現(xiàn)澆與預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)

吳從曉等

摘要：為研究預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能，探討其與現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的性能差異，設(shè)計(jì)并制作了2組預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)試件和1組現(xiàn)澆混凝土框架節(jié)點(diǎn)試件，通過(guò)試驗(yàn)研究試件的滯回特性、承載能力、位移延性、強(qiáng)度退化和耗能能力等抗震性能及其破壞特征。結(jié)果表明：通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)的滯回耗能性能與現(xiàn)澆混凝土框架節(jié)點(diǎn)相當(dāng)，其承載力和初始剛度基本等同于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，但其承載力退化速度快于現(xiàn)澆混凝土框架節(jié)點(diǎn)，屈服后預(yù)制構(gòu)件累積損傷程度較現(xiàn)澆構(gòu)件嚴(yán)重；預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)在軸壓比較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)破壞較為嚴(yán)重，耗能更多。

關(guān)鍵詞：預(yù)制裝配式混凝土框架；現(xiàn)澆混凝土框架；梁柱節(jié)點(diǎn)；試驗(yàn)研究；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU392.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是指預(yù)制構(gòu)件在專業(yè)的工廠或施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制，養(yǎng)護(hù)至裝吊強(qiáng)度后通過(guò)提升、裝吊和連接等機(jī)械手段，把預(yù)制構(gòu)件連接成為一個(gè)整體框架結(jié)構(gòu)，具有組織統(tǒng)一高效、施工質(zhì)量好、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，有利于保護(hù)環(huán)境和生產(chǎn)社會(huì)化的發(fā)展[1]。據(jù)汶川地震中預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查[2]可知：裝配整體式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)是其抗震中的薄弱環(huán)節(jié)，在地震中出現(xiàn)的最主要破壞形式是節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土壓碎和鋼筋屈曲。為此國(guó)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)、螺栓連接節(jié)點(diǎn)、焊接節(jié)點(diǎn)和后澆整體節(jié)點(diǎn)等不同類型的預(yù)制裝配式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了深入的研究[3-7]；同樣，中國(guó)學(xué)者對(duì)預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的研究表明，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，預(yù)制裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能[8-10]。

為研究預(yù)制裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的差異，設(shè)計(jì)預(yù)制框架節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆框架節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)研究，研究試件的滯回曲線、承載能力、位移延性、強(qiáng)度退化和耗能能力等抗震性能。

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

試件模型取自混凝土框架結(jié)構(gòu)邊框處的L0/3梁長(zhǎng)（L0為結(jié)構(gòu)中梁長(zhǎng)度）和上下層各H0/2高（H0為結(jié)構(gòu)中柱長(zhǎng)度）的反彎點(diǎn)位置，按實(shí)際框架1∶3縮尺比例設(shè)計(jì)，共3個(gè)，分別為預(yù)制節(jié)點(diǎn)YZ1、預(yù)制節(jié)點(diǎn)YZ2和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)XJ，具體試件參數(shù)如表1所示。

1.2材性試驗(yàn)

現(xiàn)澆試件和預(yù)制試件的受力筋以及柱中部和梁端的預(yù)埋筋均采用HRB335級(jí)鋼筋，箍筋采用HPB300級(jí)鋼筋。本文試驗(yàn)預(yù)留的鋼筋和混凝土試塊的強(qiáng)度分別根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 228—2002）和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）實(shí)測(cè)得到，具體實(shí)測(cè)力學(xué)性能和混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度分別如表2和表3所示。

1.3加載方案

試驗(yàn)加載裝置如圖2所示，試件通過(guò)梁端鉸接拉桿、柱底刀鉸裝置、柱頂球鉸、水平滑動(dòng)裝置及豎向和水平加載器等裝置形成一個(gè)整體加載體系。試件柱底和梁右端為鉸接，可承受剪力和傳遞軸壓力；柱頂支座由鉸接支座與水平滑動(dòng)支座組合而成，既可釋放柱頂彎矩，又可滿足柱頂軸壓力傳遞要求和水平位移加載要求；試件底部布置刀鉸裝置，實(shí)現(xiàn)柱反彎點(diǎn)彎矩為0的目標(biāo)。在水平反復(fù)荷載作用下柱頂位移帶動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生彎曲變形，真實(shí)模擬了實(shí)際框架中節(jié)點(diǎn)的變形能力。

根據(jù)試件設(shè)計(jì)軸壓比要求分2級(jí)施加至設(shè)計(jì)軸壓力，先對(duì)柱頂施加40%的豎向軸壓力，反復(fù)2次后加至預(yù)定軸壓力。然后采用50 t級(jí)MTS電液伺服加載器沿試件柱頂加載點(diǎn)中心線施加水平荷載。水平荷載采用力與位移混合控制加載方法，試驗(yàn)加載分2步進(jìn)行：第1步先基于力加載，當(dāng)構(gòu)件屈服后，改為位移控制的加載。具體加載制度如圖3所示。試件出現(xiàn)較明顯的損傷破壞或承載力下降到85%極限荷載時(shí)試驗(yàn)終止。

1.4測(cè)量?jī)?nèi)容

本次試驗(yàn)采用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀TDS-530進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可分為位移數(shù)據(jù)采集和應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。加載過(guò)程中，主要采集內(nèi)容有：水平荷載、柱頂位移、刀鉸滑移量、縱向鋼筋應(yīng)變、箍筋應(yīng)變及混凝土應(yīng)變等。

2試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞特征

為便于描述試驗(yàn)現(xiàn)象，定義作動(dòng)器向前推為正向，向后拉為負(fù)向。

2.1預(yù)制節(jié)點(diǎn)YZ1

試件YZ1在水平荷載達(dá)到12 kN時(shí)，梁端后澆區(qū)與柱連接處開(kāi)裂，裂縫可閉合。當(dāng)水平加載位移Δ=15 mm時(shí)，柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)第1條45°斜裂縫，同時(shí)其受力鋼筋應(yīng)變超過(guò)2×10-3，鋼筋屈服。當(dāng)Δ=20 mm時(shí)，柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)在原來(lái)斜裂縫基礎(chǔ)上延伸出多條X形斜裂縫，無(wú)殘余變形。此位移加載結(jié)束時(shí)梁后澆區(qū)處出現(xiàn)垂直微裂縫。隨著加載位移的增大，梁端后澆區(qū)和柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫不斷開(kāi)展延伸，后者受損較為嚴(yán)重，其側(cè)面的混凝土保護(hù)層剝落。當(dāng)Δ=50 mm時(shí)，試件承載力下降至最大承載力的85 %且伴有明顯塑性破壞區(qū)時(shí)，試驗(yàn)終止。在整個(gè)加載過(guò)程中，柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受到梁端后澆區(qū)的擠壓變形嚴(yán)重，剪切破壞現(xiàn)象明顯，梁端后澆區(qū)裂縫則相對(duì)較少，最終破壞見(jiàn)圖7。

2.2預(yù)制節(jié)點(diǎn)YZ2

試件YZ2柱頂施加220 kN的軸壓力，由于柱軸壓力的增大，形成套箍作用，柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剛度增大，在較小的水平荷載作用下，處于彈性狀態(tài)。本試件開(kāi)裂位置亦位于梁端后澆區(qū)與柱連接處，開(kāi)裂荷載為12 kN。不同于試件YZ1，試件YZ2隨著荷載的增加，預(yù)制梁身出現(xiàn)多道垂直微裂縫，并有不斷延伸之勢(shì)，而柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)無(wú)新裂縫產(chǎn)生。當(dāng)Δ=15 mm時(shí)，柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力筋應(yīng)變達(dá)到1.8×10-3，鋼筋屈服，混凝土表面有微小斜裂縫產(chǎn)生。此時(shí)梁端受力筋應(yīng)變亦處于較高狀態(tài)，達(dá)1.5×10-3。隨著加載位移的增大，梁端后澆區(qū)和柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫不斷開(kāi)展，柱核心區(qū)X形斜裂縫最大寬度達(dá)1 mm，伴有少量混凝土表面壓酥剝落。當(dāng)Δ=40 mm時(shí)，試件承載力下降至最大承載力的85%且柱核心區(qū)有明顯塑性破壞區(qū)，試驗(yàn)終止，最終破壞見(jiàn)圖8。

3現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)XJ