新型箍筋装配式混凝土梁柱节点抗震性能研究_裘煜.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期新型箍筋装配式混凝土梁柱节点抗震性能研究裘 煜 邹小舟 罗运海 李丽娟 武念铎 王小平 熊 哲 谢龙盼（广东翔顺建设集团有限公司，广东云浮；广东工业大学土木与交通工程学院，广州；中国建筑第八工程局有限公司，上海）摘 要：针对一笔箍筋和多螺旋箍筋（简称“新型箍筋”）优异的约束效果，提出新型箍筋增强装配式混凝土梁柱节点。按照节点强弱、类型和施工方法以及箍筋形式的不同，共设计 个足尺混凝土梁柱节点试件。依据低周往复荷载试验结果，对节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、强度退化、刚度退化和节点转角进行讨论。结果表明：强节点试件发生梁端弯曲破坏，弱节点组试件发生节点剪切破坏；新型箍筋装配式梁柱节点滞回曲线饱满，其抗震性能指标均和现浇节点相差不大；新型箍筋装配式节点转角变形大于现浇节点。此外，混凝土结构设计规范能适用于新型箍筋装配式梁柱节点的设计，并且具备一定的安全储备。关键词：新型箍筋；装配式混凝土；梁柱节点；抗震性能 ：.（，；，；，）：（），：，；，；，（），：；国家自然科学基金项目（、）；广东省企业科技特派员专项（）。第一作者：裘煜，男，年出生，高级工程师。通信作者：熊哲，男，年出生，博士，副教授，。收稿日期：传统混凝土结构受到施工方式的制约，施工周期长、环境污染大等弊端已严重制约行业的发展。装配式结构作为转型发展的主要方向，是目前研究和应用的热点。但是大量地震破坏表明：装配式结构梁柱节点在地震破坏中最为严重，是结构最薄弱环节。因此改善节点抗震性能，已成为装配式结构发展的关键。傅剑平等指出，轴压比、梁柱纵筋、节点箍筋以及混凝土强度均可影响节点抗震性能。郭子雄等采用型钢取代混凝土梁。戎贤团队采用新型箍筋装配式混凝土梁柱节点抗震性能研究 裘 煜，等 高强钢筋代替梁柱纵筋。等引入高延性混凝土取代普通混凝土。试验结果表明：采用钢梁、梁柱纵筋置换，高性能混凝土均可获得良好的抗震性能，但是会造成节点施工困难和浇筑问题。因此，从箍筋构造方式考虑，提出新型箍筋应用于装配式梁柱节点。和传统箍筋相比，新型箍筋具有优异的约束效果。文献介绍了对多螺旋箍筋柱的轴压强度的研究，文献介绍了对“一笔箍筋节点”的研究。文献的研究结果均显示出多螺旋箍筋柱和“一笔箍筋节点”均展现出良好的承载能力和延性。因此通过开展新型箍筋装配式梁柱节点抗震性能试验，对破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、强度退化、刚度退化和节点转角进行分析，为装配式节点的设计应用提供参考。试验设计.节点制作新型箍筋装配式梁柱节点由预制上柱、预制下柱，左叠合梁、右叠合梁（边节点不包含）组成。其制作过程包括 个步骤，如图 所示。）绑扎预制梁和预制柱钢筋，其中，预制上、下柱均采用多螺旋箍筋，以达到提升混凝土柱承载能力的目的。）浇筑预制梁和预制柱，预制梁上部预留 厚作为后浇叠合层，预制下柱纵筋预留规定长度用于钢筋连接，预制上柱柱底预埋灌浆套筒。）完成梁叠合层钢筋及节点核心区一笔箍筋的绑扎，并装配左、右叠合梁和预制下柱，通过浇筑节点核心区及梁叠合层混凝土完成连接。）通过预制下柱伸长纵筋，与预制上柱底部预埋套筒完成灌浆连接。待套筒灌浆料达到设计强度后，即可进行抗震性能试验。钢筋绑扎；预制试件制作；梁柱节点连接；上柱连接。图 装配式节点制作过程 .节点设计节点设计中，考虑了节点强弱、类型和施工方法以及箍筋形式的不同，其中，按照节点强弱，分为强节点组（用“”表示）和弱节点组（用“”表示）；按照节点类型，分为中节点（用“”表示）和边节点（用“”表示）；按照施工方法，分为装配式节点（用“”表示）和现浇节点（用“”表示）；考虑的箍筋形式有传统复合箍筋（由多个箍筋组合而成）、“一笔箍筋”（由一根完整的钢筋弯折加工而成）和多螺旋箍筋（由中间大螺旋箍筋和四个角部小螺旋箍筋组成），详见图。因此，共设计 个混凝土梁柱节点足尺试件，对其进行抗震性能试验，试件设计参数如表 所示。各试件尺寸均一致，同组试件配筋率均相同。试件柱总高.，梁至柱边长.，梁、柱截面尺寸分别为 和 。柱配 根直径 的纵筋。对于现浇节点，箍筋采用普通复合箍筋，直径 ，间距，节点区加密箍筋间距为 。对于新型箍筋装配式节点，节点区采用“一笔箍筋”加密，其直径 ，间距 ；柱采用多螺箍，大螺箍直径 ，小螺箍直径.，间距均为。梁配直径为 、间距为 的箍筋。对于强节点组试件，梁上下各配 根直径 的纵筋；对于弱节点组试件，梁上下各配 根直径 的纵筋。工业建筑 年第 卷第 期、；、；、。图 梁柱节点配筋 .材性试验各试件混凝土强度等级均为，钢筋纵筋直径为，箍筋直径为，.，灌浆套 表 试件设计参数 试件分组试件编号箍筋形式核心区柱梁强节点组（）“一笔箍筋”多螺箍筋双肢箍筋“复合箍筋”复合箍筋“一笔箍筋”多螺箍筋弱节点组（）“一笔箍筋”多螺箍筋“复合箍筋”复合箍筋“一笔箍筋”多螺箍筋筒采用全灌浆球墨铸铁套筒，外径和长度分别为，灌浆料采用超高强无收缩灌浆料。材料的实测性能指标如表 所示。表 混凝土立方体抗压强度，.表 钢筋力学性能指标 钢筋型号钢筋直径 屈服强度 极限强度 弹性模量.表 灌浆套筒力学性能指标 屈服强度 极限强度 总伸长率 残余变形.、分别为单轴拉伸试验屈服强度和极限强度；、分别为单轴拉伸试验伸长率和残余变形；、分别为大变形反复拉压试验 次和 次的残余变形；为高应力反复拉压试验 次的残余变形。.加载装置及加载制度试件加载装置及现场试验如图 所示。在柱上端施加水平方向低周往复荷载，柱顶采用 液压千斤顶施加恒定轴向荷载，轴压比为.。柱脚用铰支座，梁端用竖向铰支撑，液压千斤顶与反力架之间采用滑动支座来模拟节点在地震荷载中的约束条件。节点处梁端与柱端变形通过梁柱交接处位移计测得，位移计布置情况如图 所示。试验采用位移控制加载程序，初始加载位移分别为.，.，此后以 为级差递增。之前位移加载循环 次，之后位移加载循环 次，直至试件破坏终止试验。试件加载制度如图 所示。加载过程中出现荷载下降至极限荷载 以下时，视为试件破坏。新型箍筋装配式混凝土梁柱节点抗震性能研究 裘 煜，等 节点；节点。图 试验加载装置 节点；节点。图 位移计测点布置 图 加载制度 试验结果及分析.试验过程及破坏特征所有试件最终破坏形态如图 所示。整个加载过程中，个节点均经历了初裂、屈服、极限和破坏阶段。对于强节点组试件，在加载初期（位移级为），、节点梁端底部均产生初始裂纹。随着位移增大，节点区梁端出现多条垂直裂缝，并向远离节点方向扩展，同时在梁的中部产生多条交叉斜裂缝。当水平位移达 时，、节点梁端裂缝贯通，加载过程中伴有“劈啪”响声，钢筋已出现滑移现象。节点梁端裂缝贯通滞后到 时，主要原因是框架边节点梁端约束较弱，变形能力增加。当水平位移达 ；。图 试件破坏形态 工业建筑 年第 卷第 期左右时，、节点梁端产生明显塑性铰，节点产生塑性铰滞后到 时。继续加载，靠近节点的梁端出现部分混凝土剥落现象，同时节点核心区出现少量微小裂缝，破坏时、和 节点水平位移（取均值，下同）分别为.，.，.。从强节点组试件破坏过程可以看出，个试件均发生梁端弯曲破坏，初裂时加载位移相近（约 ），在梁端产生贯通裂缝至破坏阶段，中节点比边节点水平加载位移略小，、节点最终破坏位移比 节点分别提升.和.。说明采用新型箍筋后，装配式节点表现出良好的变形能力。对于弱节点组试件，初裂阶段破坏形态与强节点组试件基本相同。位移达到 时，在节点核心区产生斜裂缝，同时在节点柱端部位产生水平裂缝，和 节点核心区裂缝发展更快。当水平位移达 时，和 节点核心区混凝土开裂严重，靠近核心区柱端的水平裂缝出现不同程度扩展，边节点 开裂相对滞后。破坏时、和 节点的水平位移分别为.，.，.。从弱节点组试件破坏过程可以看出，个试件从节点产生斜裂缝到最后破坏，新型箍筋装配式节点 破坏时水平位移最大，比现浇节点 高.，边节点 破坏位移与现浇节点 相当。.滞回曲线所有试件滞回曲线如图 所示。可见：个试件正负向滞回曲线基本对称，中节点对称性更好，主要与中节点左、右梁端约束有关，在往复荷载作用下承载力发挥更佳。整个加载过程中，强节点组试件滞回曲线更为饱满，弱节点组试件滞回曲线的捏缩效应较为明显，由于边节点约束较弱，滞回曲线有明显的水平滑移段。此外，新型箍筋装配式节点 滞回曲线的饱满程度最佳，节点 的饱满程度优于同组现浇节点，试件的捏缩效应最明显，反映出强节点组试件屈服后，梁端塑性铰展现出良好的延性性能，滞回曲线更为饱满。装配式中节点由于新型箍筋约束效果好，滞回曲线均略优于同组现浇节点。；。图 试件滞回曲线 .骨架曲线试件的骨架曲线如图 所示。可见：个试件的骨架曲线变化规律基本一致。在荷载上升阶段，节点试件的骨架曲线表现出相似的增长趋势，且新型箍筋装配式梁柱节点的骨架曲线与现浇节点的基本重合。相比强节点组试件，弱节点组试件的整体新型箍筋装配式混凝土梁柱节点抗震性能研究 裘 煜，等 刚度更大，节点域性能得到充分发挥，节点具备更大的承载能力。另外，中节点的极限承载力、初始刚度均高于边节点的，这与梁对节点的约束效果有关。节点；节点。图 试件骨架曲线 .延性系数延性系数反映结构的塑性变形能力，采用位移延性系数反映节点的塑性。从表 可以看出：除边节点 外，其余节点的延性系数均超过，表现出较好的塑性性能。强节点组试件的延性系数均高于相应弱节点组试件的，由此可见，在节点设计中应遵循“强节点，弱构件”的原则。新型箍筋装配式梁柱中节点的延性系数均不小于同组现浇节点的，强节点组试件 试件比 试件的延性系数高，与 试件的延性系数相当。此外，由于梁对节点的约束效果不同，新型箍筋装配式梁柱中节点延性系数明显高于同组的新型箍筋装配式梁柱边节点，试件比 试件的延性系数高.；试件比 试件的延性系数高。.耗能分析构件的耗能能力通常采用等效黏滞阻尼比来评价，各试件的等效黏滞阻尼比 计算值如图 所示。可见：加载初期各试件等效黏滞阻尼比 变化均较小，试件处于弹性变形阶段；在水平位移达到 后，强节点组试件等效黏滞阻尼比 表 节点延性系数 试件编号 .节点；节点。图 节点等效黏滞阻尼比 明显增加，幅值在.之间变化；弱节点组试件变化较小；新型箍筋装配式梁柱节点 和 在加载后期的等效黏滞阻尼比 均大于现浇节点；弱节点组试件中，前期现浇节点的等效黏滞阻尼比 最大，后期三者能达到相同的耗能能力。.强度退化强度退化系数 用于评价梁柱节点在第 级加载下第 次循环的承载能力退化程度，为第 级加载下第 次循环峰值荷载与第 级加载下第 次循环峰值荷载的比值。强度退化系数越大，试件承载能力越好。图 为各试件在不同位移下，第二次和第三次循环位移的强度退化系数 和。可知：除现浇节点 外，其余梁柱节点强度退化系数 和 工业建筑 年第 卷第 期图 节点强度退化曲线 均较大，表明各试件承载能力良好；节点 强度退化系数 和（阶段）急剧减小的原因是试件破坏后，普通复合箍筋混凝土损伤最为严重；强节点组试件中，新型箍筋装配式节点、的强度退化系数 和 大于现浇节点 的；弱节点组试件的强度退化系数表现出相似的结论。.刚度退化刚度退化是结构抗震性能计算的重要参考指标，通常采用环线刚度 表征，为第 级循环下峰值荷载之和与对应位移之和的比值。各试件第一次循环荷载下的环线刚度 曲线如图 所示。可知：在加载初期，各试件均出现较大幅度的刚度退化，其中装配式节点更加突出，主要是加载初期装配式节点钢筋与混凝土协同作用较差；在后期加载中，各试件刚度退化均趋于缓和。整个加载过程中，弱节点组试件的刚度值均大于强节点组试件的，新型箍筋装配式节点、的刚度曲线均高于现浇节点、的。.位移转角曲线根据设置在节点处的位移计，可计算得到各试件的梁柱转角随加载位移变化情况，计算结果如图 所示。可以看出：各试件的梁柱转角随加载位移的增加而增大，强节点组试件的梁柱转角均大于弱节点组试件的；在加载初期，不同试件梁柱转角值均较小，达到屈服阶段（左右）后，强节点组试件的柱端转角发生快速上升，弱节点组试件的增幅相对平缓，主要与 组试件整体刚度增大有关，节点转动较小；梁端转角在位移达到 时，转角变形增长较快；整个加载过程中，边节点 破坏时柱端转角最大，新型箍筋装配式节点、的柱端转角均大于现浇节点、的；梁端转角中，节点 破坏时梁端转角最大，达到现浇节点 的变形要求；节点 的梁端转角亦大于同组现浇节点。节点试件；节点试件。图 节点刚度退化曲线 柱端转角；梁端转角。；。图 试件梁柱位移转角曲线 承载力计算根据 混凝土结构设计规范，强节点组试件的梁端弯矩可以采用式（）计算：新型箍筋装配式混凝土梁柱节点抗震性能研究 裘 煜，等 （）（）式中：为梁端弯矩；为混凝土轴心抗压强度；为梁截面有效高度；为混凝土受压区高度。弱节点组试件节点核心区剪力可以采用式（）计算：|（）式中：为节点区剪力；为节点区梁端弯矩之和；为上、下柱反弯点间的距离；、分别为梁截面高度和有效高度；为梁受压边缘到受压钢筋合力点的距离。节点区剪力可以采用式（）计算：.（）式中：为正交梁约束影响系数，中节点取.，边节点取.；为节点区有效验算宽度范围内箍筋截面面积；为箍筋间距；为上柱轴力；、分别为节点核心区的截面宽度、高度；为验算方向柱的截面高度。根据式（）式（）可以求出梁端弯矩以及节点剪力。按照混凝土与钢筋强度取试验实测值，峰值荷载取双向加载平均值，取 ，、均取，取.，取.，、均取。计算结果如表、所示。表 弯矩试验值与理论值比较 试件分组试件编号峰值荷载 弯矩（）试验值，计算值，强节点组（）.表 剪力试验值与理论值比较 试件分组试件编号峰值荷载 剪力 试验值，计算值，弱节点组（）.由表 可知：对于强节点组试件，其试验值均大于计算值，误差在.之间，平均误差为.。由此可见，可用于文中提出的新型箍筋装配式混凝土梁柱节点，并且具有足够的安全冗余度。由表 可知：对于弱节点组试件，其试验值与计算值误差在.，平均误差为.，两者结果较为接近，验证了抗剪承载力算式的正确性。结束语）新型箍筋增强装配式梁柱节点的破坏形态和现浇梁柱节点相似。强节点组试件发生梁端弯曲破坏；弱节点组试件发生节点剪切破坏，柱端水平裂缝更加明显。）强节点组试件的滞回曲线更加饱满；弱节点组试件的骨架曲线更高，承载力更大。新型箍筋装配式梁柱节点的滞回曲线饱满程度优于现浇节点，骨架曲线与现浇节点基本重合，且延性系数较大。）强节点组试件耗能能力更大、强度退化较慢，表现出较好的塑性性能；弱节点组试件节点刚度较大，耗能能力较弱。新型箍筋装配式梁柱节点等效黏滞阻尼系数、强度退化系数均高于现浇节点，刚度曲线表现为加载初期刚度值较小，破坏时达到现浇节点要求。）强节点组试件梁柱转角均大于弱节点组试件。新型箍筋装配式节点柱端转角破坏时大于现浇节点，梁端转角表现出相似的结论。）采用梁端受弯承载力算式和节点区受剪承载力算式对试验节点试件进行验算，试验值和计算值均相差不大，验证了承载力公式的正确性。另外，可用于设计新型箍筋装配式混凝土梁柱节点，并且具有一定的安全储备。参考文献 ，：，：，（）：，：傅剑平 钢筋混凝土框架节点抗震性能与设计方法研究重庆：重庆大学，（下转第 页）工业建筑 年第 卷第 期 曲线与传统静载荷试验（顶压有土桩）获得的曲线，无论是承载力或者变形趋势，吻合性都很高，表明提出的“自锚试桩”曲线转换式具有较高的可靠度。结束语通过对“顶拉桩”“顶压无土桩”“顶压有土桩”（传统静载试验桩）、“自锚试桩”试验研究和分析，获得以下结论：）“顶拉桩”表现为突然破坏，“顶压无土桩”表现为延时破坏。“顶压有土桩”的桩侧摩阻力先发挥，桩端阻力后发挥，桩侧摩阻力发挥后，增加的荷载主要由桩端土承担，摩阻力增加不明显。）根据桩侧摩阻力与位移的线性关系，提出了由“自锚试桩”曲线转换为传统静载荷试桩 曲线的两段转换法，并构建了转换算式。）经原位试验桩验证，构建的两段转换算式转换的“自锚试桩”曲线与传统静载荷试桩 曲线吻合性高。参考文献 ，（）：，（）：.（）.田欣静载荷试验中压重平台引起的地表位移分析路基工程，（）：袁从华，章光大吨位堆载法对单桩承载力试验的影响岩土力学，（）：卢坤林，杨扬锚桩对静载荷试验成果的影响分析 合肥工业大学学报（自然科学版），（）：，（）：，（）：叶建辉，郑韶鹏，谢志招，等 垂直静载荷试验设计方案及成果初探水文地质工程地质，（）：朱晓伟超大吨位静载试验的防倾覆措施铁道建筑技术，（）：李翔宇，盛志强，陈立根，等南京金茂广场二期超大吨位基桩静载荷试验研究建筑科学，（增刊）：安康，刘晔，臧明飞，等锚桩法在超高吨位钻孔灌注桩静载荷试验中的应用江苏建筑，（）：范燕红，刘泳钢，任鹏桩承载力自平衡法与桩传统静载试验法对比试验研究建筑科学，（）：，：.，（），（）：周俊鹏，黄雪峰，刘自龙，等黄土地基中微型抗压与抗拔桩对比试验研究水利与建筑工程学报，（）：王钦科，马建林，胡中波，等浅覆盖层软质岩中抗拔桩承载特性现场试验研究岩土力学，（）：华南理工大学，浙江大学，湖南大学基础工程北京：中国建筑工业出版社，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑基桩自平衡静载试验技术规程：北京：中国建筑工业出版社，（上接第 页）傅剑平，张川，白绍良 钢筋混凝土抗震框架节点各机构传递剪力的定量分析 建筑结构学报，（）：郭子雄，朱奇云，刘 阳，等 装配式钢筋混凝土柱钢梁框架节点抗震性能试验研究 建筑结构学报，（）：戎贤，苏天姣，杨春晖，等 高强钢筋高韧性混凝土边节点抗震性能研究 工业建筑，（）：，张健新，戎贤，吴海超 配置 级钢筋混凝土框架边节点滞回性能试验研究 工业建筑，（）：，（）：，：，：，：刘炯 新型预制钢筋混凝土梁柱节点抗震性能测试与研究 特种结构，（）：唐九如 钢筋混凝土框架节点抗震 南京：东南大学出版社，姚谦峰，陈平 土木工程结构试验 北京：中国建筑工业出版社，张祥威，刘继明，吴成龙，等 预制装配式钢骨混凝土组合柱基节点抗震性能研究 工业建筑，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土结构设计规范：北京：中国建筑工业出版社，