裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)的受力性能研究

成寶亮

（閩南理工學(xué)院， 福建 石獅 362700）

0 引言

裝配式建筑是指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成的建筑[1]。我國(guó)在建國(guó)初提出了建筑工業(yè)化的發(fā)展方向，建造了大批預(yù)制裝配式單層工業(yè)廠房、裝配式大板體系等[2-4]。唐山大地震后，由于裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接薄弱的缺點(diǎn)，使其在我國(guó)的發(fā)展一度受到限制[5]。進(jìn)入21世紀(jì)后， 我國(guó)又重新開(kāi)始重視了裝配式建筑。近年來(lái)，各地涌現(xiàn)出一批示范工程，如上海浦江大型居住社區(qū)，預(yù)制率達(dá)50%-70%等，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件制造的工廠化及施工現(xiàn)場(chǎng)的裝配化[6]。福建省近年來(lái)也加大了推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展力度，中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司引領(lǐng)建設(shè)中美清潔能源示范項(xiàng)目，項(xiàng)目集成應(yīng)用綠色建筑與裝配式框架結(jié)構(gòu)等多項(xiàng)技術(shù)。

本項(xiàng)目主要目標(biāo)是提出一種裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式及其設(shè)計(jì)方法，分析裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)延性、耗能等評(píng)價(jià)指標(biāo)。提出裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)性態(tài)水平及失效判別標(biāo)準(zhǔn)，建立基于構(gòu)件類別的結(jié)構(gòu)抗震性能化控制指標(biāo)及基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論，為相關(guān)規(guī)范制定和工程設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 靜力荷載下裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)的受力性能

采用“Z”型直剪試驗(yàn)，考察纖維摻量、界面粗糙度、鋼纖維自密實(shí)混凝土工作性能、鋼纖維自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響。采鋼纖維自密實(shí)凝土與鋼板的直剪試驗(yàn)方法，得出鋼纖維自密實(shí)凝土與外包鋼管的粘結(jié)應(yīng)力一滑移關(guān)系以及極限粘結(jié)強(qiáng)度，確定連接界面處的傳力機(jī)制和塑性滑移模型。

1.1 鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)模型

在進(jìn)行預(yù)制裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)的受力性能試驗(yàn)時(shí)，要先設(shè)計(jì)兩個(gè)預(yù)制裝配式鋼管柱節(jié)點(diǎn)試件和一個(gè)鋼管梁柱節(jié)點(diǎn)試件。

1.2 裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)的耗能能力

在預(yù)制裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，其抗震能力和耗能能力起著至關(guān)重要的作用。建筑的抗震能力越高，其建筑的質(zhì)量也相應(yīng)提高。因此，如何提高鋼管連接節(jié)點(diǎn)的耗能能力，是體現(xiàn)建筑抗震性能中的重要方面。預(yù)制裝配式鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)試件的耗能能力大概是鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)試件的兩倍，預(yù)制裝配式鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)試件的耗能能力與軸向壓力比成反比，即隨著軸向壓力比的降低，預(yù)制鋼骨混凝土試樣的耗能能力不斷提高，表明其抗震性能較好。

2 地震作用下裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)的受力性能。

在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，基本上是以“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”為依據(jù)，這種設(shè)計(jì)最終的破形式是在兩段產(chǎn)生塑性鉸進(jìn)行耗能。目前梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究與分析大部分是以這種依據(jù)進(jìn)行計(jì)的，最終的破壞形式多為出現(xiàn)塑性鉸，而目前對(duì)鋼管節(jié)點(diǎn)約束耗能連接節(jié)點(diǎn)的受力情況研究較少，所以為了更好的傳遞梁端剪力，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)增加了外鋼管對(duì)鋼纖維自密實(shí)混凝土起到了有效的約束作用。

2.1 往復(fù)荷載作用下鋼管約束混凝土

混凝土填充鋼管作為一種新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，主要由軸壓和受壓構(gòu)件組成，它的偏心力較小，廣泛應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中。鋼管被混凝土填滿，可以吸收大量熱能。鋼管混凝土澆注減少了鋼管的外露面積，被外部氣體腐蝕的面積遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)?？垢g和防腐的成本也比鋼結(jié)構(gòu)低。通過(guò)循環(huán)鋼管對(duì)其內(nèi)部混凝土的有效約束，使鋼管內(nèi)的混凝土處于三向壓狀態(tài)，使混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度。

2.2 鋼纖維自密實(shí)混凝土的本構(gòu)模型

采用“8” 字形的鋼纖維自密實(shí)混凝土試件，在液壓伺服拉力機(jī)上施加往復(fù)荷載，得到鋼纖維自密實(shí)混凝土的應(yīng)力一應(yīng)變骨架線，其加卸載準(zhǔn)則在普通混凝土的加卸載準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，建立了鋼纖維自密實(shí)混凝土在往復(fù)荷載作用下本構(gòu)模型。通過(guò)數(shù)值迭代全過(guò)程分析鋼管對(duì)混凝土提供約束大小的變化，確定了核心混凝土在被動(dòng)約束條件的應(yīng)力一應(yīng)變之間的關(guān)系。 確定了鋼管約束混凝土在往復(fù)荷載作用下的骨架曲線，進(jìn)而在普通混凝土的加卸載準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上做相應(yīng)修正，建立了鋼管約束混凝土在往復(fù)荷載作用下的本構(gòu)模型。

2.3 裝配式鋼管約束耗能連接節(jié)點(diǎn)的延性

在預(yù)制裝配式鋼管約束耗能連接中，其延性對(duì)提高抗震能力和吸收地震能量具有重要意義，通過(guò)對(duì)預(yù)制鋼管接頭延性的研究，不斷提高其抗震性能和效果。預(yù)制裝配式鋼混管混凝土的節(jié)點(diǎn)試件有繼教號(hào)的延性，同時(shí)它的軸向壓力比不同，位移延性系數(shù)與軸向壓力比成反比。軸向壓力比對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土梁接頭的變形能力有顯著影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

裝配式建筑物的成本比現(xiàn)澆式建筑物的成本要高。裝配式建筑增加了深化設(shè)計(jì)階段，增加了設(shè)計(jì)過(guò)程中的部分設(shè)計(jì)成本。在施工階段，由于需要大量的起重吊裝作業(yè)，機(jī)械成本也隨之增加。預(yù)制混凝土組件已作為工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入建筑企業(yè)，增加了前期成本，投資于組件生產(chǎn)系統(tǒng)，組件維護(hù)，運(yùn)輸和稅收，這些也將分配給建筑成本。但是，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和標(biāo)準(zhǔn)化體系的完善，裝配式建筑的造價(jià)將與現(xiàn)澆式建筑的造價(jià)相同，甚至更低。

鋼管約束混凝土在往復(fù)荷載作用下的本構(gòu)模型能更有效地體現(xiàn)鋼管和混凝土材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服鋼管結(jié)構(gòu)局部屈曲的缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著理論研究的深入和新的施工技術(shù)的出現(xiàn)，此模型在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本項(xiàng)目應(yīng)用綠色建筑與裝配式建筑等多項(xiàng)技術(shù)，在節(jié)約能源利于環(huán)保的基礎(chǔ)上，提高了部件精度及強(qiáng)度，保證了品質(zhì)，可以加快施工進(jìn)度，節(jié)約勞動(dòng)力成本，提高了施工的安全性。并推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)升級(jí)，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有利于促進(jìn)預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在我省的推廣應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。