钢-聚丙烯混杂纤维混凝土框架节点抗震性能研究

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钢筋混凝土框架节点的抗震性能研究对钢筋混凝土结构抗震性能的准确预测和设计具有重要意义。地震荷载作用下,框架节点受到来自梁端和柱端的剪力、轴力和弯矩的共同作用,受力十分复杂,极易发生破坏。为增强框架节点强度,实际工程中多采用在框架节点核心区配置大量箍筋的方法,导致框架节点部位混凝土浇筑困难,浇筑质量难以得到保证。为此,部分研究学者提出在框架节点中掺入纤维对混凝土进行改性从而增强框架节点抗震性能及减少核心区配箍量。本文通过对框架节点核心区及相邻梁端和柱端一定范围内掺入钢-聚丙烯混杂纤维混凝土(Steel-Polypropylene Hybrid Fiber Reinforced Concrete,以下简称混杂纤维混凝土或HFRC)的框架节点试件进行低周往复荷载试验和有限元模拟,分析轴压比、基体混凝土强度等级、钢纤维和聚丙烯纤维的体积掺量和长径比等因素对框架节点抗震性能的影响,揭示了混杂纤维混凝土框架节点受剪破坏机理,提出了受剪承载力的计算方法,建立了恢复力模型,有关结论可以为完善我国《纤维混凝土结构技术规程》的有关条文提供依据。本文完成的主要工作及研究如下:(1)考虑基体混凝土强度、轴压比、钢纤维体积掺量、钢纤维长径比、聚丙烯纤维体积掺量和聚丙烯纤维长径比等因素,设计制作28个十字形框架节点试件(包括普通混凝土试件4个,钢纤维和聚丙烯纤维混凝土试件各6个,混杂纤维混凝土试件12个),通过低周往复加载试验研究混杂纤维混凝土框架节点抗震性能,结果表明:(1)在框架节点部位掺入混杂纤维,可显著延缓框架节点开裂,有效减小核心区混凝土裂缝宽度,增加微裂缝数量,框架节点内力分布更均匀,框架节点破坏时核心区混凝土保护层剥落大量减少,其中混杂纤维的效果最为显著,钢纤维的效果次之,聚丙烯纤维的效果不明显;(2)混杂纤维可显著提高框架节点初裂荷载、屈服荷载、峰值荷载、延性和耗能能力,增大框架节点变形能力,减缓框架节点刚度退化和强度退化;(3)随基体混凝土强度和轴压比增加,框架节点抗震性能明显改善,延性和耗能能力增强,但刚度退化和强度退化加剧;(4)随钢纤维体积掺量增加,框架节点抗震性能提高,延性和耗能能力增强,刚度和强度退化减缓;(5)聚丙烯纤维对框架节点的承载能力、变形能力、延性和耗能能力的影响较小,但与钢纤维混杂可使上述性能小幅增大。(2)根据试验设计,采用有限元方法建立混杂纤维混凝土框架节点模型,深入分析轴压比、基体混凝土强度等级、核心区配箍率和纤维掺入梁端范围等因素对混杂纤维混凝土框架节点抗震性能影响规律,结果表明:基体混凝土强度和核心区配箍率在一定范围内提高,框架节点峰值承载力明显提高,且增加核心区配箍率可明显改善其峰后延性;随轴压比增加,框架节点峰值承载力和相应位移逐渐减小,峰后曲线下降加快;纤维混凝土掺入范围未超出梁端塑性铰范围时,框架节点峰值承载力随纤维混凝土掺入长度增加而增大。(3)基于试验数据,探讨了轴压比、基体混凝土强度、钢纤维体积掺量、钢纤维长径比、聚丙烯纤维体积掺量和聚丙烯纤维长径比对框架节点极限抗剪承载力和初裂荷载的影响。结果表明:(1)与钢纤维混凝土框架节点受力机理类似,混杂纤维混凝土框架节点的受剪机理为斜压杆-桁架机理;(2)掺入混杂纤维对框架节点极限抗剪承载力有较大提高,提高幅度在8.1%~15.8%之间,框架节点极限抗剪承载力随混凝土强度和钢纤维体积掺量增加而逐渐增大,随钢纤维长径比增加而先增大再小幅减小,随轴压比和聚丙烯纤维体积掺量增加而减小;(3)随轴压比、混凝土强度、钢纤维长径比和钢纤维体积掺量增加,初裂荷载提高2.7%~25.7%,聚丙烯纤维对初裂荷载提高不明显。基于试验结果和理论分析,在《混凝土抗震设计规范》框架节点抗剪承载力计算公式的基础上,考虑混杂纤维对混凝土的增强作用以及钢纤维对框架节点抗剪的贡献,建立了混杂纤维混凝土框架节点抗剪承载力计算公式,公式计算结果与试验结果吻合较好。(4)基于实测梁加载端荷载-位移滞回曲线,结合理论分析,考虑混杂纤维和刚度退化影响,建立了混杂纤维混凝土框架节点三线型恢复力模型,给出了模型曲线上特征点(即屈服点位移、屈服点荷载、峰值点位移、峰值点荷载、破坏点位移和破坏点荷载)、刚度退化和强度退化等参数的计算公式以及滞回曲线的滞回规则。
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