裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究與應(yīng)用

陳燕友

廣東理工學(xué)院（526100）

當(dāng)前，我國(guó)大多數(shù)現(xiàn)有建筑物，尤其是住宅建筑物，主要是由新拌制的混凝土結(jié)構(gòu)制成，然而，新拌制結(jié)構(gòu)的低效率設(shè)計(jì)和高能耗具有許多局限性，使其逐漸難以適應(yīng)建筑工業(yè)化的發(fā)展需求。裝配式房屋由于具有建筑效率高，整體質(zhì)量好，能耗低，環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，正朝著建筑物工業(yè)化的發(fā)展方向。近年來，隨著國(guó)家政治的積極推動(dòng)，以預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)和裝配體的建造為主要生產(chǎn)方式的建筑工業(yè)的發(fā)展迅速。

1 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)

預(yù)制構(gòu)件的連接技術(shù)是裝配式建筑發(fā)展的中心研究目標(biāo)，按照連接方法的分類，預(yù)制混凝土零件可分為干式連接和濕式連接，濕連接需要在組件中注漿，然后組裝連接節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)注漿時(shí)，施工較為復(fù)雜，效率較低。干式連接通常使用預(yù)嵌入的連接器來完成，該連接器難以構(gòu)造且精度要求很高[1]。在先前的地震災(zāi)難之后，預(yù)制結(jié)構(gòu)在地震中受到了嚴(yán)重破壞，難以獲得與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同的抗震性能。預(yù)應(yīng)力技術(shù)被引入到預(yù)制構(gòu)件中，以提高預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)的連接的可靠性，并達(dá)到或超過現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。預(yù)應(yīng)力連接方法也是一種干連接，在制造過程中固定預(yù)應(yīng)力孔，在施工過程中安裝預(yù)制部件，并通過張緊預(yù)應(yīng)力筋將部件連接起來，預(yù)應(yīng)力的摩擦片可改善結(jié)構(gòu)的承載能力，同時(shí)提供連接效果，此外，預(yù)應(yīng)力摩擦片的彈性恢復(fù)力可顯著提高結(jié)構(gòu)變形后的恢復(fù)力，低殘留變形和自復(fù)位功能。

2 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)研究

2.1 全預(yù)應(yīng)力連接節(jié)點(diǎn)的性能試驗(yàn)研究

在連接點(diǎn)測(cè)試和勘測(cè)過程中，節(jié)點(diǎn)混凝土樣品在五個(gè)混凝土框架結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)中的混凝土樣品強(qiáng)度為50 MPa。在測(cè)試過程中，根據(jù)測(cè)試臺(tái)MCJ-1 將整個(gè)混凝土澆鑄成混凝土接縫。同時(shí)，有四個(gè)連接是由完全預(yù)應(yīng)力，非粘接預(yù)應(yīng)力和預(yù)制混凝土框架組成的，簡(jiǎn)稱為PCJ-1-4，必須在設(shè)置過程中設(shè)置測(cè)試參數(shù)，要設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋的偏心率參數(shù)，有效地固定混凝土框架梁和柱，并在框架梁的末端設(shè)置承重支架的參數(shù)等。

完全預(yù)應(yīng)力連接點(diǎn)的設(shè)置是指預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中框架支架和框架柱的完全預(yù)應(yīng)力連接。在完全預(yù)應(yīng)力連接的連接過程中，預(yù)制混凝土梁和柱已經(jīng)可以通過預(yù)應(yīng)力穿透，預(yù)應(yīng)力鋼桿結(jié)構(gòu)，錨固將框架梁和框架柱壓在一起，并且框架梁承受的側(cè)向載荷是由框架梁之間的摩擦剪力引起的并將該列直接傳輸?shù)娇蚣芰衃2]。表1 中顯示了測(cè)試對(duì)象的詳細(xì)說明。

表1 試件描述

測(cè)試結(jié)果如下:首先，對(duì)全預(yù)應(yīng)力連續(xù)樣品的滯回曲線，骨架曲線，變形恢復(fù)能力，剛度和位移進(jìn)行了抗震性能的詳細(xì)研究，有了這些數(shù)據(jù)，就可以建立一個(gè)完全偏置的連接，即四重線狀的故障安全節(jié)點(diǎn)模型。其次，測(cè)試結(jié)果表明，全預(yù)應(yīng)力的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)只有能耗較高，全預(yù)應(yīng)力，組裝好的混凝土框架結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的強(qiáng)度，剛度和延展性，雖然可塑性和其他方面與傳統(tǒng)的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相同，但全預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的性能更好。

2.2 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架內(nèi)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)

此測(cè)試中，選擇了混合粘接的預(yù)制混凝土框架中的六個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并在重復(fù)載荷下進(jìn)行了測(cè)試，通常情況下，混凝土樣品的強(qiáng)度為50 MPa，毫米鋼絞線必須放置在截面的中間。表2 中是測(cè)試中使用的測(cè)試片說明。

測(cè)試結(jié)果如下:首先，從滯回曲線，骨架曲線圖以及自身的變形恢復(fù)能力，剛度，位移應(yīng)變，能量耗散能力等方面對(duì)提出的混合連接樣本的抗震性能進(jìn)行更系統(tǒng)的調(diào)查和分析。在此基礎(chǔ)上，可以建立混合連接節(jié)點(diǎn)的折線圖恢復(fù)力模型。其次，從上述試驗(yàn)研究可以看出，混合框架和裝配混凝土框架結(jié)構(gòu)在能耗和強(qiáng)度上與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架基本相同，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞時(shí)，其自身的剛度，延展性，變形恢復(fù)能力等方面要比普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高得多。

2.3 主要結(jié)論

四個(gè)節(jié)點(diǎn)試件的縱向鋼筋的最大伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)小于實(shí)際測(cè)量的屈服強(qiáng)度，這與試樣的設(shè)計(jì)要求相對(duì)應(yīng)，兩種預(yù)制的預(yù)應(yīng)力框架連接和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的樣本的最終破壞模式是彎曲并形成梁的受損梁端可以充分開發(fā)鉸鏈和梁末端塑料鉸鏈的能量耗散機(jī)制。如果試件最終失效，在核心部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)少量細(xì)裂紋和結(jié)的阻力，混凝土和箍筋仍具有剪切能力。

裝配式預(yù)應(yīng)力中節(jié)點(diǎn)耗能能力略小于其現(xiàn)澆對(duì)比試件的能量消散能力，裝配式預(yù)應(yīng)力邊連結(jié)點(diǎn)的耗能能力略高于現(xiàn)澆對(duì)比試件，裝配式預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點(diǎn)的耗能能力基本上對(duì)應(yīng)于現(xiàn)澆對(duì)比試件。預(yù)應(yīng)力使節(jié)點(diǎn)區(qū)域和梁的混凝土處于雙向應(yīng)力狀態(tài)，從而有效地提高了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域的抗力及梁的抗裂和抗剪強(qiáng)度。

表2 試件的一般性描述

3 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的非線性理論的有效分析

在分析混合連接結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)臨界區(qū)中全預(yù)應(yīng)力連接鋼筋的抗拉強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)裂縫之間的關(guān)系應(yīng)基于完全預(yù)應(yīng)力混凝土連接結(jié)構(gòu)的非線性分析。從理論上研究，有必要分析混凝土結(jié)構(gòu)連桿未粘接區(qū)域中的預(yù)應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度及混凝土結(jié)構(gòu)和連桿橫截面的具體計(jì)算方法，基于這樣的情況，相關(guān)研究人員可以結(jié)合理論基礎(chǔ)來創(chuàng)建一種用于對(duì)預(yù)應(yīng)力連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析的計(jì)算方法，特定測(cè)試值與研究的理論值之間的一致性更好。

4 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究分析

為了有效地分析無黏接預(yù)應(yīng)力裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能分析，必須對(duì)無接結(jié)的直接組合混凝土結(jié)構(gòu)和混合組合混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，首先，對(duì)4 個(gè)直接組合的預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，即PCB1-PCB4 和3 種不同的混合節(jié)點(diǎn)，混合裝預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)HCB1-3 也包含一個(gè)現(xiàn)成的混凝土結(jié)構(gòu)，MCB 節(jié)點(diǎn)是在試驗(yàn)中使用現(xiàn)成混凝土節(jié)點(diǎn)的主要目的是進(jìn)行比較研究。

無粘接預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點(diǎn)的破壞條件不同于現(xiàn)場(chǎng)混凝土試樣的破壞條件，這通過對(duì)試樣的破壞程度來表明，前者主要集中在地板和混凝土梁的邊緣，混凝土梁的末端有裂縫，在正常情況下，試樣損壞的程度主要以混凝土達(dá)到臨界壓力時(shí)的膨脹力為特征，螺旋鋼筋可用于有效地將混凝土固定在混凝土梁的末端。因此，受測(cè)物體的損壞位置受到限制，并且外層在梁的末端受到混凝土的保護(hù)。

此外，應(yīng)對(duì)未粘接的預(yù)應(yīng)力混凝土組件連接樣本的相關(guān)抗震性能，滯回曲線的變化，連接間隙等進(jìn)行詳細(xì)分析，從這些可以得出以下結(jié)論:①當(dāng)直接組裝節(jié)點(diǎn)的初始應(yīng)力降低時(shí)，裂紋載荷，屈服強(qiáng)度和最大載荷相應(yīng)降低，但試樣的延展性提高，如果將預(yù)應(yīng)力鋼筋偏心布置，則樣品的承載能力將會(huì)提高。②在混合裝配節(jié)點(diǎn)下，使用混合配置后，與普通鋼筋相比，試樣的能量消耗能力和負(fù)載能力得到了改善，此外，鋼棒的橫截面面積和強(qiáng)度直接影響樣品的承載能力和能耗。

5 結(jié)語

通過對(duì)預(yù)應(yīng)力預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了研究和分析，并對(duì)預(yù)應(yīng)力預(yù)制框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定性和定量分析，可以得出以下結(jié)論:①裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架連接處最重要的抗震性能指標(biāo)及其現(xiàn)場(chǎng)比較樣本基本相等，均可以滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求。②通過合理地改善預(yù)制梁-柱連接的連接形式及預(yù)制的主梁和次梁的連接形式，使組裝凝結(jié)變得容易，地板框架和框架剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)造更簡(jiǎn)單，更高效，為這種建筑物的預(yù)制結(jié)構(gòu)和建筑，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。③這種裝配式的預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)在預(yù)制的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的示范項(xiàng)目中使用，被使用并表現(xiàn)出良好的設(shè)計(jì)性能，并且可以在抗震地區(qū)推廣和使用[3]。