鋼筋混凝土框架梁柱組合節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

鋼筋混凝土框架梁柱組合節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

1梁柱抗彎強(qiáng)度不足,難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的抗震要求在2008年的四川地震中，大多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的振動(dòng)器在“建筑抗強(qiáng)設(shè)計(jì)規(guī)范”中具有較好的抗強(qiáng)性能。然而，在受損的建筑物中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的總坍塌、傾斜和整體壓扁的整體破壞幾乎都是由柱的破壞引起的。所謂的強(qiáng)梁弱柱破壞模式?jīng)]有滿足強(qiáng)柱弱梁的抗強(qiáng)要求。為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁這種較為理想的破壞模式,首先要解決的便是調(diào)整梁柱抗彎強(qiáng)度。盡管我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定,但從歷次震害來(lái)看,我國(guó)規(guī)范還有提高的空間。為此,本課題組就這一問(wèn)題進(jìn)行了4個(gè)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)足尺構(gòu)件的低周反復(fù)試驗(yàn),以研究不同柱梁強(qiáng)度比值對(duì)混凝土框架抗震性能的影響。2體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各國(guó)對(duì)“強(qiáng)柱弱梁”的破壞機(jī)制都有相應(yīng)或類似的規(guī)定,用以增加地震作用下結(jié)構(gòu)整體和局部的延性。新西蘭規(guī)范DZ3101中,將梁柱組合構(gòu)件分為四種情況進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的抗剪和配筋計(jì)算:梁柱完全處于彈性階段,緊鄰柱面的梁端形成塑性鉸、遠(yuǎn)離柱面的梁端形成塑性鉸和柱端形成塑性鉸。歐洲規(guī)范Eurocode8中,為了滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性要求,除了對(duì)材料的延性有一定要求外,需要控制不同的結(jié)構(gòu)組成部分具有不同程度的承載能力,用以確保塑性鉸的合理布置從而避免脆性破壞。為了滿足上述條件,除非有特殊規(guī)定,兩層及兩層以上的框架結(jié)構(gòu)中,所有的主要抗震梁和次要抗震梁與抗震柱之間需要滿足以下關(guān)系:式中∑MRc為柱端彎矩承載力設(shè)計(jì)值之和,其中彎矩設(shè)計(jì)值中的最小值若處于在地震作用中由柱軸力提供的彎矩范圍內(nèi),也應(yīng)考慮在內(nèi);∑Rb為梁端彎矩承載力設(shè)計(jì)值之和。當(dāng)使用部分強(qiáng)度連接時(shí),部分強(qiáng)度連接的彎矩承載力也應(yīng)考慮在內(nèi)。另外,歐洲規(guī)范按照設(shè)計(jì)地震作用,根據(jù)設(shè)防烈度水準(zhǔn)的下降幅度越大;對(duì)結(jié)構(gòu)耗能能力和延性要求越嚴(yán)格的原則,將結(jié)構(gòu)分為L(zhǎng)(低延性等級(jí)),DCM(中等延性等級(jí))和DCH(高延性等級(jí))三檔。歐洲規(guī)范對(duì)DCM和DCH兩個(gè)延性等級(jí)均采用下式控制梁柱承載力:式中,MSc節(jié)點(diǎn)上、下柱端用于截面設(shè)計(jì)的彎矩之和;γRd為梁端抗彎能力的增大系數(shù);Mbu為節(jié)點(diǎn)左、右梁端按照實(shí)際配筋量和材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算的抗彎能力之和,分別按順時(shí)針和逆時(shí)針各計(jì)算一次,取較大者。對(duì)于DCM級(jí);對(duì)于DCH級(jí)。按照我國(guó)不成文的經(jīng)驗(yàn),通常認(rèn)為實(shí)際配筋量為設(shè)計(jì)配筋量的1.1倍,故(2)式可以表示為:式中,∑MSb為節(jié)點(diǎn)左、右梁端設(shè)計(jì)彎矩之和,分別按順時(shí)針和逆時(shí)針各計(jì)算一次,取較大者。滿足式(1)的要求。我國(guó)現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)規(guī)定,對(duì)于考慮抗震作用組合的一、二、三級(jí)框架柱,柱端組合的設(shè)計(jì)彎矩應(yīng)滿足式(5)的要求:∑Mc與∑Mb的定義見(jiàn)文獻(xiàn),為柱端彎矩增大系數(shù),一級(jí)取1.4,二級(jí)取1.2,三級(jí)取1.1。與延性要求較高的歐洲規(guī)范對(duì)比,我國(guó)規(guī)范中一級(jí)的柱端彎矩增大系數(shù)與歐洲規(guī)范DCH較為接近,但二級(jí)抗震等級(jí)與歐洲規(guī)范DHM相比偏小,值得進(jìn)一步研究。3試驗(yàn)總結(jié)3.1截面尺寸限制本文針對(duì)以上問(wèn)題,重點(diǎn)研究不同柱梁抗彎強(qiáng)度比對(duì)混凝土框架抗震性能的影響?？紤]在多、高層框架結(jié)構(gòu)中,梁所用混凝土強(qiáng)度通常為C30左右,由于柱截面尺寸限制,柱混凝土強(qiáng)度通常相應(yīng)提高。課題組在試驗(yàn)中選用強(qiáng)度為C30和C40的混凝土分別用于框架梁和框架柱。梁截面選用250mm×400mm,柱截面選用400mm×400mm。柱的軸壓比約為0.1。4個(gè)試件的柱梁抗彎強(qiáng)度比/分別為1.3、1.5、1.7和2.0。截面配筋及構(gòu)造要求滿足7度地區(qū)抗震等級(jí)二級(jí)的規(guī)定。試件配筋情況如表2所示。試件實(shí)際尺寸及截面配筋如圖1所示。試件所用混凝土力學(xué)性能見(jiàn)表3。3.2加載裝置及加載方式本次試驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有龍門架模擬邊界條件。組合件中柱的軸向力由附加于加力架上部的反力鋼梁和油壓千斤頂施加,軸力為200kN。水平力采用INSTRONSCHENCK伺服作動(dòng)器施加,施加水平低周反復(fù)荷載。INSTRONSCHENCK伺服作動(dòng)器能夠提供最大作用力1000kN,最大作用位移200mm。試件的加載裝置及支撐情況如圖2所示。3.3加載方式根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ-96),本試驗(yàn)采用擬靜力(低周反復(fù)加載)試驗(yàn)方法進(jìn)行。正式試驗(yàn)開(kāi)始前,先有安裝在柱頂?shù)那Ы镯斒┘哟怪毕蛳碌呢Q向荷載,取豎向力的40%～60%重復(fù)加載2～3次,以消除時(shí)間內(nèi)部組織的不均勻性。隨后柱頂?shù)呢Q向荷載一次性施加,在柱端加載并保持預(yù)設(shè)軸壓力200kN,并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持不變。首先,然后施加水平荷載。由于梁柱組合試件位移較大,為了試驗(yàn)過(guò)程安全,水平荷載的施加采用控制位移加載法。每次循環(huán)一周期,加載峰值為2,4,6,8mm……注意觀察節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂情況,每次循環(huán)后暫停加載以便觀察電腦所監(jiān)測(cè)的鋼筋應(yīng)變值及荷載增量情況。如果發(fā)現(xiàn)梁的受拉縱筋達(dá)到屈服應(yīng)變或荷載增量明顯減小時(shí),立即停止加載,并記錄相應(yīng)屈服位移Δv和屈服荷載Py。之后按照屈服時(shí)的水平側(cè)移Δy倍數(shù)控制加載,即分別在試件的位移幅值達(dá)Δy,2Δy,3Δy,4Δy……進(jìn)行兩次往復(fù)循環(huán)加載,逐級(jí)加載直到荷載值已低于最高荷載Pmax的85%時(shí)或滯回曲線出現(xiàn)明顯不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),認(rèn)為破壞,終止試驗(yàn)。4在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果分析中4.1節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞特征J1屬于梁端彎曲-核心區(qū)剪切破壞。加載至30mm時(shí),節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生較多X型裂縫。加載至2Δy時(shí),梁柱交界面產(chǎn)生明顯裂縫。4Δy時(shí),核心區(qū)產(chǎn)生了約為1mm的裂縫,梁端產(chǎn)生大量裂縫。5Δ、時(shí),核心區(qū)形成大量X型裂縫,混凝土被大面積壓碎,核心區(qū)中間部分混凝土和柱邊緣混凝土剝落,縱筋和箍筋外露,梁上也有不少受彎裂縫,梁端接近柱表面處存在混凝土剝落。J2屬于梁端塑性鉸破壞。加載至2Δy時(shí),節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生較多X型裂縫,梁柱交界面產(chǎn)生較明顯裂縫,并向梁遠(yuǎn)端延伸。3Δy時(shí),梁端裂縫交匯并擴(kuò)大。4Δy時(shí),梁端上下均有不同程度的混凝土剝落。核心區(qū)也有大量X型裂縫和少量混凝土剝落。5Δy時(shí),梁端大量混凝土剝落,露出縱筋和箍筋。由于縱筋彎曲導(dǎo)致的梁端混凝土明顯地膨脹變形,核心區(qū)X型裂縫進(jìn)一步延伸擴(kuò)大并伴隨少量混凝土剝落。J3屬于梁端塑性鉸破壞。加載至28mm時(shí),梁柱交界面產(chǎn)生明顯裂縫。加載至4Δy時(shí),梁端產(chǎn)生較多裂縫并向遠(yuǎn)端延伸,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生少量X型裂縫。5Δy時(shí),梁柱交界處破壞非常明顯,梁和柱的表面,混凝土均有不同程度的剝落。6Δy時(shí),裂縫擴(kuò)展明顯,尤其是梁的下端臨近柱表面處有大量混凝土剝落,鋼筋外露。核心區(qū)裂縫變化不明顯。J4屬于梁端塑性鉸破壞。加載至22mm時(shí),梁柱交界面產(chǎn)生較明顯裂縫。加載至52mm時(shí),梁端出現(xiàn)較多細(xì)小裂縫,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生少量X型裂縫。3Δy時(shí),梁端裂縫擴(kuò)展,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)更多X型裂縫。5Δy時(shí),在梁端距離柱表面15cm處產(chǎn)生較大裂縫,混凝土剝落,箍筋外露。核心區(qū)裂縫較稀疏。試件最終破壞情況如圖3所示。4.2梁端節(jié)點(diǎn)位移試件的荷載位移滯回曲線如圖4所示。從滯回曲線可以看出J2和J4下降段較小,可見(jiàn)加載不夠徹底。推測(cè)J2和J4的極限位移應(yīng)大于實(shí)測(cè)位移。J1、J2、J3、J4隨著梁抗彎強(qiáng)度的依次降低,滯回曲線中的最大荷載依次變小。說(shuō)明在柱混凝土強(qiáng)度高于梁,且柱梁抗彎強(qiáng)度比值較大的情況下,梁柱節(jié)點(diǎn)破壞主要以梁的延性破壞為主,達(dá)到較為合理的梁端塑性鉸耗能機(jī)制。荷載的具體對(duì)比情況見(jiàn)表4。設(shè)柱頂水平極限位移為Δu,柱頂水平屈服位移為Δy,則位移延性系數(shù)為μ=Δu/Δy。各試件見(jiàn)表5。極限位移的總體情況與極限荷載情況基本相同。J2、J3和J4為梁端彎曲破壞,隨著梁抗彎強(qiáng)度的降低,屈服位移相應(yīng)減小,極限位移也相應(yīng)減小,位移延性系數(shù)相應(yīng)增大?？梢?jiàn),當(dāng)破壞形式偏向于核心區(qū)剪切破壞時(shí)(如構(gòu)件J1),構(gòu)件的整體延性低于梁端受彎破壞時(shí)的延性(J2、J3、J4)。試件梁端鋼筋應(yīng)變的變化情況與節(jié)點(diǎn)的宏觀破壞現(xiàn)象比較吻合?？v筋應(yīng)變的第一次激增與試驗(yàn)中觀察到的梁端裂縫的明顯出現(xiàn)幾乎同步。圖5所示為節(jié)點(diǎn)J2的梁端縱筋應(yīng)變變化的典型情況?？梢?jiàn)梁端鋼筋的變形幅度較大,具有較強(qiáng)的耗能能力。隨著縱筋的逐步屈服,梁端混凝土破壞程度逐步加劇,最終造成節(jié)點(diǎn)梁端塑性鉸破壞。4個(gè)試件的P-△骨架曲線如圖6所示。可見(jiàn)4個(gè)試件在彈性階段的荷載和位移情況基本相同,曲線近乎重合。但從骨架曲線所包圍的面積來(lái)看,從J1到J4,4個(gè)試件的剛度依次降低。J1和J2剛度較接近,J3和J4剛度較接近。說(shuō)明在柱的抗彎強(qiáng)度不變的前提下,隨著柱梁抗彎強(qiáng)度比值的增大,梁柱節(jié)點(diǎn)的整體剛度逐漸下降。在柱梁抗彎強(qiáng)度比值較大的情況下,“弱梁”會(huì)分擔(dān)更多地震作用,從而保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)和柱的安全。5節(jié)點(diǎn)抗彎性能柱梁抗彎強(qiáng)度比即柱端彎矩增大系數(shù)是保證鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有足夠抗震性能的關(guān)鍵措施,必須重視。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,主要結(jié)論是:(1)隨著柱梁抗彎強(qiáng)度比的增大,梁柱節(jié)點(diǎn)組合件的整體延性有較明顯的提高,值為1.5和1.7的兩個(gè)構(gòu)件J2和J3之間的延性差距較大。(2)從破壞現(xiàn)象來(lái)看,當(dāng)保持柱端的抗彎承載力不變,降低梁端的抗彎承載力,實(shí)際上減少了柱在水平地震作用下對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域抗震耗能的貢獻(xiàn),十分有利于梁端塑性鉸的形成以及梁端裂縫的開(kāi)展,從而保護(hù)以