钢筋混凝土框架梁柱组合节点抗震性能试验研究

钢筋混凝土框架梁柱组合节点抗震性能试验研究

1梁柱抗弯强度不足,难以实现强柱弱梁的抗震要求在2008年的四川地震中，大多数钢筋混凝土结构的振动器在“建筑抗强设计规范”中具有较好的抗强性能。然而，在受损的建筑物中，钢筋混凝土框架结构的总坍塌、倾斜和整体压扁的整体破坏几乎都是由柱的破坏引起的。所谓的强梁弱柱破坏模式没有满足强柱弱梁的抗强要求。为实现强柱弱梁这种较为理想的破坏模式,首先要解决的便是调整梁柱抗弯强度。尽管我国建筑抗震设计规范对其进行了详细的规定,但从历次震害来看,我国规范还有提高的空间。为此,本课题组就这一问题进行了4个钢筋混凝土梁柱节点足尺构件的低周反复试验,以研究不同柱梁强度比值对混凝土框架抗震性能的影响。2体系结构设计各国对“强柱弱梁”的破坏机制都有相应或类似的规定,用以增加地震作用下结构整体和局部的延性。新西兰规范DZ3101中,将梁柱组合构件分为四种情况进行节点的抗剪和配筋计算:梁柱完全处于弹性阶段,紧邻柱面的梁端形成塑性铰、远离柱面的梁端形成塑性铰和柱端形成塑性铰。欧洲规范Eurocode8中,为了满足整个结构和构件的延性要求,除了对材料的延性有一定要求外,需要控制不同的结构组成部分具有不同程度的承载能力,用以确保塑性铰的合理布置从而避免脆性破坏。为了满足上述条件,除非有特殊规定,两层及两层以上的框架结构中,所有的主要抗震梁和次要抗震梁与抗震柱之间需要满足以下关系:式中∑MRc为柱端弯矩承载力设计值之和,其中弯矩设计值中的最小值若处于在地震作用中由柱轴力提供的弯矩范围内,也应考虑在内;∑Rb为梁端弯矩承载力设计值之和。当使用部分强度连接时,部分强度连接的弯矩承载力也应考虑在内。另外,欧洲规范按照设计地震作用,根据设防烈度水准的下降幅度越大;对结构耗能能力和延性要求越严格的原则,将结构分为L(低延性等级),DCM(中等延性等级)和DCH(高延性等级)三档。欧洲规范对DCM和DCH两个延性等级均采用下式控制梁柱承载力:式中,MSc节点上、下柱端用于截面设计的弯矩之和;γRd为梁端抗弯能力的增大系数;Mbu为节点左、右梁端按照实际配筋量和材料强度设计值计算的抗弯能力之和,分别按顺时针和逆时针各计算一次,取较大者。对于DCM级;对于DCH级。按照我国不成文的经验,通常认为实际配筋量为设计配筋量的1.1倍,故(2)式可以表示为:式中,∑MSb为节点左、右梁端设计弯矩之和,分别按顺时针和逆时针各计算一次,取较大者。满足式(1)的要求。我国现行的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定,对于考虑抗震作用组合的一、二、三级框架柱,柱端组合的设计弯矩应满足式(5)的要求:∑Mc与∑Mb的定义见文献,为柱端弯矩增大系数,一级取1.4,二级取1.2,三级取1.1。与延性要求较高的欧洲规范对比,我国规范中一级的柱端弯矩增大系数与欧洲规范DCH较为接近,但二级抗震等级与欧洲规范DHM相比偏小,值得进一步研究。3试验总结3.1截面尺寸限制本文针对以上问题,重点研究不同柱梁抗弯强度比对混凝土框架抗震性能的影响。考虑在多、高层框架结构中,梁所用混凝土强度通常为C30左右,由于柱截面尺寸限制,柱混凝土强度通常相应提高。课题组在试验中选用强度为C30和C40的混凝土分别用于框架梁和框架柱。梁截面选用250mm×400mm,柱截面选用400mm×400mm。柱的轴压比约为0.1。4个试件的柱梁抗弯强度比/分别为1.3、1.5、1.7和2.0。截面配筋及构造要求满足7度地区抗震等级二级的规定。试件配筋情况如表2所示。试件实际尺寸及截面配筋如图1所示。试件所用混凝土力学性能见表3。3.2加载装置及加载方式本次试验使用实验室现有龙门架模拟边界条件。组合件中柱的轴向力由附加于加力架上部的反力钢梁和油压千斤顶施加,轴力为200kN。水平力采用INSTRONSCHENCK伺服作动器施加,施加水平低周反复荷载。INSTRONSCHENCK伺服作动器能够提供最大作用力1000kN,最大作用位移200mm。试件的加载装置及支撑情况如图2所示。3.3加载方式根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ-96),本试验采用拟静力(低周反复加载)试验方法进行。正式试验开始前,先有安装在柱顶的千斤顶施加垂直向下的竖向荷载,取竖向力的40%～60%重复加载2～3次,以消除时间内部组织的不均匀性。随后柱顶的竖向荷载一次性施加,在柱端加载并保持预设轴压力200kN,并在整个试验过程中保持不变。首先,然后施加水平荷载。由于梁柱组合试件位移较大,为了试验过程安全,水平荷载的施加采用控制位移加载法。每次循环一周期,加载峰值为2,4,6,8mm……注意观察节点开裂情况,每次循环后暂停加载以便观察电脑所监测的钢筋应变值及荷载增量情况。如果发现梁的受拉纵筋达到屈服应变或荷载增量明显减小时,立即停止加载,并记录相应屈服位移Δv和屈服荷载Py。之后按照屈服时的水平侧移Δy倍数控制加载,即分别在试件的位移幅值达Δy,2Δy,3Δy,4Δy……进行两次往复循环加载,逐级加载直到荷载值已低于最高荷载Pmax的85%时或滞回曲线出现明显不稳定状态时,认为破坏,终止试验。4在实验现象和结果分析中4.1节点核心区破坏特征J1属于梁端弯曲-核心区剪切破坏。加载至30mm时,节点核心区产生较多X型裂缝。加载至2Δy时,梁柱交界面产生明显裂缝。4Δy时,核心区产生了约为1mm的裂缝,梁端产生大量裂缝。5Δ、时,核心区形成大量X型裂缝,混凝土被大面积压碎,核心区中间部分混凝土和柱边缘混凝土剥落,纵筋和箍筋外露,梁上也有不少受弯裂缝,梁端接近柱表面处存在混凝土剥落。J2属于梁端塑性铰破坏。加载至2Δy时,节点核心区产生较多X型裂缝,梁柱交界面产生较明显裂缝,并向梁远端延伸。3Δy时,梁端裂缝交汇并扩大。4Δy时,梁端上下均有不同程度的混凝土剥落。核心区也有大量X型裂缝和少量混凝土剥落。5Δy时,梁端大量混凝土剥落,露出纵筋和箍筋。由于纵筋弯曲导致的梁端混凝土明显地膨胀变形,核心区X型裂缝进一步延伸扩大并伴随少量混凝土剥落。J3属于梁端塑性铰破坏。加载至28mm时,梁柱交界面产生明显裂缝。加载至4Δy时,梁端产生较多裂缝并向远端延伸,节点核心区产生少量X型裂缝。5Δy时,梁柱交界处破坏非常明显,梁和柱的表面,混凝土均有不同程度的剥落。6Δy时,裂缝扩展明显,尤其是梁的下端临近柱表面处有大量混凝土剥落,钢筋外露。核心区裂缝变化不明显。J4属于梁端塑性铰破坏。加载至22mm时,梁柱交界面产生较明显裂缝。加载至52mm时,梁端出现较多细小裂缝,节点核心区产生少量X型裂缝。3Δy时,梁端裂缝扩展,节点核心区出现更多X型裂缝。5Δy时,在梁端距离柱表面15cm处产生较大裂缝,混凝土剥落,箍筋外露。核心区裂缝较稀疏。试件最终破坏情况如图3所示。4.2梁端节点位移试件的荷载位移滞回曲线如图4所示。从滞回曲线可以看出J2和J4下降段较小,可见加载不够彻底。推测J2和J4的极限位移应大于实测位移。J1、J2、J3、J4随着梁抗弯强度的依次降低,滞回曲线中的最大荷载依次变小。说明在柱混凝土强度高于梁,且柱梁抗弯强度比值较大的情况下,梁柱节点破坏主要以梁的延性破坏为主,达到较为合理的梁端塑性铰耗能机制。荷载的具体对比情况见表4。设柱顶水平极限位移为Δu,柱顶水平屈服位移为Δy,则位移延性系数为μ=Δu/Δy。各试件见表5。极限位移的总体情况与极限荷载情况基本相同。J2、J3和J4为梁端弯曲破坏,随着梁抗弯强度的降低,屈服位移相应减小,极限位移也相应减小,位移延性系数相应增大。可见,当破坏形式偏向于核心区剪切破坏时(如构件J1),构件的整体延性低于梁端受弯破坏时的延性(J2、J3、J4)。试件梁端钢筋应变的变化情况与节点的宏观破坏现象比较吻合。纵筋应变的第一次激增与试验中观察到的梁端裂缝的明显出现几乎同步。图5所示为节点J2的梁端纵筋应变变化的典型情况。可见梁端钢筋的变形幅度较大,具有较强的耗能能力。随着纵筋的逐步屈服,梁端混凝土破坏程度逐步加剧,最终造成节点梁端塑性铰破坏。4个试件的P-△骨架曲线如图6所示。可见4个试件在弹性阶段的荷载和位移情况基本相同,曲线近乎重合。但从骨架曲线所包围的面积来看,从J1到J4,4个试件的刚度依次降低。J1和J2刚度较接近,J3和J4刚度较接近。说明在柱的抗弯强度不变的前提下,随着柱梁抗弯强度比值的增大,梁柱节点的整体刚度逐渐下降。在柱梁抗弯强度比值较大的情况下,“弱梁”会分担更多地震作用,从而保证节点核心区和柱的安全。5节点抗弯性能柱梁抗弯强度比即柱端弯矩增大系数是保证钢筋混凝土框架结构具有足够抗震性能的关键措施,必须重视。本文通过实验对比分析,主要结论是:(1)随着柱梁抗弯强度比的增大,梁柱节点组合件的整体延性有较明显的提高,值为1.5和1.7的两个构件J2和J3之间的延性差距较大。(2)从破坏现象来看,当保持柱端的抗弯承载力不变,降低梁端的抗弯承载力,实际上减少了柱在水平地震作用下对节点区域抗震耗能的贡献,十分有利于梁端塑性铰的形成以及梁端裂缝的开展,从而保护以