裝配式混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能足尺模型試驗(yàn)研究

裝配式混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能足尺模型試驗(yàn)研究

裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)梁柱節(jié)點(diǎn)主要是指連接框架梁和框架柱的節(jié)點(diǎn)中心和附近功能區(qū)附近的梁端和柱端，起到傳遞和分配力的作用，確保結(jié)構(gòu)的完整性。裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)是混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)按施工方法分類中的一種,由于其具有縮短工期、保證施工質(zhì)量、有利于保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),被歐洲、美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家廣泛應(yīng)用。但與混凝土現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相比具有以下缺點(diǎn):整體性差、設(shè)計(jì)難度較大、運(yùn)輸安裝問(wèn)題、初期設(shè)備投資大、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)不明顯,且在世界各大地震中裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)的破環(huán)很嚴(yán)重,是框架結(jié)構(gòu)中的薄弱壞節(jié)。目前裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)的研究主要集中在對(duì)各種不同梁柱連接形式的抗震性能的研究,對(duì)于考慮預(yù)制梁、柱、樓板的節(jié)點(diǎn)整體性能研究較少。針對(duì)這種現(xiàn)象作者進(jìn)行了高軸壓、大尺寸的預(yù)制梁-柱-疊合板邊節(jié)點(diǎn)試件的抗震性能試驗(yàn)研究,通過(guò)進(jìn)行足尺后澆套筒連接邊節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的擬靜力加載試驗(yàn),以驗(yàn)證此連接方式對(duì)高軸壓、大尺寸整體節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響及施工的安全可靠性,從而解決此類結(jié)構(gòu)的抗震、延性等問(wèn)題。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)原型取自某住宅樓的邊節(jié)點(diǎn),為了使試驗(yàn)具有典型性和代表性,選擇底層柱截面最大、軸壓比最大的節(jié)點(diǎn),同時(shí)為了準(zhǔn)確驗(yàn)證原型節(jié)點(diǎn)性能,采用足尺模型試驗(yàn)方法。設(shè)計(jì)2個(gè)邊節(jié)點(diǎn)試件,1個(gè)為后澆套筒拼裝預(yù)制節(jié)點(diǎn)試件,另1個(gè)為現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)對(duì)比試件。2個(gè)節(jié)點(diǎn)試件柱構(gòu)件長(zhǎng)度均取層高的一半,即1.5m(自節(jié)點(diǎn)中心至柱端側(cè)向約束點(diǎn)的距離),柱軸壓比取0.6。實(shí)際結(jié)構(gòu)中,梁凈跨為4800～5400mm,2個(gè)節(jié)點(diǎn)梁端加載點(diǎn)至柱邊距離取梁高的2.5倍,均為1500mm。試件中包括部分疊合板,作為梁的上翼緣。疊合板寬均取梁跨的1/4,即1.5m。為了構(gòu)件安裝和加載的需要,在試件柱和梁的頂部均設(shè)置方形加載頭。柱子和節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度為C60,主筋為HRB400,箍筋為HRB400。梁板部分的混凝土強(qiáng)度為C30,主筋為HRB400,箍筋為HRB335。節(jié)點(diǎn)構(gòu)件規(guī)格如表1所示,節(jié)點(diǎn)受力及配筋如表2所示。試件的制作過(guò)程為首先預(yù)制梁、柱構(gòu)件,然后安裝底柱、預(yù)制梁以及預(yù)制板,綁扎節(jié)點(diǎn)鋼筋、梁上層鋼筋、板鋼筋,然后現(xiàn)澆梁上層、板現(xiàn)澆層及節(jié)點(diǎn)區(qū),然后灌漿法安裝上柱,如圖1、圖2所示。試驗(yàn)前對(duì)混凝土、鋼筋以及灌漿的材料性能進(jìn)行了材料性能試驗(yàn),灌漿的抗壓強(qiáng)度均值為81MPa,其他具體的材性試驗(yàn)結(jié)果這里不進(jìn)行贅述。1.2試驗(yàn)加載和加載本試驗(yàn)采用北京工業(yè)大學(xué)40000kN多功能電液伺服加載系統(tǒng),試驗(yàn)前,先在節(jié)點(diǎn)的梁端施加5kN的豎向荷載,并循環(huán)一次以檢測(cè)所有試驗(yàn)設(shè)備是否工作正常,待一切正常之后,方可進(jìn)入正式的試驗(yàn)。正式試驗(yàn)時(shí),柱端一次施加10560kN軸向荷載,并在試驗(yàn)中保持恒定。梁端荷載分級(jí)施加,第一級(jí)施加試件的開裂荷載,循環(huán)一次然后按屈服荷載的25%分級(jí)施加,每級(jí)荷載循環(huán)一次;試件屈服后,改用位移控制加載,每級(jí)位移增量為試件屈服時(shí)的位移的1倍,每級(jí)荷載循環(huán)三次,加載和位移計(jì)布置如圖3所示,其中梁核心區(qū)的變形通過(guò)一對(duì)交叉布置的位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量。梁端荷載加載制度如圖4所示。2試驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象2.1混凝土支架節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)2.1.1梁的兩側(cè)豎向裂縫梁端荷載為F=+49.2kN(拉7.5t,梁底部受拉),梁柱交匯處開始出現(xiàn)豎向微小裂縫。梁端荷載為F=+98.4kN(拉15t,梁底部受拉),梁底部和側(cè)面靠近節(jié)點(diǎn)附近首次出現(xiàn)1條L形裂縫,梁的兩側(cè)也出現(xiàn)多條豎向裂縫。隨著荷載的增加裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度、分布范圍都在發(fā)展。當(dāng)加載位移D=-6.3mm時(shí),梁的上部主筋達(dá)到屈服,梁的側(cè)面和底部裂縫貫通形成U形裂縫。當(dāng)加載位移D=+4.2mm時(shí),梁的下部主筋達(dá)到屈服,梁的側(cè)面出現(xiàn)人字形裂縫。隨著荷載的增加節(jié)點(diǎn)裂縫繼續(xù)發(fā)展并有較多條X形裂縫。D=-31.5mm(5倍的屈服位移)時(shí),梁柱交匯的豎向裂縫混凝土開始脫落,板和柱脫開。D=+25.2mm(6倍的屈服位移)節(jié)點(diǎn)破環(huán)。2.1.2心區(qū)斜裂縫當(dāng)加載位移D=+12.6mm即3倍的屈服荷載時(shí)核心區(qū)在板底柱中處有一條斜裂縫。當(dāng)加載位移D=-31.5mm即5倍的屈服荷載時(shí)核心區(qū)在板底柱角處有一條斜裂縫,寬2mm,并有保護(hù)層混凝土脫落。2.1.3柱連接和疾病加載位移D=-31.5mm即5倍的屈服荷載時(shí)上柱與下柱相應(yīng)位置有一條斜裂縫,寬3mm。如圖5、圖6所示。2.2采用混合法制備混凝土梁柱邊緣節(jié)點(diǎn)2.2.1梁和板、梁柱的裂縫與荷載梁端荷載為F=+52.47kN(拉8t,梁底部受拉),梁底部靠近節(jié)點(diǎn)附近首次出現(xiàn)2條水平裂縫,梁柱交匯處和梁兩個(gè)側(cè)面均出現(xiàn)豎向微小裂縫。梁端荷載為F=-151kN(壓23t,梁底部受壓),梁的兩側(cè)面出現(xiàn)數(shù)條微小斜裂縫。隨著梁端荷載繼續(xù)增加,梁和板的原有裂縫有所發(fā)展并伴有新裂縫產(chǎn)生,并產(chǎn)生人字形狀裂縫。當(dāng)加載位移D=-5.5mm(梁底部受壓)時(shí),梁頂縱向鋼筋屈服,梁側(cè)面豎向裂縫明顯增加。當(dāng)加載位移D=-6.2mm(梁底部受拉)時(shí),梁底縱向鋼筋屈服。隨荷載增加除了原有裂縫繼續(xù)發(fā)展外,梁側(cè)面斜裂縫顯著增加,梁出現(xiàn)貫通的U形裂縫。當(dāng)加載位移D=+18.6mm即3倍的屈服荷載時(shí),梁柱交匯處豎向裂縫寬度達(dá)到4mm。當(dāng)加載位移D=-22mm即4倍的屈服荷載時(shí),上表面兩根根部裂縫達(dá)到2.5mm。灌漿時(shí)所用的套圈崩開。當(dāng)加載位移D=+24.8mm即4倍的屈服荷載時(shí),梁柱交匯處豎向裂縫寬度達(dá)到7mm。當(dāng)加載位移D=27.5mm即5倍的屈服荷載時(shí),板柱脫開,混凝土壓酥,保護(hù)層剝落。到達(dá)6倍屈服荷載時(shí)構(gòu)件破環(huán)。2.2.2中心區(qū)域的裂縫發(fā)育當(dāng)加載位移D=-16.5mm即3倍的屈服荷載時(shí)核心區(qū)在板底柱角處有一條斜裂縫并隨荷載的增大繼續(xù)發(fā)展,無(wú)保護(hù)層脫落現(xiàn)象。2.2.3斜裂縫二通道比降當(dāng)加載位移D=-22mm即4倍的屈服荷載時(shí)上柱靠近板的柱的側(cè)面出現(xiàn)一條斜裂縫。試驗(yàn)現(xiàn)象表明:裝配節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫的時(shí)間要比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)晚,但裂縫要比現(xiàn)澆結(jié)點(diǎn)的寬,裝配節(jié)點(diǎn)的正負(fù)屈服位移相加要比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的略大一些,兩節(jié)點(diǎn)均在6倍屈服位移時(shí)破壞。如圖7、圖8所示。3試驗(yàn)結(jié)果3.1節(jié)點(diǎn)的拉滯回曲線圖9和圖10是兩節(jié)點(diǎn)的梁端力和梁端變形的關(guān)系,兩種類型的滯回曲線形狀大致形同,且滯回曲線都很飽滿,說(shuō)明兩類節(jié)點(diǎn)的耗能能力強(qiáng),具有良好的抗震性能。試驗(yàn)表明:①兩類節(jié)點(diǎn)在開裂前滯回曲線的斜率無(wú)明顯變化,構(gòu)件的殘余變形很小,滯回曲線均呈尖梭形。但是現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)開裂前后曲線的斜率有明顯變小的現(xiàn)象,而拼裝節(jié)點(diǎn)的斜率變化不大,說(shuō)明在開裂前后現(xiàn)澆結(jié)點(diǎn)的剛度衰減要比拼裝節(jié)點(diǎn)的大。從開裂到屈服由于出現(xiàn)裂縫,滯回曲線的形狀介于梭行和反S行之間。破環(huán)時(shí)梁上部鋼筋產(chǎn)生較大的滑移,滯回曲線呈Z形狀,而由于梁的下部主筋滑移相對(duì)較小,節(jié)點(diǎn)的受拉滯回曲線為反S形。②在整個(gè)加載過(guò)程中由于T形梁(疊合板相當(dāng)于T形梁翼緣)的不對(duì)稱配筋使得梁端受拉和受壓的滯回曲線不對(duì)稱。3.2節(jié)點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)的能量耗散能力應(yīng)以荷載-變形滯回曲線所包圍的面積來(lái)衡量,能量耗散系數(shù)E應(yīng)按式(1)計(jì)算。等效黏滯阻尼系數(shù)he表示耗散能量與等效彈性體產(chǎn)生相同位移時(shí)輸入的能量之比,即式(2)E=S(ABC+CDA)S(OBE+ODF)E=S(ABC+CDA)S(ΟBE+ΟDF)(1)he=12π?A(ABC+CDA)A(OBE+ODF)he=12π?A(ABC+CDA)A(ΟBE+ΟDF)(2)能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)he越大說(shuō)明結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)即結(jié)構(gòu)的抗震性能越好。式中面積如圖11所示。①?gòu)膱D12和圖13可以看出裝配式邊節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆邊節(jié)點(diǎn)相比無(wú)論是耗能和累計(jì)耗能都要好。加載初期由于塑性鉸還沒(méi)有形成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能能力比較小,隨著加荷的增大裝配式節(jié)點(diǎn)耗能斜率增大的要比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)早,這種現(xiàn)象說(shuō)明拼裝節(jié)點(diǎn)的塑性鉸出現(xiàn)的要比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的早。從加載到破壞兩節(jié)點(diǎn)的耗能能力均沒(méi)有下降趨勢(shì),說(shuō)明在節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)梁端塑性鉸沒(méi)有明顯破壞,鋼筋滑移量也不是很大,加載最后現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的耗能斜率有變小的現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)耗能增長(zhǎng)變慢,而拼裝節(jié)點(diǎn)沒(méi)下降,充分說(shuō)明拼裝節(jié)點(diǎn)的耗能能力要比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)強(qiáng),具有更好的抗震性能。②從圖14和圖15看出拼裝節(jié)點(diǎn)的耗能系數(shù)和等效阻尼都要比現(xiàn)澆結(jié)點(diǎn)的大,說(shuō)明拼裝節(jié)點(diǎn)比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)具有更好的抗震性能。3.3-九．第i次峰值點(diǎn)荷載節(jié)點(diǎn)的剛度可以用割線剛度來(lái)表示,割線剛度Ki應(yīng)按下式計(jì)算:Ki=|+Fi|+|?Fi||+Xi|+|?Xi|Κi=|+Fi|+|-Fi||+Xi|+|-Xi|(3)式中:Fi為第i次峰值點(diǎn)荷載值;Xi為第i次峰值點(diǎn)位移值。最后求出每級(jí)加載位移下三個(gè)循環(huán)的平均值作為結(jié)構(gòu)的等效剛度,如下圖16所示。從圖中可以看出:①兩個(gè)節(jié)點(diǎn)退化趨勢(shì)基本相同;②現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的剛度要比裝配節(jié)點(diǎn)剛度大,但退化的要快。剛度退化快,說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的抗震能力越差。進(jìn)而說(shuō)明裝配式節(jié)點(diǎn)具有更好的抗震性能。③現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的剛度要比裝配節(jié)點(diǎn)剛度大一些,說(shuō)明現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的整體性能要比裝配節(jié)點(diǎn)好一些,但加載后期兩節(jié)點(diǎn)的剛度一樣,說(shuō)明裝配節(jié)點(diǎn)剛度退化慢些。3.4抗震研究中的應(yīng)用延性是反映結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料塑性變形能力的一個(gè)重要指標(biāo),在結(jié)構(gòu)抗震研究中具有重要意義。延性系數(shù):μ=DuDyμ=DuDy由圖17和表3看出:構(gòu)件破壞時(shí)梁底部受拉荷載無(wú)明顯下降段,主要是由于疊合板與梁組成的T形梁受力特性和梁的上下配筋不對(duì)稱引起的。3.5加載位移對(duì)構(gòu)件承載力的影響梁端部拼縫的影響是本次試驗(yàn)研究的一個(gè)重要內(nèi)容,因此試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)拼縫處梁端的位移進(jìn)行了測(cè)量。加載位移同梁端位移以及同轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖18、圖19所示。由圖18可知,在加載位移較小時(shí),PC-J2試件拼縫處梁端位移與PC-J1試件的非常接近,而加載位移增大到約20mm后,PC-J2試件拼縫處梁端位移逐漸偏離,對(duì)比圖17所示的強(qiáng)度骨架曲線,此時(shí),PC-J2試件的強(qiáng)度開始明顯低于PC-J1試件,可見(jiàn),隨著加載位移的增大,拼縫不僅導(dǎo)致拼縫處梁端位移逐漸增大,也導(dǎo)致了構(gòu)件的承載力的下降。另外,根據(jù)測(cè)量結(jié)果,圖19表示了梁根部相對(duì)柱子的轉(zhuǎn)角隨加載位移的變化,由圖可知兩者的轉(zhuǎn)角比較接近,拼縫對(duì)轉(zhuǎn)角的影響不大。4滯回曲線與現(xiàn)澆控制試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,見(jiàn)表2(1)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)梁柱疊合板邊節(jié)點(diǎn)構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下的開裂破壞過(guò)程和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相似,但