裝配式半剛性梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗震性試驗(yàn)研究

丁克偉, 韓苗蘭, 李興龍

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑的主要結(jié)構(gòu)形式,有現(xiàn)澆和裝配2種結(jié)構(gòu)形式,是我國建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向和普遍采用的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系之一。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式對裝配式框架結(jié)構(gòu)的抗震耗能至關(guān)重要,必須具有較高的承載力和延性,才能保證結(jié)構(gòu)破環(huán)時部分構(gòu)件還能夠重復(fù)利用[1-3]。

裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式是影響抗震耗能重要因素之一。國內(nèi)外學(xué)者對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[4]提出了裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)通過螺栓連接在強(qiáng)度、延性和耗能與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相比較都有所提高,表現(xiàn)出良好的抗震性能;文獻(xiàn)[5]提出了裝配式節(jié)點(diǎn)由螺栓將鋼板進(jìn)行加固的方法,能夠有效提高梁的承載能力和變形能力;文獻(xiàn)[6-7]提出了預(yù)制裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn),說明了預(yù)制裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的連接是核心技術(shù);文獻(xiàn)[8-9]說明了預(yù)制裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)通過可靠的連接方式來提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能;文獻(xiàn)[10]提出了一種在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)預(yù)埋低屈服高延性連桿,說明了裝配式延性節(jié)點(diǎn)承載力高于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),達(dá)到延性設(shè)計的要求;文獻(xiàn)[11]提出了一種預(yù)制裝配式鋼骨混凝土框架節(jié)點(diǎn),證明了節(jié)點(diǎn)的承載能力和較好的延性,說明了節(jié)點(diǎn)耗能相對較好。

隨著軸壓比增大,節(jié)點(diǎn)的剛度退化速率增加,延性系數(shù)減小。文獻(xiàn)[12]提出了一種由鋼絞線連接的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入屈服階段后總體耗能能力都有較大的提高;文獻(xiàn)[13]提出一種等同現(xiàn)澆板的新型拼縫結(jié)構(gòu)的疊合板結(jié)構(gòu),提高裝配式在建筑結(jié)構(gòu)中的施工效率;文獻(xiàn)[14]提出一種新型的疊合剪力墻,實(shí)現(xiàn)了等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)受力基本相同的要求,在承載力和抗震性能都有所提高;文獻(xiàn)[15-16]提出了一種由螺栓連接的結(jié)構(gòu),研究表明了高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能比普通螺栓要好,通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)置可以提高結(jié)構(gòu)的整體性能及抗震性能;文獻(xiàn)[17]研究了裝配式結(jié)構(gòu),通過漿錨連接與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,在承載力和位移延性方面相似,能夠滿足抗震性能的要求。

本試驗(yàn)采用足尺模型對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耗能分析,選取邊節(jié)點(diǎn)對梁端采用低周反復(fù)加載的方法,主要是為了研究由螺栓連接的節(jié)點(diǎn)在達(dá)到極限時,預(yù)制梁柱結(jié)構(gòu)破壞可以進(jìn)行修復(fù),對螺栓構(gòu)件替換,減少不可回收材料的消耗以及節(jié)點(diǎn)的抗震耗能情況。本文在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,采用ABAQUS軟件改變軸壓比參數(shù)對結(jié)構(gòu)耗能、剛度退化進(jìn)行比較研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計

試驗(yàn)前,對構(gòu)件先進(jìn)行計算分析,計算模型采用典型的框架平面布置,基本平面軸網(wǎng)3×6跨,設(shè)計樓層數(shù)為12層的框架結(jié)構(gòu)體系,標(biāo)準(zhǔn)柱跨8.4 m,層高4.2 m。本試驗(yàn)采用8.8級高強(qiáng)螺栓連接的混凝土框架結(jié)構(gòu),柱、梁均為預(yù)制構(gòu)件,柱為C80牛腿柱,梁為C40T形梁,鋼筋均采用HRB400級,鋼板采用Q345。節(jié)點(diǎn)構(gòu)件尺寸如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計及鋼筋配筋圖

1.2 試件制作

本試驗(yàn)預(yù)制梁、柱均在安徽省建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)大廳完成。梁柱節(jié)點(diǎn)之間留有25 mm的空隙,目的是為了反映實(shí)際情況,連接通過預(yù)留的孔洞采用高強(qiáng)度螺栓連接在一起。梁柱吊裝過程如圖2所示。

圖2 梁柱吊裝過程

1.3 材料性能

預(yù)制混凝土柱采用C80高強(qiáng)混凝土,文獻(xiàn)[18]研究了混凝土強(qiáng)度對構(gòu)件截面尺寸大小與混凝土強(qiáng)度有關(guān),而本試驗(yàn)混凝土柱采用的是C80高強(qiáng)混凝土,可以減少柱截面尺寸,說明采用高性能混凝土能有效解決使用空間。預(yù)制梁采用C40強(qiáng)度等級混凝土,高強(qiáng)螺栓采用8.8級M30,高強(qiáng)螺栓具有受力性良好和可拆卸性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),梁柱節(jié)點(diǎn)兩側(cè)采用Q345鋼板。在節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載前對各種材料進(jìn)行材性試驗(yàn)。螺栓的力學(xué)性能指標(biāo)見表1所列,混凝土力學(xué)指標(biāo)見表2所列,鋼筋及鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)見表3所列。

表1 螺栓力學(xué)性能指標(biāo)

表2 混凝土力學(xué)性能指標(biāo) MPa

表3 鋼筋及鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)

1.4 加載裝置

本試驗(yàn)在安徽省建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)設(shè)備采用北京佛力生產(chǎn)的500 kN電液伺機(jī)加載系統(tǒng)進(jìn)行荷載加載,試驗(yàn)裝置由錨桿、千斤頂、拉桿和鋼墩組成,梁端用固定在反力墻上的多功能電液伺服加載作助動器,并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。加載裝置圖如圖3所示。

圖3 加載裝置圖

1.5 加載方案

本試驗(yàn)采用在梁端施加力-位移混合加載的低周往復(fù)加載方案,柱頂通過液壓千斤頂施加軸力,在柱頂施加500 kN的液壓千斤頂,在梁端加載前,對柱進(jìn)行預(yù)加載,試加載通過壓力計,分別為5、10、15 MPa的壓力進(jìn)行柱頂壓力的確定,最終取3組試驗(yàn)的平均值。第1次加載持續(xù)時間要比后2次持續(xù)時間長,為了檢查梁柱內(nèi)力和梁柱的拼接間隙得到充分調(diào)整,最終在柱頂施加為15 MPa油壓時產(chǎn)生的恒定軸力,并保持不變。加載制度如圖4所示。

圖4 梁端加載制度

梁端加載方案采用力-位移混合加載的低周反復(fù)加載方案,向下推為正,向上拉為負(fù),考慮梁的自重,梁端最終加載制度(單位為kN)為:+20,-35;+25,-40;+30,-45;+35,-50;+40,-55;+45,-60;+50,-65;+55,-70;+60,-75;+65,-80;+70,-85。加載至70 kN時,梁位移出現(xiàn)突變,改為位移加載,75 mm為一級,每級循環(huán)3次,至125 mm時結(jié)束。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 節(jié)點(diǎn)破壞過程

試驗(yàn)規(guī)定:+,向下推;-,向上拉。

荷載加載期間,加載+20、-35 kN時,無變形出現(xiàn);+30 kN時,第1條裂縫在靠近節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁端上部出現(xiàn)且寬度為0.1 mm;-45 kN時,原出現(xiàn)的裂縫出現(xiàn)閉合;+40 kN時,梁端持續(xù)產(chǎn)生裂縫且裂縫寬度也持續(xù)增加,裂縫的最大寬度為0.54 mm;-55 kN時,梁上表面產(chǎn)生裂縫基本閉合;+75 kN時,梁產(chǎn)生明顯的變形,裂縫的寬度持續(xù)增加0.8 mm,在靠近柱梁端節(jié)點(diǎn)核心區(qū)附近裂縫寬度增加至0.75 mm,梁屈服。

在位移加載期間,85 mm位移時,梁裂縫持續(xù)增多,裂縫寬度也增加,且梁的裂縫增加至梁的1/2左右;隨著位移加載的增大,裂縫的寬度也在增加;位移為125 mm時,螺栓上的應(yīng)力迅速降為0,加載結(jié)束;最終梁的2/3有裂縫產(chǎn)生,在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁端裂縫寬度為12 mm,而柱并沒有產(chǎn)生裂縫。節(jié)點(diǎn)破壞過程如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)破壞過程

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)ABAQUS軟件建立與試驗(yàn)相同材料參數(shù)的有限元模型,對試驗(yàn)的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線與模擬結(jié)果進(jìn)行對比如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)滯回曲線與骨架曲線對比分析

從圖6可以看出,試驗(yàn)的滯回曲線與模擬的滯回曲線進(jìn)行對比是有差別的,試驗(yàn)產(chǎn)生“捏縮”比模擬明顯嚴(yán)重,這可能是由于鋼筋粘結(jié)的滑移。模擬滯回曲線的面積持續(xù)增加,說明節(jié)點(diǎn)的耗能能力良好。而模擬的滯回曲線在滯回曲線常見的結(jié)果中屬于弓形,但中間也產(chǎn)生“捏縮”效應(yīng),但模擬的飽滿度比試驗(yàn)要好,也說明了此結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有較好的整體性與抗震耗能能力。從骨架曲線進(jìn)行比較基本一致,構(gòu)件的極限承載力基本相同,說明結(jié)構(gòu)符合理論計算結(jié)果,為以后裝配式框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接提供了可能性。

3 有限元模擬分析

本文采用ABAQUS軟件[19]對不同柱軸壓比時參數(shù)的變化進(jìn)行模擬分析,軸壓比分別為0.5、0.7、0.9。

3.1 不同軸壓比滯回曲線對比

本文模擬軸壓比0.5、0.7、0.9的滯回曲線如圖7所示,從圖7可以看出，滯回曲線呈現(xiàn)出形狀基本相似的弓形,但都出現(xiàn)了輕微的“捏縮”現(xiàn)象,節(jié)點(diǎn)的滯回曲線比較飽滿，說明了構(gòu)件結(jié)構(gòu)的耗能和抗震性能良好。軸壓比增大時,滯回曲線有明顯的突變,滯回曲線的單環(huán)面積增大,說明耗能能力提高了,但總體的累積耗能減少,說明構(gòu)件的塑性變形能力減小,小軸壓比能夠延緩構(gòu)件的破壞。軸壓比增大時,滯回曲線的極限荷載稍有增加，但變化不明顯,說明構(gòu)件的承載力比較好;但當(dāng)軸壓比增大到0.9時,在持續(xù)增加位移階段水平段的位移減小,極限荷載對應(yīng)的極限位移也減小。

圖7 不同軸壓比滯回曲線

3.2 不同軸壓比對應(yīng)的剛度退化曲線

不同軸壓比對應(yīng)的剛度退化曲線如圖8所示，從圖8可以看出,構(gòu)件的初始剛度基本相同,說明了構(gòu)件在開始加載時變形不明顯;在相同加載條件下,位移隨著軸壓比的增大而減小,剛度退化速率增加,說明小軸壓比能夠延緩構(gòu)件的破壞。

圖8 不同軸壓比對應(yīng)的剛度退化曲線

3.3 延性系數(shù)

8.8螺栓強(qiáng)度連接的梁柱節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)見表4所列。

由表4可知,裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)得到的延性系數(shù)基本一致,說明由高強(qiáng)螺栓連接的節(jié)點(diǎn)是有效的,試驗(yàn)的下壓階段的延性系數(shù)小于模擬下壓的延性系數(shù),這是由于試驗(yàn)后拆分構(gòu)件時,螺栓發(fā)生了輕微滑移。

表4 構(gòu)件位移延性系數(shù)

4 結(jié) 論

本文將試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)和模擬的結(jié)果趨勢基本一致,并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上改變軸壓比對節(jié)點(diǎn)整體性及抗震耗能的影響。

(1) 最終試驗(yàn)結(jié)果表明此干式連接節(jié)點(diǎn)具有良好的承載力及耗能能力,是一種可靠的連接方式,說明高強(qiáng)螺栓的連接對結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)試件有一定的改善作用。

(2) 在軸壓比為0.7、0.9時,滯回曲線的單環(huán)面積增大,說明耗能能力提高了,但總體的累積耗能減少,從而說明了小軸壓比能夠延緩構(gòu)件的破壞。

(3) 從骨架曲線上看試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果趨勢一致,由于模擬是在理想狀態(tài),滯回曲線模擬結(jié)果比較飽和,說明結(jié)構(gòu)的整體性及抗震耗能都符合設(shè)計要求,證明了此結(jié)構(gòu)理論分析是正確的;鋼板對螺栓的加固作用是決定結(jié)構(gòu)延性重要的因素之一。

(4) 隨著軸壓比的增大,在相同加載條件下,構(gòu)件的初始剛度基本相同。

(5) 裝配式混凝土梁柱連接節(jié)點(diǎn)的剛度隨著軸壓比的增大而逐漸減小,說明構(gòu)件的塑性變形增大。