng)證明現(xiàn)有普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010－2010和ACI 318－19）適用于地聚物混凝土梁的設(shè)計(jì)［31－32，40］，這里主要評估現(xiàn)有規(guī)范中節(jié)點(diǎn)抗震性能（節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力）計(jì)算模型對于地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的適用性?，F(xiàn)有地聚物混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)試件均按照“強(qiáng)柱弱梁”概念設(shè)計(jì)，破壞形式均為梁端受彎破壞，基于現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果，文中按照現(xiàn)有普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范模型計(jì)算出節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗震受剪承載力，與試驗(yàn)得到的發(fā)生梁端破壞時(shí)的實(shí)際極限承載力進(jìn)行比較。

當(dāng)邊節(jié)點(diǎn)破壞形式為梁端受彎破壞時(shí)，節(jié)點(diǎn)的極限承載力Pmax1由梁端的正截面受彎承載力控制，試驗(yàn)中實(shí)際測得受彎破壞的極限承載力為Pmax1.exp。當(dāng)邊節(jié)點(diǎn)破壞形式為核心區(qū)剪切破壞時(shí)，節(jié)點(diǎn)的極限承載力Pmax2由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪承載力控制。由GB 50010－2010和ACI 318－19計(jì)算出節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力（計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)［88］與［89］），通過平衡方程可以得到節(jié)點(diǎn)在核心區(qū)剪切破壞時(shí)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(jié)點(diǎn)核心區(qū)受到的水平剪切力；Pmax2.T為節(jié)點(diǎn)在核心區(qū)剪切破壞形式下的理論極限承載力；Lb為荷載點(diǎn)至柱心得距離。

如果計(jì)算出的受剪承載力Pmax2.T大于實(shí)際受彎破壞的極限承載力Pmax1.exp，則說明現(xiàn)有普通混凝土規(guī)范的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪計(jì)算模型可以用于地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)，按一定安全富余設(shè)計(jì)出來的邊節(jié)點(diǎn)能夠在地震作用下發(fā)生要求的延性破壞（梁端受彎破壞）；如計(jì)算出的受剪承載力Pmax2.T小于實(shí)際極限承載力Pmax1.exp，則按計(jì)算應(yīng)先出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞（與試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的梁端受彎破壞不同），故現(xiàn)有規(guī)范的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪計(jì)算模型不適用于地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)，預(yù)測模型對于地聚物節(jié)點(diǎn)來說過于保守。計(jì)算結(jié)果列于表6，可以看到計(jì)算出的受剪承載力Pmax2.T均大于實(shí)際極限承載力Pmax1.exp，試件的梁端先發(fā)生破壞，這與試驗(yàn)結(jié)果一致，同時(shí)也說明現(xiàn)有規(guī)范中的預(yù)測模型可以用于地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

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

現(xiàn)有試驗(yàn)中的節(jié)點(diǎn)試件破壞形式未出現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞，所以無法從試驗(yàn)結(jié)果判斷現(xiàn)有普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范對于地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)抗剪承載力計(jì)算的準(zhǔn)確性。未來需要進(jìn)行不是基于“強(qiáng)柱弱梁”或“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，通過使節(jié)點(diǎn)試件產(chǎn)生核心區(qū)剪切破壞獲得實(shí)際承載力Pmax2.exp，并將其與基于現(xiàn)有普通混凝土規(guī)范計(jì)算的理論核心區(qū)受剪承載力Pmax2.T進(jìn)行比較從而探究上述問題。另外，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)均滿足現(xiàn)有規(guī)范中的限制條件，且均未發(fā)生脆性破壞，說明現(xiàn)有規(guī)范限制條件可以用于地聚物混凝土邊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。但現(xiàn)有文獻(xiàn)中的試驗(yàn)未涉及剪壓比、軸壓比、體積配箍率和錨固長度等抗震設(shè)計(jì)限制條件的研究，這是判定現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對于地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)適用性及保守性的關(guān)鍵，也是亟待研究的重點(diǎn)問題。

4 結(jié)論

文中對地聚物混凝土一般層梁柱邊節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和分析討論，可以得出以下結(jié)論：

（1）地聚物混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)無論是在單調(diào)荷載還是在低周反復(fù)荷載作用下的裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展、試件的破壞特點(diǎn)及開裂荷載均與普通混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)相似。但地聚物混凝土梁柱邊節(jié)點(diǎn)的極限荷載與極限位移試驗(yàn)結(jié)果卻有差異。

（2）地聚物混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)的荷載－位移曲線在整體趨勢上與普通混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)相似，但是地聚物邊節(jié)點(diǎn)相較于普通混凝土試件會(huì)表現(xiàn)出更明顯的強(qiáng)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(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)延性研究結(jié)果存在較大差異，這與地聚物混凝土的材料特性有很大關(guān)系。另外，2類混凝土邊節(jié)點(diǎn)在相同循環(huán)荷載次數(shù)下的耗能能力基本相當(dāng)。摻入鋼纖維可以顯著增加地聚物混凝土一般層邊節(jié)點(diǎn)的延性和能量耗散能力，并且對地聚物混凝土節(jié)點(diǎn)的剛度退化與極限承載力有一定改善。

（3）現(xiàn)有普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010－2010和ACI 318－19）中的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力計(jì)算模型及限制條件可以保證地聚物一般層梁柱邊節(jié)點(diǎn)能夠保證在地震作用下發(fā)生延性破壞（梁端受彎破壞）。