配置500MPa纵筋钢筋混凝土框架顶层端节点抗震性能试验研究.pdf
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1、第 3 7卷第 4期 2 0 1 5年 8月 土 木 建 筑 与 环 境 _r -程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 7 No 4 Au g20 15 d o i : 1 0 1 1 8 3 5 j i s s n 1 6 7 4 - 4 7 6 4 2 0 1 5 0 4 0 0 2 配置 5 0 0 MP a纵筋钢筋混凝土框架顶层 端节点抗震性能试验研究 朱 爱萍, 肖从真 , 黄 小坤 (中国建筑科 学研究 院,
2、 建研科技股份有 限公 司, 北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要 : 按 照 混 凝 土结构 设计 规 范 ( GB 5 0 0 1 0 - 2 0 1 O ) 设计 了 6个 配 置 5 0 0 MP a纵 筋 的钢 筋 混凝 土框 架顶 层端 节点 , 并进 行 了低 周反 复加 载抗震 性 能 试验 , 验 证 了规 范规 定 的抗 震措 施 对 配 置 5 0 0 MP a钢筋的顶层端节点的有效性 , 分析 了配置 5 0 0 MP a级钢筋的顶层端节点的受力特点、 节点区 的破 坏形 态 以及 节点 的综合 抗震 性 能 , 并 与 受力 条件 基 本相 同 的 配置 HR B
3、3 3 5级 纵 筋 节点 的 受 力 性 能进行 了对 比, 对采 用不 同延 性指标 评 价配 置 不 同强度 钢 筋节 点 的廷性 性 能差异进 行 了讨 论 。 关键 词 : 钢 筋 混凝 土框 架 ; 顶 层 端节 点 ; 5 0 0 MP a钢 筋 ; 抗震 性 能 中图分类号 : TU3 1 7 1 ; TU3 7 5 4 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 4 - 4 7 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 4 - 0 0 1 2 - 0 7 S e i s mi c b e h a v i o r o f k n e e j o i n t s o f R C f
4、r a me wi t h 5 0 0 M Pa r e i nf o r c e me nt Zh u Ai p i n g,Xi ao Oo n g z h e n,Hu an g Xi a o k u n ( C h i n a a c a d e my o f b u i l d i n g r e s e a r c h, Bu i l d r e s e a r c h Po l y t r o n Te c h n o l o g i e s I r i c ,Be i j i n g 1 0 0 0 1 3,P RCh i n a ) Ab s t r a c t : B a
5、s e d o n C o d e fo r d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s( GB 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) , s i x k n e e j o i n t s wi t h HRB5 0 0 r e b a r s on t o p s t o r y o f r e i nf or c e d c o nc r e t e f r a m e s t r uc t ur e we r e de s i g ne d a nd t e s t s o n t h e i r s e i s mi c
6、 b e ha vi o r we r e c on du c t e d un de r r e v e r s e d c yc l i c l oa di ng Th e e f f e c t i v e ne s s of c o de pr o v i s i on s o n s e i s mi c d e t a i l i ng o f s u c h k n e e j o i n t s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me wa s r e v e a l e d Me c h a n i c p r o p
7、 e r t i e s , f a i l u r e mo d e s a n d c o mp r e h e n s i v e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f t h e s e t o p s t o r y k n e e j o i n t s r e i n f o r c e d wi t h 5 0 0 MPa r e b a r s wa s a n a l y z e d Fu r t h e r mo r e ,t h e s e j o i n t s we r e c o mp a r e d wi t h t h o
8、 s e s i mi l a r j o i n t s r e i n f o r c e d wi t h 3 3 5 MP a r e b a r s Di f f e r e n t d u c t i l i t y i n d e x we r e u s e d t o d i s c u s s d i f f e r e n c e o f d u c t i l i t y o f j o i n t s r e i n f o r c e d wi t h d i f f e r e n t s t r e n g t h r e b a r s t o p r o v
9、 i d e r e l i a b l e e v i d e n c e f o r t h e a p p l i c a t i o n o f 5 0 0 MP a r e b a r s i n t h e j o i n t s Ke y w o r d s : r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me ;k n e e j o i n t ;5 0 0 MPa r e i n f o r c e me n t ;s e i s mi c p e r f o r ma n c e 在 地震 作 用 下 , 混 凝 土框 架 顶 层
10、端 节 点 无 论 受 负弯矩还是正弯矩作用 , 根据力的平衡原理 , 梁端弯 矩 Mb与柱端弯矩 Mc 平衡 , 梁端剪力 与柱端轴 力 N 平衡 , 梁端轴力值 N 与柱端剪力值 平衡。 收稿 日期 : 2 0 1 5 - 0 3 - 1 2 基金项 目: 国家 自然科学基金( 5 1 4 0 8 5 7 5 ) 作者简介 : 朱爱萍( 1 9 7 9 一 ) , 女 , 副研 究员 , 主要从事 钢筋 混凝 土结构研究 , ( E ma i l ) z a p 1 3 6 6 1 2 6 e o m。 Re c e i v e d: 20 15 - 03 - 12 F o u n d a
11、 t i o n i t e m: Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e Fo u n d a t i o n o f Ch i n a ( No 5 1 4 0 8 5 7 5 ) Au t h o r b r i e f : Z h u Ai p i n g ( 1 9 7 9 一 ) ,a s s o c i a t e r e s e a r c h f e l l o w,ma i n r e s e a r c h i n t e r e s t : r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u
12、 c t u r e ,( E ma i l )z a p 1 3 6 6 1 2 6 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 朱 爱萍 , 等 : 配置 5 0 0 MP a 纵 筋钢 筋混凝 土框 架顶层 端 节点抗 震性 能试 验研 究 1 3 也就是说 , 对任意一个经节点 内折角的斜截面( 图 1 中、 截面) 中的弯矩值 总是等于梁端 ( 截面 I V) 和 柱端 ( 截面 I) 的弯矩值 , 顶层端节点连接 区可 以视 为一根截面尺寸不同的 9 O 。 的折梁 1 。 目前, 新 西兰 的学者认为节点 区中的“ 斜压杆机构” 和“
13、 桁架机构” 共同承担水平剪力和竖向剪力 , 而美 国设计思路认 为节点是受剪力较大的特殊柱段 , 只要箍筋提供足 够的约束 , 就可 以保证节点受力性能 。 I I I I I I I V _ J 、 I I 帆 、 帆 _ ! L 醯 图 1顶层端节点在 负弯矩 作用下受力状态 Fi g 1 St r e s s s t a t us o f t op s t or y c o r n e r j o i n t u n d e r n e g a t i v e mo me n t 大 量 的 构 件 试 验 已 经 表 明口 , 由 于 5 0 0 MP a 的钢筋的弹性模 量与 HR
14、 B 3 3 5的弹性模量 差别很 小 , 配 置 5 0 0 MP a纵筋 构 件 的屈 服 位 移 就会 相 应 增 大 , 纵筋屈服时钢筋与混凝土的粘结性能将变差 , 当 通过顶层端节 点的梁柱纵筋采 用 5 0 0 MP a级钢筋 时 , 梁柱钢筋 由于承担节点负弯矩需要弯折搭接 , 而 钢筋的搭接性能 以及梁柱钢筋在承担节点正弯矩 的 锚固性能是否 能够满足抗震 性能 , 需要进 行验 证。 此外 , 在地震的双向交替斜压作用下 , 节点区混凝土 将发生明显的横 向变形 , 为了满足节点的延性需求 , 节点箍筋必须提供足够的约束 , 现行 混凝土结构设 计规范 ( GB 5 0 0
15、1 0 -2 0 1 0 ) D o 对节点 中箍筋所采用 的构造措施和计算方法能否满足节点在结构 中的抗 震 性 能要 求也 需要 进行 验 证 。 对 6个接近足 尺并 配置 5 0 0 MP a级纵筋 的框 架 顶 层端 节点 进 行 了低 周 反 复 加 载 试 验 , 对 在 不 同 轴压比、 不同负弯矩钢筋搭接长度、 不同正弯矩钢筋 相对锚长 、 不同剪压 比、 不同配箍特征值等参数对框 架 顶层 端 节点 抗 震 性 能 的影 响 , 得 出配 置 5 0 0 MP a 级纵筋 的框架顶层端节点合理的抗震受力性能 , 并 与配置 HRB 3 3 5级纵筋节点 的受力性能进行对 比
16、, 对采用不同延性指标评价配置不同强度钢筋节点 的 延性性能差异进行了讨论 , 为 5 0 0 MP a级抗震框架 顶层端节点设计提供依据。 1 试验方案及加载 制度 试验加载装置如图 2所示 。节点组合体尺寸及 配筋如图 3所示 , 各试件主要数据见表 1 。 加载架 图 2试验加载装置 Fi g 2 Te s t s e t up d ) 1 0 1 3 0 广 b l O 一l O 0 1 1 2 Il 0 8 0 锚板 3 韭2 5 1 01 o 0 2 亚2 固 图 3试件尺寸及配筋示意 Fi g 3 Re i nf o r c e m e n t pl a n f o r s pe
17、 c i m e n s 为模拟节点实际受力情况, 在施加水平力之前 , 利用竖向作动器在横梁 中点施加竖 向恒定 集 中力 N, 并在整个水平力施加过程 中保持该竖 向集 中力 不变 。试验中由梁端部的水平作动器对试件施加低 周反复荷载。开始试验时 , 水平作动器先采用力加 载方式 , 正 向推至梁端上部纵筋 ( 或柱外侧纵筋) 受 拉屈 服 , 随后 卸 载 至 零 , 再 反 向拉 至梁 下 部 纵 筋 屈 服。随后根据正 、 反向屈服位移整数倍进行位移加 f - _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c
18、o m 第 4 期 朱 爱萍 , 等 : 配置 5 0 0 MP a 纵 筋钢 筋混凝 土框 架顶 层端 节点抗 震性 能试 验研 究 1 5 反向加载结束正 向加载开始时 , 外 推裂缝难以闭合 , 负弯矩筋弯弧也未能与弯弧 内混凝土重新接触 。随 着正向加载的继续 , 钢筋先要在节点顶部滑移一段 距 离 , 待弯 弧和 混 凝 土 重 新 接 触 后 试 件 刚 度 才 开 始 增大 , 而这必然造成滞 回曲线 中的捏 缩现象。试件 KJ 一 0 5和 K J O 6在节点顶部柱筋弯弧处加设 了竖向 短筋 , 它和顶部箍筋一起对弯弧外混凝土形成 了较 2 5 0 2 0 0 Z 定 1 5
19、 0 1 o o 5 0 ) 9 5 皿 r 一 5 0 1 0 0 - 5 0 一 l O 0 ( a ) KJ - 0 1 2 5 0 2 o o Z 岂 1 5 0 1 0 0 5 0 1 o o - 5 0 一 o 1 5 0 - 5 0 - 1 0 0 好的约束效果 , 这一构造措施能有效 防止节点 中外 推裂缝 的进一步发展 。节点核心 区裂 缝引起 的捏 缩 : 在反复加载条件下 , 节点区域会形成由主拉应力 作用 下产 生 的斜 向网格状 裂缝 , 斜裂 缝 的交 替 张 开 , 闭合也将使滞 回曲线产生捏缩 , 由于节点 内的主拉 应力 裂缝 较配 置 3 3 5级 钢 筋
20、试 件 大 很 多 , 节 点 主拉 应力 裂缝 引起 的捏 缩更 加 明显 。 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 o o 5 0 1 0 0 - 5 0 r _ r 1 0 0 1 5 0 5 O - 1 0 0 ( b) KJ O 2 2 0 0 1 5 0 匿 1 0 0 5 0 【 5 0 ! o o- : 5 0 o 1 5 f - 5 0 -1 0 0 2 5 0 2 0 0 l 5 O 1 0 0 5 O I 5 Ol o 0 - 5 0 赍,0 1 5 0 - 5 0 1 0 0 ( c ) KJ 一 0 3 1 5 O 藿 1 0 0 , 5 0 -1 5 0 1 0
21、0 - 5 0 5 O 1 o 0 - 5 0 1 0 0 ( d ) I L l 一 0 4 ( e ) I C I 一 0 5 ( f ) KJ 一 0 6 图 5 各试件荷载一 位移 滞回曲线图 Fi g 5 Hys t e r e t i c c u r v e s o f s p e c i m e n s 2 3试 件耗 能 、 刚度 退化 、 承载 力 退化 分析 试件采用等效粘滞阻尼系数 h 来衡 量其耗能 能力。各试件的等效粘滞阻尼系数随位移 比变化如 图 6 。位移 比为 1 0时各试件 的卸载线和加载线斜 率相近, 等效粘 滞阻尼 系数 h 。 均较小 。各试 件 的 。
22、从位移比 2 0开始普遍增大, 除 KJ - 2外增幅较明 显 。随后 h 。 保 持平缓 降低 , 仅 K J 一 2在位移 比 3 0 之后都没有降低。延性系数较高的试件 KJ - o 4耗能 性较 好 。 各试件刚度 的退化如 图 7 。总体上随位移 比的 增 大 而减小 , 各 试 件 刚 度 的 退 化 程 度 没 有 过 于 明显 的差别 , 但依然可以看出剪压 比较低 、 配箍特征值较 大的试 件 K J - 0 3 K J - O 6其刚度退 化较 慢, 相 比之 下 , 剪压 比较高 、 配箍特征值较小的试 件 KJ - O 2 、 KJ - O 3刚度退化较快。剪压 比较低
23、 、 混凝 土强度较高 的 注 : +KJ -0 1_ _KJ 一 02 KJ 一 0 3 KJ 一 0 4 一 KJ 一 0 5 +KJ 一 0 6 图 6 试件 的等 效粘滞阻尼与位移 比关系 Fi g 6 The Re l a t i o n s hi p o f v i s c o us r e s i s t a nc e a nd di s pl a c e me n t r a t i o o f s p e c i me n s 试件 KJ 一 0 4刚度退 化较慢 。 荷 载一 位移 滞 回 曲线 的骨 架 曲线 能 够 反 映 出 加 载过程 中试 件承 载 力 的退 化
24、程 度如 图 8 。反 向加 载 承载力( 梁端正弯矩作用) 退化较快, 主要 与梁端正 弯矩筋在节点内锚固性能退化以及节点顶部外推裂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 7 卷 A r 注 :+K J O l +IO- 0 2 一 K J - 0 3 KJ 一0 4 - ,卜KJ O5- _ IC I - 0 6 图 7各试件剐度的退化 Fi g 7 St i f f ne s s d e g r a d a t i o n of s pe c i me ns 缝 的过度开展直接相关 ; 位移延性 系数较高 的几个 试件
25、承载力退化速度较慢 , 试件 K J - O 5节点负弯矩 钢筋采用梁 内搭接方式 , 在正 、 反向加载下承载力 的 退化规律基本相 同。正 向加 载时, 在位移 比为 3 o 时试件还保持极高 的承载力水平 , 到位 移 比为 4 0 时承载力迅速下降 , 反向加载时 , 位移 比至 2 0达到 极限荷载后急剧下降, 试件破坏区域在节 点内侧靠 近梁端处。就其原 因与柱 内侧钢筋采用直锚 , 其锚 固长度没有取钢筋充分发挥屈服强度时 的长度而引 起后 期锚 固不 足 , 导致 粘结破 坏 有很 大关 系 。 薹 一 5 43 2 1 0 l 2 3 4 5 AI A y 注 : +K J
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- 配置 500 MPa 钢筋混凝土 框架 顶层 端节 抗震 性能 试验 研究
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