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钢纤维对无粘结部分预应力高强混凝土扁梁柱板边节点抗震性能的影响

林挺伟 (福建省永正工程质量检测有限公司 泉州 362600)

[摘 要] 通过 2 个无粘结部分预应力高强混凝土扁梁柱板边节点在低周反复荷载下的拟静力试验, 研究了节点核心区钢

纤维对扁梁柱板边节点的破坏形态、承载力、延性及耗能能力等抗震性能的影响。研究表明钢纤维能改善无粘结部分预应力高强

混凝土扁梁柱板边节点的破坏形态,然而, 由于节点在柱侧梁端产生塑性铰破坏, 在节点核心区掺入钢纤维对延性、承载力和耗能

能力提高不明显。

[关键词] 高强混凝土 扁梁 节点 抗震性能 钢纤维

Effect of steel fiber on the seismic resistant behavior of unbonded partially prestressed

high- strength concrete exterior flat beam- column- slab subassemblages

Abstract: Quasi- static cy clic lateral load test r esult s of two unbonded par tially prestressed high - streng th concrete ex terior flat

beam- column- slab subassemblages w ere presented. T his paper emphasizes the effect s of nodal r egion steel fiber on failure pat-

tern, lo ading capability , ductilit y, energ y dissipation. It can be seen that steel f iber can improve the failure pattern of unbonded

par tially pr est ressed high- str eng th concr ete exter io r flat beam- co lumn- slab subassemblages, but don't have obv ious improve-

ment on lo ading capability , ductility and energ y dissipation because the wide beam plast ic- hinge failur e is appear ed at the side o f

the co lumn.

Key words: high str eng th concr et e; flat beam; subassemblage; seismic r esistant behav io r ; steel fiber

1 引言

钢筋混凝土扁梁结构是一种新型的楼盖结构形式, 它是

在无梁楼盖的基础上发展起来的, 是介于框架梁板结构和无

梁楼盖结构之间的一种新型结构体系。该结构体系可以降低

建筑物层高, 因而在中、高层建筑中得到广泛的应用, 具有很

好的经济效益。

根据可查文献[1- 4] ,国内外学者仅对考虑其中某些参数

(扁梁、钢纤维、板和次梁、高强混凝土 )的框架节点的抗震性

能进行研究,均未针对考虑这些参数的无粘结部分预应力高

强混凝土扁梁柱板节点的抗震性能进行研究。本文研究节点

区域钢纤维对该节点的破坏形态、承载力、延性及耗能能力等

抗震性能的影响,对无粘结部分预应力高强混凝土扁梁楼盖

体系在地震区推广应用的可行性进行探索。

2 试验方案

( 1)构件设计

本文设计 4 个无粘结部分预应力高强混凝土扁梁柱板节

点,缩尺比例为 1/ 3,模拟扁梁楼盖体系顶部几层的边节点承

受水平低周反复荷载的情况。混凝土 28d 立方体抗压强度为

68MPa,板厚 60mm,节点箍筋为 25 8@ 100, 节点设计详见文

献[5] ,如图 1 所示。其中 J1 节点不带板和次梁, 其它三个节

点带板和次梁; J3施加的预应力大小为 J1、J2 和 J4 的 1/ 2; J4

节点区没有掺钢纤维,而其它 3 个节点则在节点区掺有体积

含量为 11 5% 的钢纤维; 这四个节点的其它方面完全相同。

本文主要对比 J2 和 J4 节点, 研究节点区钢纤维对无粘结部

分预应力高强混凝土扁梁柱板节点抗震性能的影响。

( 2)加载方案

本文采用柱端施加水平位移的加载方案, 如图 2 所示。

试验装置在柱底模拟固定铰支座,柱顶采用水平移动千斤顶

施加轴向压力。梁反弯点处用上下两个可滚动钢轮夹住, 使

梁端在反弯点处只承受剪力, 梁在柱顶水平位移作用下可左

右移动, 不能上下移动。柱顶水平低周反复荷载由美国 MT S

电液伺服系统作动器施加, 额定加载能力为 ? 500KN ,最大行

程为 ? 2031 2mm。作动器往西为正向加载, 往东为负向加

载[ 5]。

( 3)加载制度

试验时, 先施加轴向压力, 达到设计值后, 保持此轴向压

力恒定。正式试验前先施加较低水平反复荷载两次, 检查试

验装置及各测量仪表的工作是否正常。试验时按位移控制,

加载程序如图 3 所示。

3 试验结果分析

对抗震节点来说, 着重观察节点屈服以后的受力性能。

其试验结果通常用荷载- 变形的滞回曲线及有关参数来加以

分析。从国内外的研究情况来看,节点的抗震性能应从破坏

形态、承载力、延性和耗能能力几方面进行综合评定和对比,

以判断节点是否具有良好的恢复力特性。

( 1)破坏形态

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图 1 J1~ J4节点尺寸及配筋详图注: a1 梁、柱混凝土保护层 25mm,板 10mm。b1 直交梁的箍筋都布置

在节点外核芯区以外。c1 板筋沿两个垂直的主方向上布置。d1 核心区箍筋分为两层,每层上内、外核心区各有一个双肢箍。

图 2 加载装置

图 3 试验加载程序

两节点加载试验后, 核心区侧面与顶面裂缝均较少, 在

扁梁靠柱内侧端部顶面均有一条贯通主裂缝,且贯通整个板

面,二者均为柱侧梁端塑性铰破坏。这是由于柱、扁梁抗弯强

度比均大于 11 46,满足强柱弱梁的原则, 没有形成柱端塑性

铰破坏。另外,扁梁侧面均以垂直弯曲裂缝为主, 说明扁梁具

有足够的抗剪承载力。

从破坏形态上看,如图 4 和图 5 所示, J2、J4 梁底都有部

分剥落, 但 J4 剥落比较严重, 且 J4北侧面核心区交叉裂缝及

梁顶面外核心区裂缝明显比 J2 多,说明钢纤维能够改善节点

区的破坏形态, 抑制节点区裂缝的产生和发展。

( 2)承载能力

由表 1 可以看出, 掺有钢纤维能明显提高节点的初裂荷

载, 大约提高了 10%左右, 而对其屈服荷载和极限荷载提高

不明显。由节点的破坏形态分析可知, 两个节点均在柱侧梁

端形成塑性铰, 因此,其承载力提高不是很显著。

( 3)荷载- 位移滞回曲线

荷载- 位移滞回曲线滞回环面积是被用来评定结构耗能

能力的一项重要指标。滞回曲线中加载阶段荷载- 位移曲线

下所包围的面积可以反映结构吸收地震能量的大小, 即结构

产生的应变能; 而卸载时的曲线与加载曲线所包围的面积即

为耗散的能量。这些能量是通过材料的内部摩擦阻力或局部

损伤(如开裂、塑性铰转动)将能量转换为热能散到空间中去。

扁梁柱节点在低周反复荷载作用下的滞回曲线是在加载及其

循环过程中试件裂缝的发生、发展和闭合、钢筋的屈服和强

化、粘结退化和滑移;局部混凝土酥裂和剥落乃至破坏等现象

的综合反映。它使人们能从极限承载力、刚度和耗能能力等

方面综合评价试件的抗震性能和破坏机理[ 6]。

图 4 J2节点扁梁北侧面裂缝图

表 1 试验结果

编

号

初裂荷载( kN) 屈服荷载( kN) 极限荷载( kN)

正向

Pcr+

反向

P cr-

正向

Pcr+

反向

P cr-

正向

Pcr+

反向

P cr-

柱端位移

延性系数破坏形态

J2 45 - 55. 4 93. 1 - 99. 9 87. 6 - 103. 8 > 3. 0 梁端塑性铰破坏

J4 41 - 49. 6 90. 7 - 98. 2 81. 6 - 106. 0 > 3. 0梁端塑性铰破坏

表2 J2、J4耗能能力比较

试件

编号

位移( mm)

30 40 60 70 80 90

总面积

( kN # mm)

滞回环面积J2 1929 10521 23046 27458 34489 41068 138510

J4 1938 9885 20858 26831 32868 38652 131032

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图 5 J4节点扁梁北侧面裂缝图

图 6 J2节点柱端荷载- 位移滞回曲线

图 7 J4节点柱端荷载- 位移滞回曲线

比较图 6 与图 7, 可看出 J2 节点比 J4 节点滞回曲线更加

丰满,呈梭形, J4 曲线出现轻微捏缩现象,呈微弓形。这说明

在节点核心区混凝土中掺入钢纤维, 能够改善钢筋和混凝土

之间的粘结,减少钢筋的滑移, 使扁梁纵筋有更好的锚固。这

使地震作用有效传递给节点核心区, 避免了由于扁梁纵筋滑

移造成的核心区混凝土交叉斜裂缝的张开和闭合, 增强了节

点的刚度,从而使滞回曲线基本上不出现捏缩现象,滞回曲线

更加饱和,滞回环所包围的面积更大。然而本文 2 个节点均

为梁端弯曲破坏,节点核心区钢纤维的作用没有得到充分发

挥,所以它们之间的区别不很明显。

( 4)延性

混凝土构件的截面延性是指截面在破坏阶段的变形能

力,是抗震性能的一个重要指标。由表 1 可知, 两个节点柱端

位移延性系数均大于 31 0, 满足抗震设计的要求, 说明无粘结

预应力扁梁楼盖体系具有较好的延性,可用于地震区。

( 5)节点耗能能力

由表 2 可以看出: 无粘结预应力高强混

凝土扁梁柱节点具有较好的耗能能力,掺有钢纤维的 J2

节点比不掺钢纤维的 J4 节点滞回环面积大,说明在节点区混

凝土中掺入钢纤维能够改善钢筋和混凝土之间的粘结, 缓解

钢筋的滑移, 使扁梁纵筋有更好的锚固, 滞回环曲线更加饱

和, 其所包围的面积较大。但由于这 2 个节点均为柱侧梁端

形成塑性铰破坏, 钢纤维的作用没有得到充分发挥, 其对耗能

能力提高作用不是很明显。

4 结论

通过本文 2 个无粘结部分预应力高强混凝土扁梁柱板边

节点在低周反复荷载下的拟静力试验, 得到以下几个结论:

( 1)两节点均为柱侧梁端形成塑性铰破坏,最终均在靠近

柱内侧面的扁梁顶面形成一条贯穿整个板面的主裂缝, 钢纤

维的掺入可避免混凝土剥落, 改善节点区的破坏形态, 抑制节

点区裂缝的产生和发展。

( 2)节点核心区掺入钢纤维能显著提高节点的初裂荷载,

但对屈服荷载和极限荷载贡献不大。

( 3)两个节点的柱端位移延性系数LD> 31 0,满足延性抗

震设计要求, 说明无粘结预应力扁梁楼盖体系具有较好的延

性, 可用于地震区。

( 4) J2 节点的荷载- 位移滞回曲线呈现出梭形, 而 J4 节

点的荷载- 位移滞回曲线微显弓形, 节点核心区掺入钢纤维

能增大滞回环面积, 提高节点的耗能能力,但由于柱侧梁端形

成塑性铰的机制, 其提高作用不太明显。

( 5)在工程应用中,若无粘结部分预应力高强混凝土扁梁

柱板节点区箍筋较密, 可以考虑采用钢纤维取代部分箍筋, 一

方面抵抗节点的剪力, 另一方面提高节点的延性耗能能力, 然

而, 这方面需继续进行深入的试验和理论研究。

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作者简介: 林挺伟( 1978- ) , 男, 工学硕士, 研究方向: 结

构设计与检测鉴定。