低周反復(fù)荷載下自控耗能UPPC框架鋼筋應(yīng)力變化

解登峰，李　寧，李延和 ，王　璐

（1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.南京中哲國際工程設(shè)計有限公司，江蘇 南京 210019）

近年來，無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土（Unbonded Partial Prestressed Concrete，UPPC）框架結(jié)構(gòu)在大跨建筑中得到廣泛應(yīng)用。種迅[1]提出，采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)，很難實現(xiàn)“強柱弱梁”，可能在罕遇地震作用下形成危險的柱鉸耗能機制。葉列平[2]針對框架結(jié)構(gòu)在汶川地震中未形成“強柱弱梁”進行討論，指出梁柱抗彎承載力比、梁端鋼筋是否超配等因素是形成“強柱弱梁”的重要影響因素。孟少平[3]提出，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范對預(yù)應(yīng)力混凝土框架進行設(shè)計，一般是由豎向荷載及抗裂度要求控制設(shè)計。按此種方法設(shè)計的PC框架難以形成梁鉸耗能側(cè)移機制，因此可對其采用混合耗能機制。

圖1　自控耗能UPPC框架

由于現(xiàn)行規(guī)范對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進行了裂縫等級控制和抗震構(gòu)造要求，UPPC框架梁的強度儲備被加強。按現(xiàn)行方法設(shè)計的UPPC框架在地震作用下，框架柱截面先于框架梁梁端產(chǎn)生塑性鉸，不易實現(xiàn)梁鉸側(cè)移機制。如圖1所示，文中提出通過在普通折線型UPPC框架梁中設(shè)置自控元件調(diào)減地震作用下無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力，使得UPPC框架結(jié)構(gòu)在地震作用下實現(xiàn)梁鉸側(cè)移機制。

1　試驗設(shè)計

1.1　試件設(shè)計

文中設(shè)計了兩榀相同材質(zhì)、尺寸、配筋、預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力的單層單跨折線型UPPC框架，并在其中一榀框架的預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向處設(shè)置由頂轉(zhuǎn)向棒、頂板、側(cè)板、連接棒、承壓板、前后擋板、限移棒組成的自控元件使其成為自控耗能UPPC框架，見圖2和圖3。普通UPPC框架編號為K1，自控耗能UPPC框架編號為K2。

文中對該兩榀框架進行低周反復(fù)荷載試驗，研究其破壞形態(tài)、預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力變化及框架成鉸順序。

1.2　材料屬性

試驗框架的混凝土強度等級為C30。箍筋采用直徑為8 mm的HRB335級鋼筋，其余鋼筋均采用HRB400級鋼筋。框架梁中無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋采用1φs15.24低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，以折線型布置，張拉端與錨固端均采用夾片式錨具。混凝土實測抗壓強度見表1，鋼筋實測力學(xué)性能見表2。

圖2　框架尺寸及配筋

圖3　梁、柱截面配筋

1.3　試驗裝置及加載方案

垂直荷載：在梁的四分點處通過懸掛質(zhì)量為1.8 t的配重物施加豎向荷載。梁頂配重施加前通過試驗室重力秤測得實際重力，保證施加荷載的準(zhǔn)確性。

水平荷載：采用美國MTS公司生產(chǎn)的244.31型50 t大型液壓電液伺服擬動力加載系統(tǒng)對框架施加水平向的低周反復(fù)荷載。MTS作動器固定于反力墻上，由反力墻承擔(dān)水平支撐[4]。

表1　實測混凝土立方體抗壓強度

表2　鋼筋力學(xué)性能

預(yù)應(yīng)力筋的張拉：從預(yù)應(yīng)力為0開始，對預(yù)應(yīng)力筋每次增加應(yīng)力0.2σcon，直至增加到1.0σcon，之后持荷2 min鐘再進行錨固。張拉后普通框架K1內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力σpe=637 N/mm2，自控耗能框架K2內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力σpe=644 N/mm2。

低周反復(fù)荷載：試驗采用位移控制下的加載模式，先采用變幅加載方式，第一步加載幅值為2 mm，循環(huán)一次；以后每循環(huán)一次增加0.2 mm，循環(huán)一次，直至試件屈服；試件屈服后，每級增加位移級差為屈服位移的倍數(shù)，并在每級下循環(huán)2次，直至試件水平承載力下降至極限承載力的85%時試驗結(jié)束。

1.4　量測內(nèi)容及測點布置

鋼筋應(yīng)變：普通鋼筋應(yīng)變的測量通過電阻應(yīng)變片測定。本次試驗的應(yīng)變片布置及各控制截面編號如圖4所示，其中箭頭指向代表正向加載方向。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力測量：預(yù)應(yīng)力鋼絞線測量采用No.131025型20T穿心式力傳感器測得。普通鋼筋的應(yīng)變與預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力均由DH3816N應(yīng)變采集箱進行采集。

框架的受力狀態(tài)：框架在低周反復(fù)過程中的水平位移與抗力均由試驗室電液伺服擬動力控制系統(tǒng)自動采集。

圖4　測點布置及其所對應(yīng)的截面

2　試驗現(xiàn)象

2.1　框架K1

框架K1在加載過程中，水平位移達到44 mm時，K1梁端出現(xiàn)裂縫，梁端裂縫寬度較小，裂縫發(fā)展緩慢，框架梁端混凝土直至試驗結(jié)束也未發(fā)生剝離現(xiàn)象。說明加載全過程，K1框架梁處于彈性階段，為結(jié)構(gòu)變形做出貢獻很小，未形成塑性鉸?？蚣躃1節(jié)點處混凝土的剝落只出現(xiàn)在框架柱頂部，說明在加載過程中，框架K1進入約束屈服彈塑性階段時，柱頂發(fā)生塑性變形，承擔(dān)著結(jié)構(gòu)的變形作用，形成了塑性鉸。

2.2　框架K2

框架K2在加載過程中，首次0～40 mm加載時，K2發(fā)出一聲爆響，表明元件破壞?？蚣躃2梁端混凝土在水平位移達到60 mm時發(fā)生剝落，并在隨后的試驗中，剝落區(qū)域向梁柱節(jié)點部位發(fā)展。最終的破壞形態(tài)，框架K2節(jié)點區(qū)的混凝土剝落主要出現(xiàn)在框架梁端，表明在加載過程中，K2框架梁端發(fā)生塑性變形，形成塑性鉸，為整體框架的變形做出貢獻。

通過將框架K1與框架K2的試驗現(xiàn)象進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，加載結(jié)束之后，框架K1與框架K2在柱根處混凝土均嚴(yán)重剝落，說明柱根處發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，形成塑性鉸，為整個框架變形做了主要貢獻?？蚣躃1柱端出現(xiàn)混凝土剝落比框架K2明顯，表明框架K1柱端對框架變形做出貢獻多；而框架K2梁端混凝土剝落比框架K1明顯，表明框架K2梁端對框架變形做出貢獻多。

3　試驗結(jié)果及分析

3.1　預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化

文中研究預(yù)應(yīng)力鋼絞線在每次加載過程中極限應(yīng)力，同時由于低周反復(fù)加載過程中鋼絞線的應(yīng)力發(fā)生往返變化。因此采用雷達圖繪出各次加載過程中鋼絞線極限值。

3.1.1框架K1圖5為框架K1預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力增量變化圖。試件加載初期，混凝土未開裂，預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力幾乎未改變；當(dāng)水平加載位移增大，受拉區(qū)混凝土開裂，預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生有限幅度的應(yīng)力增量；當(dāng)框架屈服，加載位移增大，預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生明顯的應(yīng)力增長，表明此時預(yù)應(yīng)力鋼絞線在結(jié)構(gòu)中承擔(dān)抵抗外荷載的作用；當(dāng)加載逐漸增大至極限荷載，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力增長速度逐漸減小。

3.1.2框架K2圖6為框架K2預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力增量變化圖。加載初期及混凝框架屈服之前，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力變化與K1類似；當(dāng)框架屈服，加載位移增大，預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生明顯的應(yīng)力增長，鋼絞線即將在結(jié)構(gòu)中承擔(dān)抵抗外荷載的作用時，自控元件破壞，鋼絞線應(yīng)力明顯降低，無法像K1中預(yù)應(yīng)力鋼絞線一樣應(yīng)力發(fā)生明顯增長從而發(fā)揮主要外荷載作用；但在后續(xù)加載過程中，預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力相比最初降低值也有明顯增長，表明其發(fā)揮了逐漸開始承擔(dān)外荷載作用。

圖5　框架K1預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力增量變化圖

圖6　框架K2預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力增量變化圖

3.2　普通鋼筋應(yīng)變變化

由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用，梁上裂縫在加載過程中發(fā)展，在卸載過程中閉合。因此單純通過試驗卸載時描繪的裂縫發(fā)展形態(tài)，無法準(zhǔn)確把握節(jié)點處塑性鉸的成型時機。文中通過研究控制截面鋼筋應(yīng)變，分析試驗過程中塑性鉸的成鉸順序。

3.2.1柱根處縱筋應(yīng)變圖7為框架K1和K2控制截面J上測點40、43在每級加載位移峰值的應(yīng)變變化圖形。其中測點40布置在框架柱根控制截面外側(cè)縱筋上，該縱筋在正向加載階段受壓；測點43布置在框架柱根控制截面內(nèi)側(cè)縱筋上，該縱筋在正向加載階段受拉。

圖7虛線為K1上截面J處測點，實線為K2上截面J處測點。由上圖可知兩框架在該截面處受拉、受壓鋼筋應(yīng)變發(fā)展情況基本類似。其應(yīng)變發(fā)展過程均是初期加載增長很快，后期加載增長速度趨慢，表明框架柱根鋼筋應(yīng)變發(fā)展迅速，承擔(dān)著結(jié)構(gòu)塑性變形的主要貢獻。

正向加載階段，測點43所代表的受拉鋼筋首先屈服，之后測點40所代表的受壓鋼筋屈服，該截面在正向加載階段于20 mm附近形成塑性鉸。逆向加載階段，該截面鋼筋應(yīng)變發(fā)展慢于正向加載階段，其塑性鉸形成時機落后于20 mm。由框架對稱性，正向加載階段截面A的鋼筋應(yīng)變發(fā)展情況類似于控制截面J的負(fù)向加載，因此，控制截面A在正向加載階段塑性鉸形成慢于控制截面J。

3.2.2柱頂縱筋應(yīng)變圖8為K1和K2控制截面H上測點33、36在每級加載位移峰值的應(yīng)變變化圖形。其中測點33布置在框架柱頂控制截面外側(cè)縱筋上，測點36布置在框架柱頂控制截面內(nèi)側(cè)縱筋上。

圖7　控制截面J上受拉、受壓鋼筋應(yīng)變

圖8　控制截面H上受拉、受壓鋼筋應(yīng)變

由圖中可知，正向加載階段，該截面測點33所代表的受拉筋在加載至16 mm時首先屈服。測點36所代表的受壓筋在框架進入屈服階段之后屈服，故其塑性鉸形成在柱根塑性鉸之后。逆向加載階段，雖然該截面受拉筋最終屈服，但受壓筋處于彈性階段，未屈服。因此逆向加載階段，該截面未形成塑性鉸。

對于K2框架，元件破壞之前，該截面受拉筋與受壓筋應(yīng)變發(fā)展與K1近乎相同，這是由于配筋相同而導(dǎo)致的。元件破壞之后，正向加載階段，該截面受壓筋與受壓筋的應(yīng)變發(fā)展增量降低，說明該截面對框架塑性變形的貢獻減弱，其塑性鉸形成時機也因此滯后。

3.2.3梁端縱筋應(yīng)變圖9為K1和K2控制截面G上測點31、32在每級加載位移峰值的應(yīng)變變化圖形。其中測點31布置在框架梁端控制截面底部受壓區(qū)縱筋上，測點32布置在框架梁端控制截面頂部受拉區(qū)縱筋上。

由圖9可知，正向加載階段，該截面測點32所代表的受拉筋在加載至22 mm時首先屈服。而測點32所代表的受壓筋應(yīng)變發(fā)展較慢，在接近40 mm時才屈服，從而整個截面形成塑性鉸的時機偏晚。在逆向加載階段，該截面測點31所代表的鋼筋受拉屈服，而受壓區(qū)鋼筋一直保持彈性階段，未屈服，故逆向加載階段，該截面未形成塑性鉸。

對于K2框架，元件破壞之后，正向加載階段，由于預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力放松，該截面受壓筋與受壓筋的承擔(dān)的外荷載增加，其應(yīng)變發(fā)展速度增快，其塑性鉸形成時機也因此提前，該截面對框架塑性變形的貢獻也因此增強。

3.2.4四分點處縱筋應(yīng)變圖10為K1和K2控制截面D上測點17、18在每級加載位移峰值的應(yīng)變變化圖形。其中測點17布置在框架梁四分點處控制截面頂部受壓區(qū)縱筋上，測點18布置在框架梁四分點處控制截面底部受拉區(qū)縱筋上。

圖9　控制截面G上受拉、受壓鋼筋應(yīng)變　

圖10　控制截面D上受拉、受壓鋼筋應(yīng)變

由圖10可知，正向加載階段，該截面測點18所代表受拉鋼筋在框架屈服之后再屈服，而測點17所代表受壓鋼筋屈服時機則更晚，在完成一次屈服后增大位移級差的加載之后才屈服，故此處出鉸時機較上述各控制截面都晚。而逆向加載階段，此控制截面受拉鋼筋與受壓鋼筋均未屈服，表明逆向加載該截面未出鉸。

對于K2框架，元件破壞之后階段，該控制截面受拉與受壓鋼筋的應(yīng)變明顯高于無元件的K1框架。表明在加載過程中，該處對框架變形的貢獻增大，同時其塑性鉸的出鉸時機有明顯提前。

4　結(jié)論

通過一榀自控耗能UPPC框架及一榀普通UPPC框架的對比試驗，研究了該兩榀框架在低周反復(fù)荷載作用下的破壞形態(tài)、預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化，現(xiàn)將結(jié)論總結(jié)如下：（1）破壞形態(tài)：兩榀框架在加載結(jié)束時，兩柱根處都發(fā)生明顯的破壞，說明柱根處形成塑性鉸。對未放置自控元件的框架K1，梁柱節(jié)點處混凝土的剝落主要發(fā)生在柱頂處，標(biāo)志該處在框架發(fā)生彈塑性變形時承擔(dān)了塑性變形的作用。而對于放置自控元件的框架K2，在試驗加載過程中元件發(fā)生破壞，其梁端處發(fā)生明顯的混凝土剝落，而框架柱頂處混凝土剝落量減少，說明框架梁參與了構(gòu)件的塑性變形當(dāng)中。（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力變化：分析預(yù)應(yīng)力筋鋼絞線應(yīng)力變化，可以發(fā)現(xiàn)，加載初期，其應(yīng)力增幅較小；框架屈服之后，其應(yīng)力增幅變大，說明預(yù)應(yīng)力筋在框架的約束屈服彈塑性階段承擔(dān)起抵抗外荷載的作用?？蚣躃2中元件破壞之后，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力放松，其預(yù)應(yīng)力筋抵抗外荷載的貢獻降低。（3）控制截面鋼筋應(yīng)變：通過分析柱根處控制截面縱筋應(yīng)變，可以發(fā)現(xiàn)柱根處鋼筋應(yīng)變發(fā)展迅速，最先形成塑性鉸。

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