新设计的高强度钢筋的梁柱节点,可大大提高建筑物的抗震性能!

   电工小二        

本文对采用600MPa级纵向钢筋加固的内梁-柱节点的抗震性能进行了试验研究。研究人员设计了6个不同轴压比和纵向配筋比的全尺寸钢筋混凝土内节点,并对其进行了反循环加载试验。系统地研究了节点的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、耗能能力和延性。进一步研究了不同轴压比和纵向配筋比对节点抗震性能的影响。对比结果表明,在600 MPa高强钢筋梁柱节点中,高配筋率试件耗能能力较好,刚度退化较慢,延性较低。随着轴压比的增大,耗能能力和延性逐渐减弱。试验结果表明,配置600mpa高强钢筋的梁柱节点具有良好的抗震性能,可作为600mpa高强钢筋在钢筋混凝土框架结构中推广应用的研究基础。


相关论文以题为“Seismic Behavior of RC Beam Column Joints with 600 MPa High Strength Steel Bars”发表在《Applied Sciences》上。


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研究背景


钢筋混凝土框架体系因其结构效率和建筑灵活性而被广泛应用于混凝土结构的抗震设计。然而,梁柱截面较大,往往使建筑设计难以满足结构要求。因此,梁柱截面通常设计得尽可能紧凑,以提供更多的可用空间,而梁柱节点处经常会出现钢挤塞。目前,由于施工过程中出现的蜂窝状现象和混凝土浇筑坚硬等多种并发症,造成钢筋堵塞已成为影响施工质量的关键问题。


研究目的


为了解决这些问题,近年来人们对高强材料的使用给予了很大的关注,包括高强混凝土和高强钢筋。高强钢筋的使用,不仅降低了钢筋的消耗,便于施工,而且降低了施工成本,对高震区的建筑结构影响更大。


尽管前人做了大量卓有成效的研究,但仍有许多参数没有得到明确的分析。针对不同的抗震要求,需要研究高强钢筋配筋梁柱节点的抗震性能。对于屈服强度大于500mpa的纵向钢筋的使用需要进一步的研究,以扩大目前钢筋混凝土框架结构中钢筋的允许强度极限。为此,研究人员对600 MPa级纵向钢筋加固梁柱内部节点进行了设计、制作和试验,以纵向配筋率、轴压为变参数,研究了梁柱节点的抗震性能。他们还研究了不同抗震要求下循环荷载作用下梁柱节点的荷载传递机理、破坏模式、延性、耗能能力和强度。本文的研究结果有望为配置600mpa高强钢筋的梁柱节点的抗震性能能够满足抗震要求提供依据。


标本说明


在试验调查中,节点试件来源于不同场地类别、不同抗震设防烈度、不同抗震等级的五层框架结构,按中国规范GB50010-2010和GB50011-2010设计。同时,梁、柱截面尺寸尽量与实际框架中的截面尺寸保持一致,避免尺寸效应的影响。梁、柱尺寸分别为250×500×1500 mm和450×450×2500 mm。


在梁中,主要纵向钢筋的名义屈服强度为600mpa,其直径为20mm和16mm,混凝土保护层为25mm。柱采用HRB400级钢筋作为箍筋和纵向钢筋。考虑到封闭箍筋可提高钢筋混凝土框架梁、柱的抗开裂和抗剪性能,箍筋间距为200mm。不同的是,对于节点区域,柱和梁的间距分别减小到50mm和100mm。各试件的混凝土抗压强度等级为C30,混凝土的平均立方抗压强度为24.1 MPa,弹性模量为27400 MPa。QD1、QD2、QD3、BD1、BD2、BD3标记见表1,QD1、BD1详细情况见图1。钢筋用D和F表示,分别代表HRB400和HRB600级钢筋。同时,设计了6个不同轴压比和纵向配筋比的循环加载试件。表2描述了不同的参数变化。


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图1.试件的加固细节(a) QD1;(b) 1型(毫米)。


表1.分类的标本。


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表2.试样的布置。


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材料特性


为了准确测定混凝土试件的强度,对3块预留的150 mm立方混凝土砌块进行了研究。试件QDs为混凝土,抗压强度为25.7 MPa,试件BDs抗压强度为22.5 MPa。同样,从不同直径、不同牌号的钢筋中取三根进行了测试,如表3所示。


表3.钢筋的机械性能。


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测试设置和加载系统


如图2所示,柱的顶部由两根工字梁支撑,工字梁用焊接钢板夹紧到底座上,模拟铰链。两根直径为30毫米的带肋钢筋植入柱的底部,焊接在钢板上,支撑柱,允许底座小的旋转。相反,梁的两端是自由的。在柱的顶部有一个320t手动液压千斤顶,提供轴向压缩。此外,在梁端底部和顶部由4个60 t千斤顶施加反向循环荷载。这些千斤顶分为两组,左上方和右下方的两个千斤顶提供了逆时针方向的负荷。利用压力传感器对梁端部的荷载进行了测量。线性可变位移传感器(LVDTs)用于测量梁的位移,被放置在距离60t千斤顶约100毫米的梁上。图3显示了测试设置的一般配置。


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图2.测试设置的原理图配置。


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图3.测试设置的一般视图。


每个样品都用相同的程序进行测试。试验开始时,在柱顶施加轴压N,并保持不变。然后,按图4所示的加载顺序对梁施加循环荷载。加载历史分为两个阶段:(a)以设计屈服荷载为参考,采用力控制加载,每层加载循环一次;(b)联合达到屈服状态后作用力Py,控制位移应用屈服位移的增量Δy。两个完整的周期应用,直到试件失败在每个位移水平。试件在a阶段加载12mm /min,在b阶段加载50mm /min,保证了平稳准静态加载。


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图4.加载序列。


失效模式


图5对比了六个试件循环加载结束时的最终破坏模式。QD1, 1Δy载荷循环后的水平位移控制阶段,有一个明显的裂纹顶端的梁,约1毫米宽。在2Δy的载荷循环水平,上端的梁的混凝土裂缝扩大,宽度约7毫米。在3Δy的载荷循环水平,最后混凝土梁的严重下滑,卸载后的残余变形是非常大的。QD1的失效模式如图5a所示。如图5b所示,QD2与QD1表现出相似的行为,但裂纹扩展比QD1严重得多。梁端混凝土脱落,露出纵向钢筋和箍筋。对于QD3,混凝土在梁的下端出现鼓胀。在4Δy的载荷循环水平,梁上的混凝土柱表面凸起,和当地发生剥落,如5 c所示。


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图5.6个试件的破坏模式。(一)QD1;(b) QD2;(c) QD3;(d) 1型;(e) BD2;BD3 (f)。


结论


本文全面介绍了600 MPa级钢筋混凝土框架梁柱节点循环加载6个试件的试验现象。研究人员研究了各试件的滞回曲线、骨架曲线、耗能和延性。并比较了不同配筋率和轴压比对节点抗震性能的影响。高强钢筋梁柱节点的滞回曲线一般呈反S形。值得注意的是,QD3和BD3的虚线较高,但相应的耗能能力较差,因为较低的增强比。可以看出,高配筋率节点的耗能能力优于低配筋率节点。轴压比越低,节理耗能越好。而低配筋率节点的延性较好。此外,轴压比对延性的影响为负。配筋率越高,节点刚度退化速度越慢,而轴压对节点刚度退化的影响较小。值得注意的是,在BD1和BD2的关节板的损害是明显的,相应的虚线是较小的。这一现象可以反映在高强度区域存在比现行规范要求更高的抗剪要求,可以通过采用高强混凝土材料来解决。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/13/4684/htm



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