钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂性能试验研究.pdf
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1、第 3 3卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f No a h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r Vo 1 3 3 No 6 De c2 01 2 文章编号 : 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) O 6 0 0 6 4 0 5 钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂性能试验研究 史 科 ,高丹盈 , 赵 军 ( 郑州大学 新型建材 与结构研 究 中心,
2、 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 : 通过对 8 个 钢筋钢纤维高强混凝土梁柱边节点的低周反复加载试验 , 分析 了钢纤维体积分数 、 节点核 心区配 箍率 、 柱端轴压 比等 因素对节点 抗裂性 能的影 响 结果 表 明, 随着轴 压 比和钢纤维体 积分数 的适 当增 加 , 节点 的抗裂性能显著提高 , 配箍率对节点抗裂性能的影 响较 小 最 后在试验研究 和理论分 析的基础上 , 给 出了钢 纤维高强混凝 土梁柱节点抗 裂强度的计算方法 关键词 : 钢纤维高强混凝土 ; 梁柱节点 ; 抗裂 梁柱节点作为传力枢纽是框架结构 的关键构 件 由于节点部位裂缝 出现后修复困难 ,
3、应该重视对 某些处于特殊环境和特别重要的建筑物进行节点核 心区抗裂验算 高强混凝土同普通强度混凝土相比, 致密坚实 , 具有较好的抗渗性能, 掺人钢纤维还能有 效抑制高强混凝土早期开裂与延性差的弱点 , 采用 钢纤维高强混凝土是提高节点抗 裂性能 的有效 方 法 目前国内外对梁柱节点抗裂性能的研究主要集 中在普通强度等级的钢筋混凝 土梁 柱节点上 , 而对于钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂性能的研究 较少 笔者通过 8个钢筋钢纤维高强混凝土梁柱边节 量 口 j o g ! 日 点的低周反复加载试验, 分析了钢纤维体积分数、 轴 压比、 节点核心区配箍率等因素对节点抗裂性能的 影响, 提出了钢纤维高
4、强混凝土梁柱节点抗裂强度 的计算方法, 计算结果与试验数据吻合 良好 1 试 验概述 试验假定梁柱反弯点位于跨 中及柱 中, 共制作 了 8个框架中间层端部梁柱节 点组合体 , 模型的缩 尺 比为 1 2 试件按照 钢筋混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 12 0 0 2 ) 和 钢纤维混凝土结构设计与 施工规程 ( C E C S 3 8 : 9 3 ) 。 。 进行设计 , 试件尺寸及 配筋如图 1 所示 22 图 1 试件尺 寸和 配筋 图 试验参数为 : 钢纤维体积分数 、 轴压 比、 节 点核 心 区配箍率 试件制作时 , 采用的钢纤维类型为钢锭 铣削型纤维 ( A
5、M 1 0 43 26 0 0 ) , 长径 比( L d ) 为 3 4 2 4, 等效直径为 0 9 4 3 m m, 抗拉强度7 0 0 MP a , 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 91 0 基金项 目: 国家 自然科学基金重点项 目( 5 0 6 7 8 1 5 9 ) 作者简介 : 史科 ( 1 9 8 2 一 ) , 男 , 河南济源人 , 博士研究生 , 主要从事纤维混凝土方 面的研究 高丹盈 ( 1 9 6 2 一 ) , 男 , 河南 三门峡人 , 教授 , 博导 , 博士 , 主要从事新 型复合材料结构 理论及其 应用 方面的研 究 第 3 3卷第 6期 史 科 ,
6、等 : 钢纤维 高强 混凝土梁柱节点抗裂性能试验研究 6 5 混凝土强度等级为 C 6 0 根据 钢纤维混凝土试验方 法 ( C E C S 1 3 : 8 9 ) 和 普通混凝 土力学性能试验 方法标 准( G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ) s 3 规定 , 试 件成型 时每个试件用于立方体抗压 、 轴心抗压 、 劈拉 、 弹性 模量试验的试块各预留 3个 , 实测材料性能见表 1 表 1 试 验材 料性能 MP a 注 : H S C , S F H S C分别代表高强混凝土和钢纤维高强混凝土 试验在郑州大学新型建材和结构研究 中心试验 室进行 , 采用多通道电液伺服动
7、态疲劳试验系统进 行梁端低周反复加载 试验开始时, 首先使用液压千 斤顶在柱顶施加设定的轴 向力并保持恒定 ,之后 由 电液伺服作动器在梁端施加低周反复荷载 根据 建 筑抗震试验方法规程 ( J G J 1 0 1 m9 6 ) , 梁端 的加 载制度采取荷载 一位移混合控制 的方法 荷 载控制 阶段主要为了确定梁的屈服荷载 , 分两个循环 , 第一 循环加载至计算屈服值 的 7 5 , 第二循环加载至屈 服 ; 之后是位移控制阶段 , 以屈服位移的倍数为级差 进行加载, 每级反复循环两次 , 直到荷载值降低至最 大承 载力 的 8 5 左 右 时认 为 试 件 破 坏 试 验 过 程 中 ,
8、 梁端荷载 一位移滞 回曲线由加载系统 自动采集 ; 钢筋应变 、 混凝土应变及电测百分表数据 由试验室 C M一2 B静态 应变 仪采 集 ; 每 级循 环 峰值 时使 用 D J C K一 2裂缝宽度测量仪观察裂缝宽度 , 主要试验 结 果 见表 2 表 2 钢纤维 高强混凝土梁柱节点主要试验结 果 注: 轴压比 =N ( f c b h ) , 其中 为柱顶轴向压力, 为 实测的混凝土轴 心抗压 强度 , b , h为 柱截 面尺 寸 ; 初 裂 剪 力 取正 、 反 方向初裂剪力的平均值 其 中, 试件在梁端荷 载 P作用 下, 节点核 心区 初裂剪力 ( ) 按下式 计算 : = 0
9、 8 7 5 h一 , 一 。 2 ” 式中符号意义如图 2所示 图 2 节点核 心区初裂剪力计算简图 2 节点抗裂强度 的主要影响 因素与计 算方法 2 1 节 点抗 裂 强度 的主要 影响 因素 影 响钢纤 维 高强混 凝 土梁柱 节点 抗裂 强度 的 因 素是多方面的 国内外对普通混凝土梁柱节点的研 究认为 , 梁柱节点抗裂强度 的主要影响因素有混凝 土抗拉强度、 配箍率与轴压 比等 “ 在此根据试验 结果 , 分析钢纤维体积分数 、 轴压 比和配箍率对钢纤 维高强混凝土梁柱节点抗裂强度的影响 2 1 1 钢纤维体积分数 钢纤维体积分数对 比系列, 分别包含核心 区配 置相同箍筋的 B
10、J 一2和 B J一3试件 的对 比, 以及核 心 区均无 箍筋 的 B J 一4和 B J一5试 件 的对 比 节 点 核心 区初 裂剪 力 与钢 纤维 体 积分 数 的关 系如 图 3所示 2 5 0 Z 2 0 0 1 5 0 l 0 0 5 0 O 2 _ Z -R 暴 ( a ) 核心区配置相 同箍筋试件 ( b ) 核心区无箍筋试件 图 3 钢纤 维体 积分 数对 节点抗裂强度的影响 由图 3可以看 出, 相同条件下增加 钢纤维体积 分数对提高节点核心 区的抗裂强 度有较 明显 的效 果 节点核心区掺人钢纤维后 , 初裂剪力提高主要是 由于钢纤维的阻裂作用 , 钢纤维在 昆凝土内部
11、形成 “ 桥架 ” , 调节 了混凝土 内部 的应力分布状态 , 有 效抑制节点核心区内部微裂缝的发展 随着钢纤维 华北水利水 电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 体积分数的增大, 跨越微裂缝的钢纤维数 目也增多, 但是有研究 表明, 当钢纤维体积分数大于 1 5 时, 增强效果较小 , 这是 由于钢纤维掺量过多 , 使得 混凝土的和易性较差 , 从而引起混凝土 内部微裂缝 增 多 2 1 2 配箍 率 配箍 率 对 比系列 , 分 别 包含 核 心 区无 钢 纤 维 的 B J 一1和 B J 一2试件的对 比, 以及核心 区钢纤维体 积率相同的 B J 一 4和 B J一8试 件的对
12、比 节点核心 区初裂剪力与配箍率的关系如图4所示 2 - Z 磔 E J 一4 一J 一 5 -一 _ _ 000 6 节 点核心 区配箍率 ( b ) 核心 区钢纤维体积 分数相同箍筋试件 图 4 配 箍 率 对 节 点 抗 裂 强 度 的 影 响 由图4可以看出, 随着配箍率的增加 , 节点核心 区的抗裂强度略有提高 , 影响不显著 这一点与赵鸿 铁 “ 所做的钢筋混凝土节点试验 以及魏林 , 郑七 振等 所做的普通强度等级 的钢纤维混凝土节点 试 验结论 一致 试验 过 程 中 , 节点 核心 区混凝 土 开裂 前 , 测得的节点核心区箍筋应变变化较小 , 开裂时箍 筋承担的剪力约为全部
13、剪力的 6 左 右 配置适量 箍筋使节点核心区初 裂剪力提高的原因是 , 一方面 箍筋直接承担了少量的节点核心区剪力 , 另一方 面 是 由于箍筋对节点核心区混凝土的约束作用 , 提高 了混凝 土抗 裂 强度 2 1 3 轴压 比 轴 压 比对 比系 列 为 B J 一4 , B J一6和 B J一7试 件 节 点核 心 区初裂 剪力 与轴 压 比关 系 如 图 5所 示 3 0 0 2 50 2 00 袜 1 5 0 - o o 5 O O 0 2 0 3 04 轴压 比 图 5 轴压 比对节点抗裂强度的影响 由图 5可以看出 , 随着轴压 比增大 , 节点核心 区 的抗裂强度也有所提高 轴
14、压比的影响可以解释为 : 在节点核心区混凝土开裂前 , 轴压 比的增加促使柱 截面受压区面积加大, 节点核心 区斜压杆作用得到 提高 文献 1 2 所做的钢筋混凝土节点试验也证 明 了这一点 需要指 出的是 , 本文和文献 1 2 试验设 计 的轴压 比变化范围为 0 0 0 4, 在此范 围内随着 轴压 比的增大 , 节点抗裂性能有所提高 , 但是轴压 比 较大时 , 是否能够提高节点的抗裂性能 目前 尚无统 一 观点 2 2 钢纤维高强混凝土梁柱节点抗裂强度的计算 方 法 2 2 1 基本假 定 试验表明, 节点核心区斜裂缝首先 出现在核心 区中心处 , 之后向对角方 向延 伸 节点开裂前
15、 , 核心 区基本处于弹性阶段 , 箍筋应力很小 , 剪力主要 由核 心区混凝土承担 因此 , 结合试验结果 , 并参照普通 钢筋混凝土框架节 点抗裂强度计算 方法 作 如 下假定: 节点核心区出现斜裂缝前 , 处于弹性工作 状态 ; 节点核心区开裂前剪力主要 由混凝土承担, 箍筋 的作用采用系数 考虑 ; 节点核心 区中心点 处主拉应力最大 依据上述假定 , 认为节点核心区中心点处斜截 面上的主拉应力达到钢纤维高强混凝土的抗拉强度 时, 节点即开裂 2 2 2 钢纤维高强混凝土节点抗裂强度计算方法 在地震荷载作用下 , 钢纤维高强混凝土梁柱节 点受力 情况 和核心区中心点处应力状 态如图 6
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