DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.05.024

活性粉末混凝土梁柱节点抗裂性能试验研究

鞠彦忠¹，沈浩¹，王德弘^{1, 2}，郑文忠²

(1. 东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林, 132012；

2. 哈尔滨工业大学 结构工程灾变与控制教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨, 150090)

摘要：为了研究活性粉末混凝土梁柱节点的抗裂性能，开展24个活性粉末混凝土梁柱节点试件(12个边节点和12个中节点试件)的低周反复荷载试验，研究节点类型、尺寸效应、轴压比、节点核心区配箍率、贯穿节点的梁内腰筋及柱内非角部钢筋等因素对活性粉末混凝土梁柱节点抗裂性能的影响；提出活性粉末混凝土梁柱节点的开裂荷载计算公式。研究结果表明：与中节点试件相比，边节点试件的初裂剪力与极限承载力更接近，为极限承载力的51.8%～70.4%；活性粉末混凝土梁柱节点的开裂荷载存在尺寸效应，随着节点截面面积的增大，节点开裂时的平均剪应力降低；节点核心区的开裂荷载随配箍率和轴压比增大而增大；贯穿节点的柱内非角部钢筋和梁腰筋对初裂剪力影响不明显，但对节点核心区的斜裂缝分布有影响；本文提出的开裂荷载公式计算结果与试验结果较吻合，可为实践工程提供参考。

关键词：活性粉末混凝土；梁柱节点；开裂荷载；影响因素

中图分类号：TU375.4            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)05-1203-07

Experimental study on crack resistance of reactive powder concrete beam-column joints

JU Yanzhong¹, SHEN Hao¹, WANG Dehong^{1, 2}, ZHENG Wenzhong²

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, China

2. Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control of the Ministry of Education, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Abstract: To investigate the crack resistance of reactive powder concrete (RPC) beam-column joints, twenty-four (twelve exterior and twelve interior) beam-column joint specimens were tested under low-frequency cyclic loading. The influences of variables on crack resistance of reactive powder concrete joints were analyzed, including joint types, size effect, the axial compression ratio, stirrup ratio in joint, web reinforcement and non-corner vertical reinforcement across joint core. A formula for predicting the crack bearing capacity of RPC joints was proposed. The results show that the crack capacity of RPC exterior joint is closer to the ultimate bearing capacity than the interior joint, and the ratio of crack capacity to ultimate capacity is 51.8%-70.4%. There exists size effect in the crack capacity of RPC joint specimens, and the average shear stress decreases with the increase of joint sectional area when cracks appear in joint core. The crack capacity increases with the increase of the stirrup ratio and axial compression ratio in joint. Web reinforcement and non-corner vertical reinforcement across joint core have no obvious influence on crack shear force of joint, but have influence on distribution of diagonal cracks in joint. Results from the proposed formula is in agreement with that of experimental results, which provides reference for actual project.

Key words: reactive powder concrete; beam-column joints; crack capacity; influence factors

当混凝土达到极限拉应变时就会发生开裂。普通混凝土的极限拉应变较小，容易开裂，并且开裂后裂缝不断发展，不易控制。钢筋混凝土构件的开裂及裂缝宽度关系到结构或构件能否满足正常使用及耐久性要求，尤其是沿海、盐湖地区的钢筋混凝土结构长期处于腐蚀性环境，控制混凝土结构或构件的裂缝宽度及重要部位的开裂，对保证钢筋混凝土结构耐久性至关重要。我国沿海地区气候湿热，海水中的氯离子以海雾等形式深入混凝土中，形成腐蚀，严重影响钢筋混凝土结构的性能及使用寿命^[1]。我国是一个多盐湖国家，在干燥、高风速、大温差的沿湖地区，空气中含有较多盐类等腐蚀性物质，钢筋混凝土结构的耐久性问题比沿海地区更严重、更复杂^[2]。在高侵蚀环境中采用具有高开裂应变、超高耐久性的活性粉末混凝土(RPC)代替普通混凝土(NC)，是解决该类强腐蚀环境下钢筋混凝土结构耐久性问题的有效途径之一。RPC是一种超高性能的水泥基复合材料，具有优异的力学性能和耐久性^[3–4]。目前制备比较成熟的RPC立方体抗压强度一般为120~200 MPa，其轴拉强度为4.07~11.15 MPa，弯曲开裂应变达705×10^–6~ 864×10^–6，均比普通混凝土和高强度混凝土的高^[5–6]。因此，RPC框架节点的开裂荷载计算方法与钢筋普通混凝土或高强混凝土框架节点的开裂荷载计算方法必定存在差异，有必要进行RPC框架节点核心区开裂荷载计算的研究。

1  试验概况

1.1  试件设计

本试验以框架中间层梁柱边节点和中节点为原型，共设计制作24个梁柱组合体节点试件，试验参数包括节点类型、轴压比和核心区配箍率、贯穿节点的梁内腰筋、柱内非角部钢筋5个影响因素。表1所示为各试件的设计参数。其中缩尺比为1/2的边节点试件12个、中节点试件4个，缩尺比为3/4的中节点试件8个。1/2比例试件的柱截面宽×高为200 mm×200 mm，梁截面宽×高为150 mm×250 mm，试件尺寸见文献[7]；3/4比例试件的柱截面宽×高为300 mm×300 mm，梁截面宽×高为250 mm×350 mm。图1所示为试件尺寸及配筋示意图(其中ρ_L和ρ_R为荷载，①~⑧为钢筋编号)。

表2所示为试件制作所用钢筋的参数。试验用活性粉末混凝土采用细圆高强钢丝切断型钢纤维，纤维表面镀铜，长度为13～15 mm、直径为0.2～0.3 mm，抗拉强度为2950 MPa。RPC中钢纤维体积分数为1.3%，活性粉末混凝土配合比见文献[8]，采用常温自然养护。

1.2  试验加载方案

梁端施加低周反复荷载，柱端为恒定荷载，柱顶和柱底为铰支座。图2所示为加载装置示意图。柱顶荷载采用2 MN液压千斤顶施加，千斤顶下方设置荷载传感器以便在试验过程中读取荷载，并保持轴压恒定。梁端往复荷载采用电液伺服作动器施加，试验加载采用荷载、位移混合控制的加载制度^[9]。加载初期采用荷载控制，每级荷载循环1次；当试件核心区开裂或梁内钢筋达到屈服时改为位移控制，每级位移循环3次。中节点加载时左、右梁端反向等速率同步加载。

2  试验结果与分析

2.1  节点裂缝开展情况

在低周反复荷载作用下，同类试件的破坏过程及破坏形态基本相似。试件首先在弯矩作用下梁端开裂，然后节点核心区出现裂缝，在反复荷载下最终发生核心区剪切破坏。根据裂缝开展情况，可以把节点核心区的破坏过程大致分为3个阶段即弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，试件破坏过程示意图如图3所示。

节点核心区开裂前，构件基本处于弹性阶段。节点核心区箍筋、RPC的应变很小，且卸载后应变基本能够恢复。虽然与节点相邻的梁端出现裂缝，但是梁端裂缝发展缓慢，反复加载和卸载后，节点的强度、刚度退化均不明显，节点残余变形较小。

梁柱节点核心区中部的RPC处于双向拉压受力状态，当梁柱节点核心区混凝土的最大拉应变达到RPC的极限拉应变时，RPC开裂，第1条裂缝通常位于核心区中心附近，近似沿对角线方向。反向加载时，另1条对角线出现斜裂缝(见图3(a))。核心区开裂时节点内箍筋应变均较小，此阶段箍筋的作用较小，斜拉力主要由RPC承担，而斜压力全部由RPC承担。

随着加载位移幅值及循环次数的增加，节点核心区相继出现多条平行于对角线的细小裂缝，将核心区分割成若干菱形块。对角线位置的主裂缝发展延伸贯穿整个节点区，形成通裂裂缝，主裂缝最大宽度为0.3～0.9 mm，见图3 (b)。

表 1  试件参数

Table 1  Specimen parameters

图 1  试件尺寸及截面配筋

Fig. 1  Specimen size and reinforcement section

表 2  钢筋参数

Table 2  Parameters of reinforcement

通裂之后，随着加载位移的增加，斜裂缝继续发展，向上、下延伸至柱内(见图3(c))。主裂缝宽度增加显著，“桥架”在主斜裂缝两端的钢纤维部分被拔出，主裂缝相交位置出现少量RPC起皮现象。主裂缝两侧及柱边仍有新裂缝出现，但新增裂缝长度及宽度均较小。核心区箍筋应变增加较快，荷载达到最大值时核心区箍筋屈服。此阶段箍筋作用较大，斜拉力由箍筋和RPC共同承担，斜压力仍由RPC承担。

随着加载位移及循环次数继续增大，节点核心区主裂缝宽度继续增大，核心区中部交叉裂缝处RPC隆起为2～5 mm，裂缝边沿有少量RPC剥落。

2.2  节点开裂荷载主要影响因素

试验结果表明，核心区剪切破坏边节点试件的初裂剪力为峰值剪力的51.8%～70.4%，1/2比例中节点试件的初裂剪力为峰值剪力的48.11%～61.82%，3/4比例中节点试件的初裂剪力为峰值剪力的27.1%～39.33%，说明边节点试件的初裂承载力与极限承载力更接近，这是因为边节点内梁筋垂直锚固段对核心区RPC的侧向压力较大，能够抵消一部分拉应力，提高边节点的初裂承载力。另一方面，边节点核心区斜压杆倾角比中节点试件的大，斜压杆有效面积比中节点试件的小，其极限承载力比中节点的低。大比例尺试件的初裂剪力与峰值剪力之比比小比例尺试件的小，这是因为节点开裂时核心区剪应力分布不均匀，核心区中部应力更大，一旦达到开裂应变节点即会开裂，而峰值剪力与节点核心区斜压杆及箍筋配置有关。

图 2  试验加载装置示意图

Fig. 2  Schematic diagram of test loading device

图 3  试件破坏过程示意图

Fig. 3  Diagram of Failure process of specimen

RPC梁柱节点的开裂荷载存在尺寸效应，随着节点截面尺寸增大，节点开裂时的平均剪应力降低。1/2比例尺中节点试件的平均初裂剪应力为4.30 MPa，高于3/4比例尺中节点试件的平均初裂剪应力3.01 MPa。对文献 [10–11]中的3种比例尺RC梁柱节点的试验结果进行计算，得到节点初裂平均剪应力分别为3.26，4.08和4.20 MPa，可见RC梁柱节点的开裂荷载同样具有尺寸效应。

节点初裂时，虽然箍筋承担的剪力较小，但对初裂荷载仍有一定影响。通裂之后，箍筋能够在一定程度上抑制裂缝的发展，减小最大裂缝宽度，使裂缝分布更均匀。这是因为箍筋对核心区RPC具有一定的约束作用，且箍筋与RPC的黏结能够较好地传递剪力。

RPC梁柱节点的初裂剪力随柱端轴压比增大而增大。随着轴压比的增加，节点核心区的裂缝数量增多，裂缝分布范围增大。这是因为轴压比增大使节点受压区面积增加，但当节点核心箍筋数量较少时，对核心区RPC的约束作用不足，导致产生较多的细小裂缝；在破坏阶段，随着轴压比增大，在核心区上端和下端柱内新增多条接近竖向分布的受压裂缝，这说明核心区几乎全截面受压。

贯穿节点的柱内非角部钢筋和梁腰筋对初裂剪力影响不明显，但影响节点核心区的斜裂缝分布，由于贯穿节点的柱内非角部钢筋或梁腰筋的存在，斜裂缝间距及最大裂缝宽度均减小。

3  节点核心区开裂荷载计算

根据本文节点试验结果及国内外普通混凝土节点的试验结果可知：斜裂缝首先出现在核心区中心处，之后向对角方向延伸，节点开裂前核心区基本处于弹性阶段^[12–13]。假定RPC节点开裂前核心区处于弹性阶段，节点主拉应力最大值出现在核心区中心点处；节点初裂时贯穿节点区的钢筋（横向钢筋和柱纵筋）应力很小，节点剪力主要由活性粉末混凝土承担，当达到RPC的抗拉强度时节点开裂。

从节点核心区的中心点处取出一微小平面单元进行应力分析，其应力状态如图4所示。根据材料力学基本理论可得该点处RPC的主拉应力σ₁为

          (1)

式中：为上柱的轴向压应力；τ_cr为剪应力；，n为轴压比，N为柱端轴压力；b_c为柱截面宽度；h_c为柱截面长度；f_c为混凝土抗压强度。

图 4  梁柱节点核心区中心点应力状态

Fig. 4  Center point stress state of joint core of beam-column

节点核心区开裂时，核心区中心点处主拉应力σ₁等于RPC应力和该点处钢筋应力在主拉应力方向上的和，即：

     (2)

式中：为核心区中心点处RPC的主拉应力，为核心区中点处钢筋的主拉应力。

为了便于计算，采用RPC的抗拉强度f_t,RPC表示开裂时RPC和钢筋的总应力，令 (α_cr为节点核心区钢筋影响系数)，则有：

       (3)

节点开裂时核心区剪应力分布不均匀^[13]，引入考虑剪应力分布不均匀影响系数β_cr，可得核心区开裂时节点的最大剪应力τ_cr 为

                 (4)

式中：V_jcr为开裂时节点所受的剪力；b_j为框架节点核心区的截面有效验算宽度；h_j为框架节点核心区的截面高度，本文取验算方向的柱截面高度。

将式(4)代入式(3)可得节点核心区开裂时的剪力V_jcr为

    (5)

式中：f_c,RPC为RPC的轴心抗压强度。

本文对文献[14–18]中RPC抗拉强度与立方体抗压强度的试验结果进行回归分析，得到钢纤维RPC抗拉强度f_t,RPC与立方体抗压强度f_cu,RPC的关系为

   (6)

根据本文核心区配置箍筋和未配箍筋试件初裂承载力试验结果的比较结果，建议配置箍筋时α_cr取1.06，无箍筋时α_cr取1.00。回归分析得到剪力分布不均匀系数β_cr=0.58。

从式(5)可以看出，节点核心区的抗裂强度主要与混凝土的抗拉强度和柱端轴压比有关，而与节点核心区配箍率关系不大。根据开裂荷载试验结果，计算得到24个RPC节点试件开裂时的平均剪应力，并对31个未掺加纤维的普通混凝土(NC)节点开裂时的平均剪应力^{[10, 11, 13, 19–21]}进行计算，RPC和NC节点开裂时的平均剪应力见图5。由图5可知：普通混凝土节点开裂时的平均剪应力为2.762 MPa，RPC节点开裂时的平均剪应力为3.423 MPa，较普通混凝土节点提高23.93%。这是由于RPC中含有较多的胶凝材料及高效减水剂，且不含粗骨料，RPC基体与钢纤维具有更高的黏结强度。当RPC基体即将出现裂缝时，高弹性模量的钢纤维与RPC基体之间的黏结力承担一部分拉力，同时将应力向周围传递，使RPC基体中拉应力分布更均匀，RPC内部微裂缝的出现推迟，RPC材料的抗拉弹性模量和开裂强度增大，从而使节点的开裂荷载显著提高。

图 5  不同混凝土节点开裂时的平均剪应力

Fig. 5  Average crack shear stress of joint with different concretes

4  结论

1) 边节点内梁筋垂直锚固段对核心区RPC的侧向压力作用可提高节点的初裂荷载，在相同截面情况下，边节点试件的初裂剪力与其极限承载力更接近，为极限承载力的51.8%～70.4%；边节点核心区斜裂缝的倾角比中节点试件的大；RPC梁柱节点的开裂荷载存在尺寸效应，随着节点截面面积增大，节点开裂时的平均剪应力降低；本文1/2比例尺中节点试件的平均初裂剪应力为4.30 MPa，高于3/4比例尺中节点试件平均初裂剪应力(3.01 MPa)。

2) 核心区箍筋数量增加能够提高节点初裂剪力，一定程度上抑制裂缝的发展，减小最大裂缝宽度，使裂缝分布更均匀；轴压比增大能够提高RPC节点核心区的初裂剪力，使裂缝数量增多；贯穿节点的柱内非角部钢筋和梁腰筋对初裂剪力影响不明显，但影响节点核心区的斜裂缝分布，能够减小斜裂缝间距及最大裂缝宽度。

3) 提出RPC梁柱节点开裂荷载计算公式；节点开裂剪力计算值与试验值较吻合，可为实际工程设计提供参考。

4) 与普通混凝土相比，RPC梁柱节点具有更高的初裂荷载，开裂时的节点平均剪应力为3.423 MPa，较普通混凝土节点提高了23.93%。

参考文献：

[1] 金伟良, 赵羽习. 混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[J]. 浙江大学学报(工学版), 2002, 36(4): 371-380.

JIN Weiliang, ZHAO Yuxi. State-of-the-art on durability of concrete structures[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2002, 36(4): 371-380.

[2] 戴剑锋, 刘晓红, 郑克宇, 等. 盐湖地区混凝土的腐蚀和防治[J]. 甘肃工业大学学报, 2002, 28(2): 100-102.

DAI Jianfeng, LIU Xiaohong, ZHENG Keyu, et al. The corrosion of concrete in the salt lake area and its prevention[J]. Journal of Gansu University of Technology, 2002, 28(2): 100-102.

[3] RICHARD P, CHEYREZY M. Composition of reactive powder concretes[J]. Cement & Concrete Research, 1995, 25(7): 1501-1511.

[4] GRAYBEAL B, TANESI J. Durability of an Ultrahigh-Performance Concrete[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2007, 19(10): 848-854.

[5] 郑文忠, 吕雪源. 活性粉末混凝土研究进展[J]. 建筑结构学报, 2015, 36(10): 44-58.

ZHENG Wenzhong, LU Xueyuan. Literature review of reactive powder concrete[J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(10): 44-58.

[6] 杜任远, 陈宝春, 沈秀将. 不同方法测试的超高性能混凝土抗拉强度[J]. 材料导报, 2016, 30(S2): 483-486.

DU Renyuan, CHEN Baochun, Shen Xiujiang. Tensile strength of UHPC by different testing methods[J]. Materials Review, 2016, (S2): 483-486.

[7] 王德弘 鞠彦忠, 郑文忠. 钢筋活性粉末混凝土框架节点抗震性能试验研究[J]. 振动与冲击, 2018, 37(6): 149-156.

WANG Dehong, JU Yanzhong, ZHENG Wenzhong. Experimental research on seismic performance of reinforced reactive powder concrete frame joints[J]. Journal of Vibration and Shock, 2018, 37(6): 149-156.

[8] 鞠彦忠, 王德弘, 康孟新. 不同钢纤维掺量活性粉末混凝土力学性能的试验研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2013, 21(2): 299-306.

JU Yanzhong, WANG Dehong, KANG Mengxin. Mechanical properties of RPC with different steel fiber contents[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2013, 21(2): 299-306.

[9] JGJ/T 101—2015, 建筑抗震试验方法规程[S].

JGJ/T 101—2015, Specification of testing methods for earthquake resistant building[S].

[10] 李振宝, 郭二伟, 周锡元, 等. 大尺度RC梁柱节点抗震性能及尺寸效应试验研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(7): 39-47.

LI Zhenbao, GUO Erwei, ZHOU Xiyuan, et al. Seismic behaviors and size effects of large-scale interior beam-column joints of RC frames[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(7): 39-47.

[11] 李振宝, 郭二伟, 周宏宇, 等. RC框架节点核芯区剪切破坏—抗震性能试验[J]. 世界地震工程, 2009, 25(3): 61–66.

LI Zhenbao, GUO Erwei, ZHOU Hongyu, et al. The seismic behaviors of interior beam-column joints of RC frames[J]. World Earthquake Engineering, 2009, 25(3): 61-66.

[12] 唐九如. 钢筋混凝土框架节点抗震[M]. 南京: 东南大学出版社, 1989: 77.

TANG Jiuru. Seismic resistance of joints in reinforced concrete frames[M]. Nanjing: Southeast University Press, 1989: 77.

[13] 赵鸿铁. 钢筋砼梁柱节点的抗裂性[J]. 建筑结构学报, 1990, 11(6): 38-48.

ZHAO Hongtie. Crack resistance of reinforced concrete beam-column joints [J]. Journal of Building Structures, 1990, 11(6): 38-48.

[14] 李莉. 活性粉末混凝土梁受力性能及设计方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学土木工程学院, 2010: 52.

LI Li. Mechanical behavior and design method for reactive powder concrete beam[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology. School of Guil Engeering, 2010: 52.

[15] 杨志慧. 不同钢纤维掺量活性粉末混凝土的抗拉力学特性研究[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2006: 37-38.

YANG Zhihui. Study on tension mechanical performance of reactive powder concrete in different steel fiber volume fractions[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2006: 37-38.

[16] 宋焱. 级配纤维超高性能混凝土抗拉性能研究[D]. 长沙: 湖南大学土木工程学院, 2006: 51-55.

SONG Yan. The research on the tensile performance of the ultra-high-performance concrete reinforced by grading-fiber[D]. Changsha: Hunan University. College of Civil Engineering, 2006: 51-55.

[17] 原海燕, 安明喆, 贾方方, 等. 活性粉末混凝土轴拉性能试验研究[J]. 工程力学, 2011, 28(s1): 141-144.

YUAN Haiyan, AN Mingzhe, JIA Fangfang, et al. Experimental research on uniaxial tensile performance of reactive powder concrete[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(s1): 141-144.

[18] 于泳. 基于weibull分布的RPC单轴拉压损伤本构模型[D]. 吉林: 东北电力大学建筑工程学院, 2015: 33-35.

YU Yong. Damage constitutive model of rpc under uniaxial tension and compression based on weibull distribution[D]. Jilin: Northeast Dianli University. School of Civil Engineering and Architecture, 2015: 33-35.

[19] SAID S H, RAZAK H A. Structural behavior of RC engineered cementitious composite (ECC) exterior beam–column joints under reversed cyclic loading[J]. Construction & Building Materials, 2016, 107: 226-234.

[20] 魏林, 郑七振, 邵震蒙. 钢纤维混凝土框架节点抗裂强度的研究[J]. 上海理工大学学报, 2004, 26(2): 155-159.

WEI Lin, ZHENG Qizhen, SHAO Zhenmeng. Crack strength research of exterior joint in steel fiber reinforced concrete frames[J]. Journal University of Shanghai for Science and Technology, 2004, 26(2): 155-159.

[21] 方根生, 欧阳林. 低周反复荷载下钢筋混凝土框架边节点抗剪强度的试验研究[J]. 西南交通大学学报, 1990, 25(2): 33-38.

FANG Gensheng, OUYANG Lin. Shear strength of exterior joint of reinforced concrete frame subjected to low cyclic loading[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 1990, 25(2): 33-38.

(编辑  伍锦花)

收稿日期：2018-06-22；修回日期：2018-08-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378095)；吉林省科技发展计划项目(20180101064JC)(Project(51378095) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20180101064JC) supported by the Science and Technology Development Program of Jilin Province)

通信作者：王德弘，博士，讲师，从事高性能混凝土材料与结构研究，E-mail：hitwdh@126.com