插接裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

牛荷媛

◆摘? 要：本文提出一種有局部型鋼和混凝土結(jié)構(gòu)組合而成的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，通過模擬地震狀態(tài)，對(duì)比不同參數(shù)下新型節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆混凝節(jié)點(diǎn)在性能上，分析新型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的抗震性能。發(fā)現(xiàn)使用插接裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生型鋼和周邊混凝土滑移破壞，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度等性能迅速下降;但是使用該方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，但是在承載力上比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)更高，因此如果能保證型鋼和混凝土可靠粘結(jié)的情況下，能具有非常好的抗震效果。

◆關(guān)鍵詞：插接裝配式混凝土梁;節(jié)點(diǎn);抗震性能;研究

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是目前混凝土建筑發(fā)展的重要形式之一，具有較高的生產(chǎn)效率，而且施工也相對(duì)方便，環(huán)保性也比較強(qiáng)，所以應(yīng)用比較廣泛。為了能提升構(gòu)件的連接效果，提升抗震性能，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的研究，分析新型節(jié)點(diǎn)的性能，提升房屋建筑的抗震效果。

1裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)分類方法

依據(jù)工程的作業(yè)方法，可以將節(jié)點(diǎn)分為干連接和濕連接兩種。干連接屬于物理連接，通過預(yù)制梁柱中埋設(shè)預(yù)埋構(gòu)件，然后使用螺栓、焊接等方式完成連接工作過;濕連接會(huì)在梁柱節(jié)點(diǎn)位置澆筑混凝土，使預(yù)埋構(gòu)件能變成一個(gè)整體。也可以根據(jù)抗震設(shè)計(jì)思路分析節(jié)點(diǎn)的類型，將其分為等效現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)和非等效現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，等效現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)擁有和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相同的強(qiáng)度、能耗、剛度等參數(shù)，其消耗地震能量的途徑主要依靠構(gòu)件界面的非彈性形變;非等效現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有連接的抗彎承載力低于預(yù)制構(gòu)件的特殊結(jié)構(gòu)，因此地震發(fā)生后整體結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生彈性形變，最終依靠構(gòu)件的彈性震動(dòng)消耗地震能量，因此也被稱為柔性節(jié)點(diǎn)。

2新型插接式混凝土裝配節(jié)點(diǎn)概述

新型節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)使用了特殊的預(yù)制結(jié)構(gòu)，預(yù)制柱內(nèi)設(shè)置鋼箍和補(bǔ)強(qiáng)鋼板，預(yù)制梁內(nèi)的局部埋植了鋼接頭。梁端型鋼的連接端板通過插入鋼筋進(jìn)行定位工作，然后使用高強(qiáng)度的貫通螺桿，以及完成局部焊接工作，做好對(duì)預(yù)制混凝土量的連接固定工作。該節(jié)點(diǎn)在施工上和鋼結(jié)構(gòu)類似，使用拼裝技術(shù)完成對(duì)多個(gè)預(yù)制件的組裝工作，可以簡化構(gòu)件裝配方式，使構(gòu)件能滿足裝配效率的要求，下圖為新型節(jié)點(diǎn)的示意圖。

3抗震試驗(yàn)

3.1試件設(shè)計(jì)和制作

本實(shí)驗(yàn)中對(duì)節(jié)點(diǎn)采用1：2的縮尺模型設(shè)計(jì)，然后使用了一個(gè)現(xiàn)澆對(duì)比試件，通過對(duì)比確定節(jié)點(diǎn)的抗震強(qiáng)度。由于兩種型鋼伸出混凝土長度和埋入混凝土長度會(huì)對(duì)抗震效果造成影響，所以在試件使用相同尺寸的情況下，對(duì)伸出混凝長度L1和埋入混凝土長度L2進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，型鋼的設(shè)計(jì)參數(shù)如下表

試件的梁柱縱筋和箍筋都使用了HRB400級(jí)鋼筋，選擇鋼筋直徑為6毫米、12毫米和16毫米，試件的混凝土強(qiáng)度為C40，并擁有25毫米的保護(hù)層厚度，試件的立方強(qiáng)度控制為39.8MPa。插接試件的配筋形式和現(xiàn)澆試件相同，埋入的鋼構(gòu)件板材厚度有10毫米和12毫米，在構(gòu)件的加工廠完成對(duì)預(yù)埋件的焊接。

3.2加載裝置和量測內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)中擦用柱臥式加載方法，用鉸接的方法固定柱子兩端，對(duì)柱頂使用了1000kN液壓千斤頂施加軸向荷載;為模擬地震，對(duì)梁端使用500kN伺服動(dòng)作器施加水平往復(fù)荷載[3]。通過在節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)域交叉設(shè)置位移測量節(jié)點(diǎn)分析核心區(qū)的剪切變形情況;對(duì)梁和柱的上方布置了2個(gè)位移計(jì)，對(duì)梁的轉(zhuǎn)動(dòng)截面、截面位置的曲率、梁柱轉(zhuǎn)角進(jìn)行設(shè)置。

3.3加載方式

實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)材料設(shè)計(jì)值進(jìn)行加壓，在柱端施加軸力，控制軸壓比為0.35，而且要保證軸壓比恒定。對(duì)梁端的壓力加載，使用了變幅位移控制加載方式，通過控制層間位移角進(jìn)行加載的控制。由于試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，因此在破壞構(gòu)件之后停止加載，在荷載降低到峰值荷載的85%以下時(shí)，也停止加載。

4結(jié)果分析

4.1試件破壞特征分析

4.1.1現(xiàn)澆試件破壞特征

根據(jù)試驗(yàn)情況，在層間位移角達(dá)到了0.35%時(shí)，梁的根部開始出現(xiàn)水平彎曲裂縫，繼續(xù)施加荷載之后，裂縫開始向遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的位置發(fā)展，在荷載加載到1.35%后，靠近根部水平裂縫開始貫通，裂縫的寬度逐漸擴(kuò)張，達(dá)到1-2毫米。繼續(xù)對(duì)構(gòu)件施加荷載，發(fā)現(xiàn)和梁根部距離已被的范圍內(nèi)，裂縫仍在不斷增加，而且繼續(xù)向傾斜方向延伸，在裂縫超過梁高一倍的位置，裂縫的發(fā)展速度明顯降低，通過觀察，發(fā)現(xiàn)此處梁端已經(jīng)出現(xiàn)塑性鉸[4]。在層間位移角達(dá)到5%的過程中，水平裂縫的寬度繼續(xù)擴(kuò)大，達(dá)到了5-6毫米，此時(shí)裂縫已經(jīng)不能閉合，一些裂縫位置的混凝土開始出現(xiàn)局部脫落的情況。之后承載力開始下降，澆筑節(jié)點(diǎn)的梁端受到彎曲破壞。

4.1.2插接試件破壞特征

插接試件結(jié)構(gòu)中，有四個(gè)部分具備受力功能，分別是型鋼-混凝土組合受力部分、純型鋼受力部分、螺栓拼接部分、純混凝土受力部分。加載開始過程中，最先在柱的表面有細(xì)小的撕裂裂縫出現(xiàn)，其原因在于柱的外伸鋼板和梁型鋼腹板采用焊接的連接方式，導(dǎo)致應(yīng)力在柱的表面集中。

當(dāng)層間位移角達(dá)到0.75%，補(bǔ)焊縫開始達(dá)到抗拉強(qiáng)度，有撕裂的情況出現(xiàn)，之后在柱的側(cè)縫位置裂縫停止擴(kuò)展;隨著測層間位移角達(dá)到1.0%，水平裂縫開始在組合的末端出現(xiàn)，由于在結(jié)構(gòu)上由型鋼承擔(dān)壓力，因此裂縫的寬展速度很慢;隨著位移角逐漸達(dá)到2.25%，裂縫的寬度擴(kuò)大到1毫米。繼續(xù)增大位移角后在梁的側(cè)面開始出現(xiàn)彎曲裂縫，在純混凝土彎曲位置裂縫水平擴(kuò)展。

SA-05-45和SA-10-50的型鋼埋入較深，因此型鋼和混凝土之間具有更強(qiáng)的粘結(jié)作用，會(huì)有交叉裂縫產(chǎn)生。試件最終受到破壞仍然是型鋼和混凝土之間產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致粘結(jié)位置受到破壞，從而沿型鋼翼緣有劈裂縫出現(xiàn)。對(duì)于試件SA-10-60，在荷載加載的過程中并沒有出現(xiàn)滑移的問題，組合部分在水平彎曲裂縫和粘結(jié)作用的影響下有裂縫出現(xiàn)。試件的承載力在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)歷了先上升后下降的過程，在偏轉(zhuǎn)角達(dá)到8.5%時(shí)，承載力下降到峰值荷載的85%以下。根據(jù)分析結(jié)果，其產(chǎn)生的破壞屬于梁端彎曲破壞。

4.2滯回曲線分析

由于插接試件的高強(qiáng)度螺桿和孔道、梁型剛接頭和之間存在明顯的間隙，而插接式試件的滯回曲線是明顯的反S型。在層間位移角達(dá)到5%左右，試件的余量變形開始增加，此時(shí)試件的變形形式以非線性變形、型鋼和混凝土之間幾何非線性變形為主，滯回曲線也變成Z字形。在型鋼埋植深度改變以后，在峰值荷載的變化趨勢上也會(huì)有明顯的區(qū)別，因?yàn)樾弯搩?nèi)埋深度超出梁長20%以后，型鋼可以和混凝土產(chǎn)生非常大的粘結(jié)作用，而且滯回曲線的斜率和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)試件相同，并不會(huì)出現(xiàn)突變的情況。如果型鋼的埋藏深度比較淺，在層間位移角超過1.35%以后就會(huì)出現(xiàn)突降的情況，證明型鋼出現(xiàn)了滑移破壞問題。由此可以確定，埋植深度是決定抗震性能的重要因素[5]。

4.3節(jié)點(diǎn)的性能分析

根據(jù)對(duì)不同插接件裂縫變化情況的分析，確定插接試件的峰值荷載和型鋼埋植深度正相關(guān)，插接試件的埋入深度超過400毫米后，具備了高于現(xiàn)澆試件的荷載，最高能高出46%。所以應(yīng)該對(duì)型鋼進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，合理增加插入深度，能夠改變破壞方式，也能讓節(jié)點(diǎn)獲得更高的抗震性能。

4.4節(jié)點(diǎn)耗能能力分析

本實(shí)驗(yàn)的耗能能力分析使用了黏滯阻尼系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以試件的位移角達(dá)到0.5%的破壞過程等效阻尼系數(shù)。在該情況下，縣交界點(diǎn)出現(xiàn)梁端彎曲破壞，并且展現(xiàn)出了較強(qiáng)的能耗能力。對(duì)于插接式節(jié)點(diǎn)，前期主要依靠拼接區(qū)的滑移耗能，加載到后期節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的型鋼和混凝土之間出現(xiàn)了滑移。經(jīng)過分析，插接節(jié)點(diǎn)的耗能能力比現(xiàn)澆件弱。

4.5節(jié)點(diǎn)的剛度退化情況

插接式節(jié)點(diǎn)的整體剛度是明顯弱于現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件的，因?yàn)椴褰邮焦?jié)點(diǎn)有組合效應(yīng)的問題。試件的剛度退化都集中在彈性階段，由于在加載前期就已經(jīng)出現(xiàn)彎曲裂縫，而且隨著裂縫的發(fā)展導(dǎo)致焊縫撕裂，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度明顯退化。進(jìn)入到加載后期，型鋼的翼緣對(duì)核心混凝土具有比較強(qiáng)的約束作用，因此后續(xù)裂縫的出現(xiàn)并不會(huì)影響構(gòu)件的整體剛度。隨著繼續(xù)增加荷載，試件直接喪失了原有的剛度[6]。

5結(jié)束語

通過對(duì)地震的模擬，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化以完全破壞為主，而插接式節(jié)點(diǎn)在型鋼、混凝土之間黏結(jié)作用失效時(shí)，梁上將會(huì)出現(xiàn)滑移破壞，由于縱向劈裂縫在梁端組合部分產(chǎn)生。插接式節(jié)點(diǎn)無論在剛度和耗能上都要弱于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，但是通過增加型鋼的埋入深度，可以明顯提升耗能能力和剛度。

參考文獻(xiàn)

[1]郭震，賈笑巖，丁嘉慧，等.插接裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，50（02）：256-264.

[2]張少春.裝配式混凝土梁柱中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].粘結(jié)，2021，45（03）：192-196.

[3]丁克偉，陳偉.裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)和恢復(fù)力模型研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，37（01）：51-60.

[4]丁克偉，韓苗蘭.裝配式混凝土半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究[J].工程抗震與加固改造，2020，42（04）：63-69+45.

[5]韓苗蘭.裝配式混凝土半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究[D].安徽建筑大學(xué)，2020.

[6]張書振.裝配式再生混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2020.