鋼絞線錨入式預制裝配混凝土框架節(jié)點抗震試驗研究

于建兵 郭正興

(1揚州大學建筑科學與工程學院, 揚州 225127)(2東南大學土木工程學院, 南京 210096)

鋼絞線錨入式預制裝配混凝土框架節(jié)點抗震試驗研究

于建兵1,2郭正興2

(1揚州大學建筑科學與工程學院, 揚州 225127)(2東南大學土木工程學院, 南京 210096)

為了系統(tǒng)研究鋼絞線錨入式預制裝配混凝土框架節(jié)點的抗震性能,對8個預制節(jié)點和1個現(xiàn)澆節(jié)點的足尺比例試件進行了低周反復荷載試驗研究,探討了預制裝配節(jié)點的破壞形態(tài)、滯回性能、剛度退化以及耗能能力.試驗結果表明,在節(jié)點核心區(qū)設置附加鋼筋,能夠有效提高節(jié)點的承載能力和變形能力,同時可以實現(xiàn)梁端塑性鉸外移.加載前期,預制裝配節(jié)點的滯回環(huán)面積較現(xiàn)澆節(jié)點小,但隨著荷載的繼續(xù)施加,預制節(jié)點的滯回環(huán)面積與現(xiàn)澆節(jié)點基本相當.這反映了節(jié)點的耗能能力在加載前期較現(xiàn)澆節(jié)點差,但后期與現(xiàn)澆節(jié)點基本相當甚至超過現(xiàn)澆節(jié)點.通過對比以上抗震性能發(fā)現(xiàn),鋼絞線錨入式預制裝配混凝土框架節(jié)點能夠滿足抗震規(guī)范的要求.

預制裝配;低周反復荷載試驗;滯回性能;耗能能力;抗震性能

國內(nèi)外關于預制裝配式混凝土結構的研究主要集中在構件節(jié)點連接方式、接合部受力性能以及不同連接方式下裝配式結構整體抗震性能方面.連接方式是預制裝配式混凝土結構的核心技術[1],預制混凝土結構的試驗研究和震害調查表明,只要預制構件的接合部位有可靠的連接,預制混凝土結構就有良好的抗震性能[2-5].隨著國家不斷出臺激勵政策鼓勵發(fā)展預制裝配建筑,裝配混凝土結構在房屋建筑中的應用成為了當前的研究熱點,市場上不斷涌現(xiàn)出各種預制裝配梁柱節(jié)點體系,如南京大地引進的法國“世構體系”、潤泰的“潤泰體系”、日本鹿島的“鹿島體系”等.針對各種節(jié)點體系,國內(nèi)開展了相關的試驗研究及示范工程試點,取得了較為豐富的試驗結果以及工程建設經(jīng)驗[6-10].在現(xiàn)有研究基礎上,本文提出一種鋼絞線錨入式預制裝配混凝土框架梁柱節(jié)點(strand anchor in precast concrete frame connection,簡稱SPCF),并對該新型節(jié)點的抗震性能進行了試驗研究.

1 SPCF節(jié)點構造

SPCF節(jié)點是一種新型濕式節(jié)點連接形式(節(jié)點核心區(qū)現(xiàn)場拼裝時,通過現(xiàn)澆混凝土將預制梁與柱進行連接).該節(jié)點可以解決構件運輸困難的問題,同時能夠解決預制構件在制作和建造過程中精度要求較高的問題.該新型節(jié)點的具體構造如下:為了能夠解決配置高強筋混凝土開裂問題,采用預制預應力混凝土梁,柱采用預制柱或現(xiàn)澆柱,預制梁底部受力鋼筋采用3根直徑為12.7 mm的鋼筋代替普通鋼筋;梁端留有長度為400 mm的鍵槽,對鍵槽段的箍筋進行加密,間距為50 mm;鍵槽部分及伸入到對面鍵槽內(nèi)的鋼絞線為無預應力段,由于鋼絞線與混凝土之間的黏結性能較普通鋼筋弱,對鋼絞線端部作壓花錨處理,同時設置錨固端板,增強鋼絞線與混凝土之間的黏結性能;為了能夠實現(xiàn)梁端塑性鉸轉移,在節(jié)點核心區(qū)設置2根直徑為18 mm的附加鋼筋;在梁柱拼裝時,在鍵槽范圍可充分利用鋼絞線的柔韌性實現(xiàn)自由掰動,從而可以避免梁柱節(jié)點受力筋的碰撞,提高預制構件工廠的加工制作效率.預制梁構造示意圖如圖1所示,梁柱節(jié)點拼裝如圖2所示.

圖1 預制梁構造

圖2 節(jié)點拼裝圖

2 SPCF節(jié)點耗能理論分析

SPCF節(jié)點采用鋼絞線作為預制梁的受力鋼筋,鋼絞線在鍵槽部位為無預應力段,在低周反復荷載作用下,該段鋼絞線相當于普通鋼筋.鋼絞線在屈服時,沒有普通鋼筋那么明顯的屈服平臺,塑性變形能力較弱,但是鋼絞線的極限強度較普通鋼筋極限強度高很多.從耗散能量概念出發(fā),通過提高結構的塑性變形能力和極限承載能力都可以增加結構的耗能能力[11].SPCF節(jié)點配置鋼絞線可以提高構件的極限承載能力,因此可達到耗散大量能量的目的.如圖3所示,通過提高結構的極限承載能力,延性性能較差鋼絞線曲線OABF與位移軸所圍的面積基本等同于延性性能較好普通鋼筋曲線OCDE與位移軸所圍面積,即耗能能力基本相當.

圖3 能量耗散機制示意圖

3 SPCF節(jié)點試驗設計

3.1 節(jié)點設計

按照“強柱弱梁,強節(jié)點弱構件”的設計原則[12],設計了1個現(xiàn)澆對比節(jié)點、4個全預制節(jié)點及4個柱現(xiàn)澆梁預制節(jié)點,節(jié)點編號見表1.對于梁預制柱現(xiàn)澆的節(jié)點,柱的鋼筋骨架可以在工廠進行綁扎,運到現(xiàn)場與預制梁進行拼裝.本次試驗所有節(jié)點都采用足尺模型,混凝土強度等級為C40,縱向鋼筋均為HRB335級普通鋼筋,箍筋為HPB300鋼筋.節(jié)點設計詳圖見圖4.

3.2 試驗加載裝置及加載制度

加載裝置見圖5.試驗時柱頂放置320 t油壓千斤頂將軸力加到預定值(軸壓比0.2).左右兩邊梁下各放置1個60 t單向千斤頂,通過油泵在梁端施加反對稱荷載.采用力、位移混合加載控制方法[13],在彈性階段采用荷載控制加載,且每次加載循環(huán)1次,待試件屈服后,采用位移控制加載,每級位移荷載循環(huán)3次,加載一直進行到荷載下降到極限荷載的85%.

表1 試件編號及類型

圖4 新型節(jié)點詳圖(單位:mm)

圖5 加載裝置

3.3 材料的力學性能

試件制作材料均根據(jù)設計要求選擇,每一批混凝土均留設3個混凝土立方體試塊,試塊在同等條件下進行養(yǎng)護.根據(jù)鋼筋的規(guī)格型號,每種鋼筋分別取樣3根,進行材料性能試驗,從而獲得材料真實強度,鋼筋的力學性能如表2所示,混凝土力學性能如表3所示.

表2 鋼筋的力學性能

表3 混凝土的力學性能

4 試驗結果分析

4.1 試件破壞過程及破壞形態(tài)

各個試件雖然構造不同,但破壞過程都經(jīng)歷了3個階段,即彈性階段、帶裂縫工作階段和破壞階段.圖6為各個試件在試驗中的最終破壞形態(tài).

加載過程中,XJ節(jié)點的開裂荷載較預制節(jié)點開裂荷載高,XJ節(jié)點開裂荷載為35 kN,預制節(jié)點開裂荷載基本都在25 kN左右,第1道裂縫都出現(xiàn)在預制梁鍵槽內(nèi)新老混凝土結合處.所有節(jié)點的最終破壞形態(tài)都是梁端破壞,梁端破壞即為梁底縱筋屈服,受壓區(qū)混凝土壓碎,鋼筋保護層剝落,直到塑性鉸承載力下降到一定程度宣告破壞.發(fā)生梁端破壞有利于結構的抗震,本次試驗的9個節(jié)點都是設計所期望的梁上“塑性鉸”彎曲破壞,在試驗結束后,梁的底部受力鋼筋都屈服(部分試件梁底縱筋發(fā)生斷裂),梁底混凝土被壓碎,而且在梁上形成塑性鉸區(qū),滿足梁端彎曲破壞的各項特征[12].而節(jié)點核心區(qū)僅出現(xiàn)幾條交叉的裂縫,節(jié)點區(qū)沒有發(fā)生嚴重的剪切破壞,柱端也未出現(xiàn)裂縫.這說明所有試件都符合“強柱弱梁,強節(jié)點弱構件”的要求.

(a) XJ

(b) PC1

(c) PC2

(e) PC4

(f) PC5

(g) PC6

(h) PC7

(i) PC8

4.2 節(jié)點滯回曲線分析

在結構試驗中,受力構件在循環(huán)反復荷載作用下的力-位移(F-S)曲線稱為構件的滯回曲線[14-15].通過滯回曲線可以了解結構的承載能力、變形能力、耗能能力及延性等力學性能.本文對9個節(jié)點進行了分組比較,各節(jié)點滯回曲線見圖7.

(a) XJ

(b) PC1

(c) PC2

(d) PC3

(e) PC4

(f) PC5

(g) PC6

(h) PC7

(i) PC8

通過9個試件滯回曲線的對比發(fā)現(xiàn):① 在彈性階段,所有預制裝配節(jié)點在向上加載與向下加載時滯回曲線與現(xiàn)澆節(jié)點形狀相似,都呈線性變化,但是隨著荷載的進一步施加,待試件進入屈服階段后,向下加載時,試件有明顯的屈服平臺,而且形狀也較為飽滿,而向上加載時,由于鋼絞線沒有屈服臺階,因此試件滯回曲線沒有明顯的屈服平臺,滯回曲線較現(xiàn)澆節(jié)點有一定的捏縮.② 對預制節(jié)點底部構造鋼筋做無黏結處理,對節(jié)點的滯回性能影響不大,其形狀較為接近,同時極限承載能力也基本相當.③ 在節(jié)點核心區(qū)設置附加鋼筋,能夠較為顯著地提高節(jié)點的變形能力與承載能力,從而可以提高節(jié)點的抗震性能.④ 對比9個節(jié)點滯回曲線可以發(fā)現(xiàn),采用鋼絞線作為受力筋的預制節(jié)點極限承載能力較現(xiàn)澆節(jié)點的承載能力高.

4.3 節(jié)點剛度分析

結構在反復荷載作用下,其剛度(K)會出現(xiàn)退化的現(xiàn)象.剛度退化實質是反映了結構在反復荷載作用下的累計損傷,是結構抗震性能分析的一個重要指標[15].

通過圖8可發(fā)現(xiàn),9個節(jié)點的剛度退化曲線總體趨勢一致,在彈性階段,所有節(jié)點剛度退化速度較快,但是在進入屈服階段后,剛度退化隨著位移的增加變得趨于平緩.同時可以看出,在彈性階段現(xiàn)澆節(jié)點的剛度大于所有預制節(jié)點,主要原因是預制節(jié)點在鍵槽處存在新老混凝土結合面,在彈性階段,較現(xiàn)澆整體結構剛度要差.但是隨著荷載的繼續(xù)施加,待試件進入屈服階段后,現(xiàn)澆節(jié)點中普通鋼筋屈服,剛度下降較快,通過剛度退化曲線可以發(fā)現(xiàn),進入屈服階段后,預制節(jié)點剛度都大于現(xiàn)澆節(jié)點剛度,說明預制節(jié)點鍵槽內(nèi)箍筋的加密以及鋼絞線應力的增大對構件剛度貢獻較大.預制節(jié)點在節(jié)點核心區(qū)設置附加鋼筋的PC1,PC2,PC7,PC8較其他預制節(jié)點剛度大,這說明節(jié)點核心區(qū)設置附加鋼筋對試件的剛度有一定貢獻.

圖8 節(jié)點剛度退化曲線

4.4 節(jié)點耗能

為了進一步了解SPCF節(jié)點的耗能能力,選用等效黏滯阻尼系數(shù)he作為耗能指標來對比9個不同構造、不同裝配方式的裝配節(jié)點在不同加載周期時的耗能能力.等效黏滯阻尼系數(shù)與能量耗散系數(shù)類似,等效黏滯阻尼系數(shù)越大,結構的耗能能力就越好,越有利于結構的抗震.如圖9所示,等效黏滯阻尼系數(shù)he計算公式如下[13]:

各個試件在不同加載特征周期計算出來的等效黏滯阻尼系數(shù)見表4.

由表4可看出,預制節(jié)點在屈服階段的耗能能力較現(xiàn)澆節(jié)點小,但隨著荷載的不斷施加,待試件進入極限承載階段時,預制節(jié)點的耗能能力明顯增加,特別是在節(jié)點核心區(qū)設置附加鋼筋的節(jié)點在極限荷載階段,耗能能力都超過了現(xiàn)澆節(jié)點.

圖9 等效黏滯阻尼系數(shù)計算示意圖

構件編號屈服荷載的he極限荷載的he XJ 0．19630．1787 PC10．07910．2324 PC20．02820．2381 PC30．08240．1174 PC40．04420．1810 PC50．04530．1870 PC60．06140．1345 PC70．05240．2347 PC80．08370．2431

5 結論

1) 節(jié)點最終破壞形態(tài)都為梁端的彎曲破壞,節(jié)點核心區(qū)只是出現(xiàn)幾道微小的交叉裂縫,說明所有試驗節(jié)點都滿足現(xiàn)行規(guī)范“強柱弱梁,強節(jié)點弱構件”的要求,同時在預制梁中施加預應力,該新型節(jié)點可以應用于跨度較大的建筑物中.

2) 對梁底部構造鋼筋做局部無黏結處理,對節(jié)點受力性能影響較小.可以考慮對鍵槽內(nèi)鋼絞線進行一段無黏結處理.

3) 節(jié)點核心區(qū)不設置附加鋼筋的預制節(jié)點無論是極限承載能力還是最終的變形能力,都較設置附加鋼筋的預制節(jié)點小,同時,附加鋼筋對提高節(jié)點的剛度也有一定的作用,總體上,節(jié)點核心區(qū)設置附加鋼筋對提高節(jié)點的抗震性能是有益的.

4) 在試件進入屈服階段之前,所有預制節(jié)點的耗能能力較現(xiàn)澆節(jié)點弱,但是隨著荷載的繼續(xù)施加,待試件達到極限荷載前,預制節(jié)點的總體耗能能力都有較大提高,部分試件的耗能能力超過現(xiàn)澆節(jié)點,說明預制節(jié)點有著較大的安全儲備.

References)

[1]Ataei A, Bradford M A, Liu X P. Experimental study of flush end plate beam-to-column composite joints with precast slabs and deconstructable bolted shear connectors[J].Structures, 2016, 7: 43-58. DOI:10.1016/j.istruc.2016.05.002.

[2]Guan D Z, Guo Z X, Xiao Q D, et al. Experimental study of a new beam-to-column connection for precast concrete frames under reversal cyclic loading[J].AdvancesinStructuralEngineering, 2016, 19(3): 529-545. DOI:10.1177/1369433216630122.

[3]Priestley M J N, MacRae G A. Seismic tests of precast beam-to-column joint subassemblages with unbonded tendons[J].PCIJournal, 1996, 41(1): 64-81. DOI:10.15554/pcij.01011996.64.81.

[5]Loo Y C, Yao B Z. Static and repeated load tests on precast concrete beam-to-column connections[J].PCIJournal, 1995, 40(2): 106-115. DOI:10.15554/pcij.03011995.106.115.

[6]Alcocer S M, Carranza R, Perez-Navarrete D, et al. Seismic tests of beam-to-column connections in a precast concrete frame[J].PCIJournal, 2002, 47(3): 70-89. DOI:10.15554/pcij.05012002.70.89.

[7]Khoo J-H, Li, B, Yip W-K. Tests on precast concrete frames with connections constructed away from column faces[J].ACIStructuralJournal, 2006, 103(1): 18-27.

[8]Xue W C, Zhang B. Seismic behavior of hybrid concrete beam-column connections with composite beams and cast-in-place columns[J].ACIStructuralJournal, 2014, 111(3): 617-627. DOI:10.14359/51686577.

[9]柳炳康,宋滿榮,黃慎江,等.三層預壓裝配式預應力混凝土框架抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2011,32(9):99-106. Liu Bingkang, Song Manrong, Huang Shenjiang, et al. Experimental study on seismic performance of three story post-tensioned precast RC frame[J].JournalofBuildingStructures, 2011, 32(9): 99-106. (in Chinese)

[10]于建兵,郭正興,管東芝,等.新型預制裝配框架混凝土梁柱節(jié)點抗震性能研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2015,42(7):42-47. DOI:10.3969/j.issn.1674-2974.2015.07.007. Yu Jianbing, Guo Zhengxing, Guan Dongzhi, et al. Research on seismic behavior of a new style precast concrete beam-to column connection[J].JournalofHunanUniversity(NaturalSciences), 2015, 42(7): 42-47. DOI:10.3969/j.issn.1674-2974.2015.07.007.(in Chinese)

[11]朱張峰,郭正興.預制裝配式剪力墻結構節(jié)點抗震性能試驗研究[J].土木工程學報,2012,45(1):69-76. Zhu Zhangfeng, Guo Zhengxing. Seismic test and analysis of joints of new precast concrete shear wall structure[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2012, 45(1): 69-76.(In Chinese)

[12]中國建筑科學研究院.GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[13]中國建筑科學研究院.JGJ 101—1996建筑抗震試驗方法規(guī)程[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[14]程萬鵬,宋玉普,王軍.預制裝配式部分鋼骨混凝土框架梁柱中節(jié)點抗震性能試驗研究[J].大連理工大學學報,2015,55(2):171-178. DOI:10.7511/dllgxb201502008. Cheng Wanpeng, Song Yupu, Wang Jun. Experimental study of seismic performance for interior beam-column joints of precast and discontinuous steel reinforced concrete frames[J].JournalofDalianUniversityofTechnology, 2015, 55(2): 171-178. DOI:10.7511/dllgxb201502008. (in Chinese)

[15]黃遠,張銳,朱正庚.現(xiàn)澆柱預制梁混凝土框架結構抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2015,36(1):44-50. Huang Yuan, Zhang Rui, Zhu Zhenggeng. Experimental study on seismic performance of frame with precast beams and cast in-place columns[J].JournalofBuildingStructures, 2015, 36(1): 44-50. (in Chinese)

Seismic experimental study on strands anchored precast concrete frame connections

Yu Jianbing1,2Guo Zhengxing2

(1College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China) (2School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to study the seismic performance of precast concrete connections of anchored prestressing strands in frame, the low-cycle reversed loading test was conducted on eight full-scale precast connections and one cast-in-place connection. The failure mechanism, hysteretic behavior, stiffness degradation and energy dissipation capacity of the precast connections were discussed. The experimental results show that additional reinforcement arranged in the core region can effectively enhance the bearing capacity and deformation capacity of the connections, while the plastic hinge of the beam can also be moved toward outside. In pre-loading, the hysteresis loop area of precast connections is smaller than that of cast-in-place connection, but as the loading continued to be applied, the hysteresis loop area of precast connections is almost equal to that of cast-in-place connection. It can be concluded that the energy dissipation capacity of precast connections is poorer than that of cast-in-place connection in the preliminary stage, however, the energy consumption is equal to or even more than the cast-in-place connection in the later stage. Through the comparison of the above seismic performance, it is found that the precast concrete connection of anchored prestressing strands in the frame can satisfy the requirements of the seismic code.

precast assembly; low-cycle reversed loading test; hysteresis performance; dissipation capacity; seismic performance

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.021

2016-12-31. 作者簡介: 于建兵(1983—)，男，博士,講師，jlyujianbing2008@163.com.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0701703).

于建兵,郭正興.鋼絞線錨入式預制裝配混凝土框架節(jié)點抗震試驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(4):760-765.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.021.

TU317.1;TU398.2

A

1001-0505(2017)04-0760-06