鋼管混凝土柱預應力混凝土梁節(jié)點抗震性能試驗

方梅++李漫++李杉

摘要：通過對3個試件的低周反復荷載試驗，研究了不同預應力對鋼管混凝土柱預應力混凝土梁節(jié)點的破壞形態(tài)、滯回曲線、剛度退化、耗能能力等的影響。結(jié)果表明：預應力對試件的破壞類型幾乎沒有影響，破壞均為梁端受彎破壞；梁下部為受拉區(qū)時，預應力的施加使剛度退化加快，耗能性能降低；梁上部為受拉區(qū)時，預應力試件極限承載力較非預應力試件更高，剛度退化和延性、耗能性能略比非預應力試件好。

關(guān)鍵詞：預應力混凝土梁； 鋼管混凝土柱；節(jié)點；抗震性能；試驗研究

中圖分類號：TU378 文獻標志碼：A

0 引 言

鋼管混凝土柱由于具有優(yōu)良的受力性能和良好的經(jīng)濟效益，已在高層與超高層建筑中得到廣泛應用[12]。中國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)實際工程中大量采用鋼筋混凝土梁鋼管混凝土柱的節(jié)點形式，目前對于此類節(jié)點已有大量的理論研究和實際應用[34]。然而，隨著現(xiàn)代建筑的不斷發(fā)展，普通混凝土難以滿足建筑對裂縫控制、變形控制和跨度等方面的要求，而對普通混凝土施加預應力則成為解決這一問題的一種有效途徑[56]。

目前，中國有關(guān)鋼管混凝土柱預應力混凝土梁節(jié)點的工程已經(jīng)得到開展，并已應用和準備應用于一些重載和大跨度結(jié)構(gòu)[7]，但各國針對鋼管混凝土柱預應力混凝土梁節(jié)點的試驗及理論研究卻很少[8]，嚴重影響了這種結(jié)構(gòu)形式在實際工程中的應用和推廣。

本文以某實際工程為背景，通過3個縮尺節(jié)點試件的低周反復荷載試驗，對鋼管混凝土柱預應力混凝土梁節(jié)點的抗震性能進行試驗研究與分析，分析不同預應力對節(jié)點抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

試件與原型的比例設(shè)計為1∶4。各試件幾何尺寸、配筋及構(gòu)造完全相同，將預應力度作為主要變化參數(shù)，即將3根混凝土梁的預應力度分別設(shè)定為0，0.5fpyk，0.7fpyk（其中，fpyk為預應力筋的極限抗拉強度）。試件的詳細幾何尺寸、截面配筋及構(gòu)造如圖1所示，試件設(shè)計參數(shù)見表1（其中：b為梁寬度，h為梁高度，D為鋼管柱直徑，t為鋼管厚度）。環(huán)形鋼筋為 25，于節(jié)點區(qū)布置3根，間距為100 mm；栓釘?shù)闹睆綖?9 mm，長度為100 mm，每層布置6個；環(huán)形鋼筋與栓釘間隔布置?；炷镰h(huán)梁中縱向鋼筋為10，沿外環(huán)板等間距布置12根，梁端焊接于上下環(huán)板；環(huán)梁的環(huán)向箍筋為10@100。預應力筋采用后張法，每個試件布置4根預應力筋，預應力筋采用直徑為15.2 mm，極限抗拉強度標準值為1 860 MPa的無粘結(jié)鋼絞線，試件J1， J2，J3中預應力鋼筋的張拉控制應力分別為0，0.5fpyk，0.7fpyk。

鋼材力學性能見表2。所有試件采用C40自密實混凝土一次性澆筑，澆筑試件同時澆筑3個邊長為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，與節(jié)點試件同條件養(yǎng)護28 d，混凝土立方體抗壓強度為41 MPa。

1.2 試驗裝置與加載方案

試件養(yǎng)護結(jié)束后在梁的2個端部采用建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼厚度為30 mm，截面尺寸為325 mm×450 mm的鋼板，以防止預應力張拉引起混凝土局部壓碎。室溫固化3 d后，張拉預應力筋。預應力筋張拉完成后，對梁端反復加載以測試試件的抗震性能。試驗裝置如圖2所示。

試驗按照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ 101—96）的規(guī)定采用荷載變形雙控加載制度，即試件在彈性階段時用荷載控制加載，屈服以后采用位移控制加載。在對柱底施加軸壓以及進行梁端反復加載前均對試件進行預加載。各試件柱底施加的軸向力均為2 000 kN，在試驗中保持恒定。在荷載控制階段，首先對試件采用開裂荷載fcr加載1次，然后依次 采用0.25fcr，0.5fcr，0.75fcr，fcr進行加載，每級荷載加載1次，直至試件屈服；屈服后采用位移控制加載，屈服位移作為位移增量，每級荷載反復3次，逐級增大位移，直至試件破壞。試驗加載制度如圖3所示。每加載1級結(jié)束以后，暫停加載并保持荷載15 min，同時觀察梁上裂縫展開和節(jié)點的破壞情況。加載至試件接近破壞時，達到以下條件之一即停止加載：①荷載降低至峰值荷載的85%以下；②鋼筋拉斷；③節(jié)點區(qū)混凝土斷裂或環(huán)板焊縫斷裂；④柱出現(xiàn)較大彎曲。試驗結(jié)束后，根據(jù)梁端位移荷載曲線最終確定試件的屈服點。

1.3 量測內(nèi)容與測點布置

抗震性能試驗采用低周反復加載方式施加反對稱荷載，梁端荷載、柱軸向荷載由力傳感器測量，梁端位移、跨中位移、柱頂位移、軸側(cè)向變形由位移傳感器測量，梁中的縱向受力鋼筋應變、箍筋應變由應變片測量，所有測量值由計算機自動采集。試驗的位移計和應變片布置如圖4所示。每個循環(huán)結(jié)束后觀察裂縫，用裂縫觀測儀讀取裂縫寬度值。

2 試驗過程和結(jié)果分析

2.1 試件受力過程

以非預應力試件J1為例，首先對鋼管混凝土柱施加2 162 kN軸力（軸壓比為0.4），然后在左右梁端同時施加反復荷載。在荷載控制階段，當左邊梁加載端荷載為54 kN時，靠近鋼管梁底受拉區(qū)出現(xiàn)第1條裂縫；當荷載為95 kN時，裂縫寬度為0.1 mm，梁出現(xiàn)多條平行裂縫。當荷載達到190 kN時，環(huán)梁與混凝土梁之間出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0.1 mm，當荷載達到285 kN時，最大裂縫寬度達到0.25 mm；當荷載達到380 kN時，梁底受拉區(qū)裂縫寬度為0.2 mm，梁底的1根鋼筋達到屈服。此后進入位移控制階段，以2Δy（Δy為曲服位移）進行第1圈正向加載，左側(cè)梁受拉區(qū)最大裂縫寬度為0.35 mm，以2Δy進行第1圈反向加載時右側(cè)梁最大裂縫寬度為0.5 mm，裂縫不能閉合，環(huán)梁與混凝土梁之間的裂縫進一步增大，達到1.5 mm，梁頂環(huán)梁出現(xiàn)裂縫；以3Δy進行第1圈正向加載時右側(cè)梁底混凝土壓酥起皮，以3Δy進行第1圈反向加載時左側(cè)梁混凝土壓碎并脫落，右側(cè)鋼筋拉斷，試驗停止。預應力試件J2，J3試驗過程和試件破壞現(xiàn)象與試件J1相似，破壞形態(tài)均是梁根受彎破壞。定義梁頂混凝土受壓時為正彎矩，相應的荷載值為正，梁頂混凝土受拉為負彎矩，相應的荷載值為負值，并定義左梁位移向上和右梁位移向下為正向加載，反之為負向加載。破壞大致可以分為以下4個階段：

（1）開裂階段。左右梁端荷載緩慢施加，3個試件的開裂位置均在靠近鋼管的梁端位置，裂縫首先從梁下部展開。這是由于梁下部鋼筋較上部鋼筋要少，同時預應力的施加使梁下部有一定的初始拉應力。試件J1～J3梁下部開裂荷載分別為54，50，45 kN，梁上部開裂荷載分別為62，70，75 kN。同樣是由于產(chǎn)生的初始拉應力，預應力的施加降低了梁下部受拉區(qū)開裂荷載，提高了上部受拉區(qū)開裂荷載。

（2）裂縫展開階段。隨著梁端荷載繼續(xù)增加，裂縫隨著荷載不斷增多，環(huán)梁與混凝土梁之間出現(xiàn)新的豎向和斜向裂縫，裂縫由底部向梁側(cè)面和梁底中部發(fā)展。

（3）屈服階段。梁上第1根縱筋屈服時節(jié)點區(qū)環(huán)向鋼筋應變值均小于1×10-3。梁端與環(huán)梁交接處裂縫基本貫通，斜向裂縫相互交叉，兩側(cè)表面混凝土被局部壓酥。試件J1～J3梁端荷載約為290 kN時，梁端豎向位移分別為31.5，30.5，29.8 mm，最大裂縫寬度分別為0.28，0.56，0.48 mm。在低周反復荷載作用下，預應力的施加對試件的屈服荷載和屈服位移影響均不大，但由于預應力促進了梁下部受拉區(qū)裂縫的展開，使得屈服時梁上裂縫的寬度較非預應力試件有一定增加。

（4）破壞階段。隨著梁端位移加載的增大以及多次往復作用下的損傷積累，表面保護層混凝土出現(xiàn)脫落，縱向鋼筋由于混凝土約束的減少開始出現(xiàn)壓曲，同時箍筋鼓出，兩側(cè)保護層混凝土脫落增多，該階段基本沒有新裂縫出現(xiàn)，已出現(xiàn)裂縫急劇加寬，最寬處在3 mm以上。隨后梁上縱筋達到極限承載力，承載能力迅速下降，試件破壞。試件破壞形態(tài)如圖5所示，可見鋼筋混凝土梁端裂縫已經(jīng)完全貫通。

2.2 滯回曲線

試件的梁端荷載位移滯回曲線如圖6所示，其中各試件位移、荷載分別由梁左端伺服作動器和1號位移計測得。由圖6可知：在試件達到最大承載力之前，滯回環(huán)較為飽滿，大致呈紡棰形，表明耗能能力較好；達到最大承載力之后，滯回曲線中部出現(xiàn)一定捏縮，其原因主要是隨著荷載的加大，當梁端荷載卸至0，試件中已存在塑性變形，梁上裂縫以及環(huán)梁與鋼管柱之間的縫隙無法完全閉合，所以在反向加載時試件初期的剛度較小，位移增長迅速，待受壓區(qū)混凝土裂縫以及環(huán)梁與鋼管柱之間縫隙閉合以后試件才能充分發(fā)揮受力作用。

由于梁底部鋼筋配置少于上部，相同位移加載下各試件所受荷載正值均比負值要大。對比3組滯回曲線，在梁屈服以后，進行梁自下往上的位移加載時，預應力節(jié)點試件J2，J3的承載能力迅速下降。試件J3由于施加的預應力較大，混凝土梁底部鋼筋于正向加載時較早拉斷，因而在第2次2Δy加載時承載能力幾乎完全喪失，表明預應力的施加降低了梁自下往上加載時的受拉承載力。

2.3 骨架曲線

試件的荷載位移骨架曲線如圖7所示。從圖7可以看出，3個試件的骨架曲線呈S形狀，表明在低周反復荷載作用下試件均經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞3個受力階段。同時可以看出，在試件屈服之后，預應力的施加對梁上部受拉承載力有明顯的提升，降低了梁下部受拉承載力。

3 結(jié) 語

（1）在低周反復荷載下，非預應力和預應力混凝土梁鋼管混凝土柱均發(fā)生梁端彎曲破壞，鋼管柱和節(jié)點核心區(qū)未發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象。

（2）預應力的施加對梁上初始受壓部分的裂縫展開有明顯抑制作用，提高了梁的開裂荷載。

（3） 自上往下加載時，預應力試件的剛度退化好于非預應力試件，延性和耗能能力較非預應力試件更強；自下往上加載時，與非預應力試件相比，預應力試件梁剛度退化更快，耗能能力低于非預應力試件。在實際工程設(shè)計中，應結(jié)合試件實際配筋適當選取預應力大小，防止在地震作用中梁根底部鋼筋在預應力和地震荷載同時作用下過早受拉破壞。

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