探索建筑结构边节点抗震性能

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1.试验概况

1.1试验构件设计和制作

边节点试验构件取用承重框架梁柱反弯点之间的一个平面组合体，即“T字形”试件。为有效保证试件的浇筑质量和垂直度，并与工程实际相符，全部试件均采用钢模板、立模浇筑。边节点构件柱子的截面尺寸为200mm×200mm，梁的截面尺寸为150mm×250mm，纵向受力钢筋采用HRB400级，箍筋采用HPB235级。柱子的配筋率为1.13%，梁的配筋率为0.9%，所有构件配筋率和钢筋的强度相同。为防止柱头破坏，柱上、下两端箍筋加密；节点核心区按照抗震要求对箍筋进行了加密处理。本次试验共包括7根试件，详细的试验构件概况如表1所示（表中h为梁高），构件的尺寸和配筋图，节点核心区采用柱混凝土的构件，施工缝留设在梁下部；节点核心区采用梁混凝土的构件，分别在梁上和梁下留设两道施工缝，施工缝处浇筑时间间隔为2天（48小时）。

1.2试验方法和加载装置

采用低周反复试验方法进行研究，加载制度为力—位移混合控制加载，在开始加载到构件屈服前采用力控制；构件屈服后，改用屈服位移的整数倍为级差作为回载控制点，每一位移下循环3次。在实际框架结构中，当作用水平荷载时，上柱反弯点可视为水平可移动铰，相应的下柱反弯点可视为固定铰；而节点两侧梁的反弯点可视为水平可移动铰。这样可以有两种加载方案：一种是在柱端施加水平荷载或位移，这时梁能够左右移动而上下受到约束，产生剪力和弯矩。这种边界条件比较符合实际结构中的受力状态；另一种是将柱保持垂直状态，在梁的自由端施加反复荷载或位移，此时边界条件变为上下柱反弯点为不动铰，梁反弯点为自由端。本次试验采用的是柱端加载的方式，即采用在柱顶施加轴向力和水平力的方式进行试验。本次试验在东北电力大学结构试验室进行，采用美国MTS公司生产的MTS液压式伺服加载系统进行试验，采用MTS动态数据采集系统进行数据采集。试验自行设计了加载装置，竖向加载装置由反力架和1000kN数控电动液压伺服作动器组成，水平加载装置由反力墙和500kN数控电动液压伺服作动器组成。试件垂直安放，为了保证柱的上、下两端为理想的球铰，在柱端设置了带有滚动轴的垫板，垫板上部为可转动的油压千斤顶，柱下端为固定铰支座；梁端由刚性连杆与地面铰支座相连，保证梁端可以水平移动但是不能垂直移动。试验加载装置示意图如图2所示。

2边节点试验结果与分析

2.1破坏现象

边节点构件BZ1为节点核心区采用梁中混凝土强度的构件，构件破坏图片如图3所示。构件初始裂缝出现在梁端第一箍筋处，正向开裂荷载为10kN；反向开裂荷载为20kN；裂缝扩展速度较快，裂缝区域主要集中在梁的端部范围内，节点核心区只有少量细小的裂缝出现，没有明显破坏。构件最后在梁端形成塑性铰，塑性铰发展充分构件BZ1的柱子和梁的实际配合比相差2个强度等级，说明当梁柱强度等级相差较小时，节点能够满足抗震设计要求。图3BZ1破坏图片Fig.3FailurephotoofBZ1不同轴压比和不同延伸长度下，边节点核心区采用柱子混凝土强度的构件破坏图片如图4～9所示。构件BZ1Y3破坏图片如图4所示，初始裂缝出现在梁端第一箍筋处，正向开裂荷载为14.3kN；反向开裂荷载为25kN；裂缝扩展速度比构件BZ1慢，裂缝区域范围比构件BZ1大，节点核心区未见明显开裂，构件最后在梁端形成塑性铰，塑性铰发展较充分。构件BZ2Y3的破坏图片如图5所示，整个破坏过程和破坏现象与构件BZ1Y3类似，正向开裂荷载为14.8kN；反向加构件BZ1Y1和BZ2Y1的破坏图片如图6和7所示，构件BZ1Y1的初始裂缝出现在梁端第一箍筋处，正向开裂荷载为7.5kN；反向开裂荷载约为20kN；构件BZ2Y1和构件BZ1Y1的初始裂缝出现位置相同，正向开裂荷载为12.5kN；反向加载开裂荷载为15kN。二者的裂缝扩展速度都比构件BZ1慢，裂缝范围介于构件BZ1和延伸长度为1.5h的构件之间，节点核心区未见明显开裂，构件最后在梁端形成塑性铰，塑性铰发展比较充分。构件BZ1Y2和BZ2Y2的破坏图片如图8和9所示，构件BZ1Y1的初始裂缝出现在梁端第一箍筋处，正向开裂荷载为10kN；反向开裂荷载为15kN；构件BZ2Y2和构件BZ1Y2的初始裂缝出现位置相同，正、反向开裂荷载均为15kN。二者的裂缝扩展速度都比构件BZ1慢，裂缝范围介于延伸长度为0.5h和延伸长度为1.5h的构件之间，节点核心区未见明显开裂，构件最后在梁端形成塑性铰，塑性铰发展比较充分。综上所述，当延伸长度为0.5h时，出现裂缝的范围较小；当延伸长度为1.5h时，出现裂缝的范围较大；延伸长度为h时，裂缝的范围居两者之间；同时，只有延伸长度为0.5h时，在梁的根部出现了破坏裂缝。从开裂荷载上看，延伸长度为1.5h的构件开裂荷载最大，说明延伸长度对梁的开裂荷载有一定的影响。节点核心区均未产生明显的破坏，这是由于所有构件均采用了“强节点，弱构件”的设计原则，节点核心区的箍筋做了加密，采用了柱子的混凝土强度浇筑节点核心区；与梁和柱子相比较，节点具有更好的抵抗低周反复荷载的能力。

2.2骨架曲线和滞回曲线

不同轴压比和不同延伸长度下，边节点核心区采用柱子混凝土强度的构件骨架曲线对比如图10和11所示。轴压比越大，滞回曲线的刚度也越大。在0.3和0.5轴压比下，延伸长度对骨架曲线的形态、屈服荷载和最大荷载都没有显著影响，而延伸长度为0.5h的试件，下降段更陡峭一些。构件BZ1Y1和BZ2Y1的滞回曲线，由图可以看出，滞回曲线呈梭形，较光滑；轴压比越大，滞回曲线的刚度也越大；从卸载曲线上看，主筋在节点存在一定量的滑移。其余边节点构件的滞回曲线与图12类似，均呈较光滑的梭形。

2.3承载力和延性性能分析

边节点构件的试验结果如表2所示，延性系数取用最大位移（即构件的最大承载力对应的位移）与屈服位移的比值，屈服位移由图解法确定。从表2可以看出，在0.3轴压比下，延伸长度为1.5h时的延性性能最好，为3.26；延伸长度为h时的延性性能稍差，为3.11；延伸长度为0.5h时的延性性能最小，为2.53；延伸长度对屈服荷载和最大荷载没有显著影响。在0.5轴压比下，延伸长度为h时的构件延性性能最好，为2.73；为1.5h时的延性性能稍差，为2.41；为0.5h时的延性性能最小，为2.38。从试验结果可见，延伸长度为0.5h时，延性性能最差，随着延伸长度的增加，延性性能增大。延伸长度为1.5h时的试件最大荷载略高于其他构件，延伸长度对屈服荷载没有显著影响。从试验结果可以看出，当构件所承受的轴压比较低时，即使梁柱边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土，其承载能力仍能满足要求，但是延性性能弱于节点核心区采用柱子混凝土强度的构件。

3结论

（1）从破坏现象上看，试验构件的破坏均为梁端的受弯破坏。当构件所承受的轴压比较低时，即使边节点核心区采用强度较低的梁中混凝土，其破坏形态仍为梁端受弯破坏，但是延性性能略有下降。

（2）从试验结果上看，柱子中高强混凝土在梁中的延伸长度为1.5h时的承载能力和开裂荷载最大，延伸长度对屈服荷载没有显著影响。

（3）从延性性能上看，在0.3轴压比下，延伸长度为1.5h时的延性最好，为h时的延性稍差，为0.5h时的延性最小。在0.5轴压比下，延伸长度为h时的构件延性最好，为1.5h时的延性稍差，为0.5h时的延性最小。从试验结果可见，延伸长度为0.5h时，延性性能最差，随着延伸长度的增加，延性性能增大。

作者：魏春明马潇潇赵星海赵强陈建华单位：东北电力大学建筑工程学院东北电力大学能源与动力工程学院