裝配式混凝土梁柱中節(jié)點抗震性能試驗研究

張少春

（龍泉市正龍建筑工程有限公司，龍泉 323700）

從裝配式混凝土梁柱中節(jié)點連接結(jié)構(gòu)體系看，具有自重輕、跨徑長、施工便利等優(yōu)勢，從抗震性能方面研究看，可在震后的恢復(fù)中使用高箍筋約束力的方式，增強(qiáng)梁柱中節(jié)點的抗震性能，并可削弱梁端結(jié)構(gòu)構(gòu)造，形成塑性鉸，促進(jìn)地震傳播過程中能量的分散，在地震后受損鋼構(gòu)件修復(fù)中可選用替換性結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)節(jié)點結(jié)構(gòu)在使用性能、抵抗力等方面仍存在一定應(yīng)用局限，由于節(jié)點剪切破壞、承壓破壞等，不僅降低施工效率，加大施工難度，同時節(jié)點剛度的使用需求難以滿足，給工程實踐帶來諸多難題[1]?；诖耍瑧?yīng)用新型節(jié)點構(gòu)造，如通過焊接的形式將鋼板桶與加筋腹板相連，增加對混凝土的約束力，新型構(gòu)件節(jié)點結(jié)構(gòu)可通過預(yù)制廠的預(yù)制生產(chǎn)實現(xiàn)。

1 試驗設(shè)計及主要內(nèi)容

裝配式混凝土的梁柱節(jié)點結(jié)構(gòu)主要指預(yù)制梁與預(yù)制柱相互結(jié)合的部分，預(yù)應(yīng)力筋主要承載抗震力作用，靠節(jié)點的連接可靠性和恢復(fù)性能直接體現(xiàn)出來。預(yù)應(yīng)力筋在初始的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下，不僅能夠有效的滿足節(jié)點結(jié)構(gòu)的抗剪力，同時能夠有效的促進(jìn)地震中預(yù)應(yīng)力筋能夠不進(jìn)入到塑性狀態(tài)，有效的保障節(jié)點功能的恢復(fù)性，因此這就需要節(jié)點處的預(yù)應(yīng)力在施加的過程中，能夠符合計算的標(biāo)準(zhǔn)，同時能夠有效的保障節(jié)點恢復(fù)使用性能，這對于合理的預(yù)判預(yù)應(yīng)力增量具有重要意義[2]。另一方面，在后插入式的非預(yù)應(yīng)力鋼筋節(jié)點抗震性能的體現(xiàn)中，要以抗震性能的主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對非預(yù)應(yīng)力的鋼筋配筋率進(jìn)行控制，同時保障屈服強(qiáng)度穩(wěn)定性、構(gòu)造結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，這對于促進(jìn)節(jié)點耗能、實現(xiàn)節(jié)點穩(wěn)定性等具有重要意義。如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，計算配筋、擴(kuò)大構(gòu)造結(jié)構(gòu)的影響等，對于推廣和使用構(gòu)件性能指標(biāo)體系，對于下一步的設(shè)計應(yīng)用具有重要作用。

1.1 試件主要參數(shù)及制作

本試驗試件選取裝配式混凝土梁柱中節(jié)點部分結(jié)構(gòu)試件3 個，編號分別表示為RCSJ1、RCSJ2 和RCSJ3.3個試件主要參數(shù)見下表1。

表1 3個試件主要參數(shù)Tab.1 3 main parameters of test pieces

所有選取試件節(jié)點構(gòu)造主要由壁板結(jié)構(gòu)、加勁腹板、鋼板桶及鋼筋混凝土（內(nèi)部空間）等組成，通過預(yù)埋的方式進(jìn)行有效連接。其中鋼板桶及鋼梁結(jié)構(gòu)均在預(yù)制廠中生產(chǎn)，所有焊縫質(zhì)量保證在二級以上，試件制作流程應(yīng)首先預(yù)制鋼筋混凝土柱、然后裝配鋼梁結(jié)構(gòu)再對整體試件進(jìn)行焊接處理[3]。節(jié)點構(gòu)造示意圖及實物圖如下圖1、2所示。其中圖1中1~7結(jié)構(gòu)點編號按順序分別表示：鋼梁端板、端板加勁肋、柱面壁板、加勁腹板、水平加勁肋、綴板、高強(qiáng)度螺栓。

對于構(gòu)件的配筋參數(shù)來說，現(xiàn)澆的節(jié)點柱體結(jié)構(gòu)內(nèi)的配筋，縱向受力筋8 Φ 20，箍筋Φ 12@100，梁部結(jié)構(gòu)內(nèi)縱向上下部的受力鋼筋4 Φ 22，箍筋Φ 8@100。梁體結(jié)構(gòu)中截面設(shè)計過程中的受彎承載力的計算公式1如下所示：

最終， 計算得出現(xiàn)澆梁設(shè)計受彎承載力Mcu=173kN?m。

依據(jù)現(xiàn)澆梁極限受彎矩承載力Mcu進(jìn)行計算得出裝配式混凝土的節(jié)點PPJ 配筋，可按照PCI 所推薦的有關(guān)公式進(jìn)行計算和分析，公式2~4如下所示：

其中上式中，h 為梁體高度（m）Mu為梁體設(shè)計受彎承載力

Mp，u為預(yù)應(yīng)力鋼筋承受彎矩分量值；Mg，u為后插非預(yù)應(yīng)力鋼筋承受玩具分量值；Ap為預(yù)應(yīng)力鋼筋的面積；fpy為預(yù)應(yīng)力鋼筋的屈服強(qiáng)度；Ag為后插非預(yù)應(yīng)力鋼筋面積；fy為非預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度；ξ為非預(yù)應(yīng)力鋼筋中心到梁截面邊緣的距離系數(shù)；λg,u為主要指非預(yù)應(yīng)力鋼筋強(qiáng)度增大系數(shù)，保證非預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服[4]。

圖1 節(jié)點構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic diagram of node construction

圖2 節(jié)點構(gòu)造實物圖Fig.2 Node construction physical diagram

1.2 試驗節(jié)點類型分析

為保障和對比分析預(yù)制節(jié)點結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆節(jié)點結(jié)構(gòu)中抗震性能，加強(qiáng)對抗震節(jié)點中裝配式結(jié)構(gòu)的承載力要求，試驗節(jié)點主要包含有兩大部分，分別是現(xiàn)澆與預(yù)制兩種類型[5]。

1）全現(xiàn)澆梁柱節(jié)可在梁內(nèi)鋼筋通長的過程中布置相應(yīng)柱體結(jié)構(gòu)，并按照規(guī)范的相關(guān)要求，設(shè)定梁柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性等。

2）對于裝配式結(jié)構(gòu)的框架節(jié)點、梁、柱構(gòu)件進(jìn)行有效澆筑，促進(jìn)柱體鋼筋配筋過程與現(xiàn)澆節(jié)柱相同，并且有效的保障柱軸向承載力的穩(wěn)定性，梁柱內(nèi)部的縱向筋結(jié)構(gòu)只通過配置梁內(nèi)的穿過體，并預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼筋孔洞結(jié)構(gòu)，促進(jìn)后穿入的非預(yù)應(yīng)力筋孔洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，待梁柱構(gòu)件混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠達(dá)到90%后，需要進(jìn)行拼接安裝，并促進(jìn)預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠施加預(yù)應(yīng)力，使得非預(yù)應(yīng)力剛進(jìn)能夠順利的穿過并澆入砂漿，同時進(jìn)行錨固作業(yè)[6]。

1.3 試件加載

選取某公司開發(fā)的電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行試件加載作業(yè)，保證實現(xiàn)動靜態(tài)等三個作業(yè)方向。加載過程中，首先對構(gòu)件選擇豎向加載，待加載數(shù)值穩(wěn)定后，梁端結(jié)構(gòu)初始值控制為0，按照相關(guān)規(guī)范中擬靜力試驗的相關(guān)規(guī)定，改善加載方法，提升加載效率。加載前需要開展有限元模擬作業(yè)，以保證節(jié)點結(jié)構(gòu)處的屈服位移控制在0.1cm，同時對梁端結(jié)構(gòu)進(jìn)行反對稱加載，位移在5mm、10mm 循環(huán)1 次，在20~40mm 處各循環(huán)2次，到50mm循環(huán)時試件結(jié)構(gòu)得到破壞[7]。

1.4 試驗數(shù)據(jù)的收集

試驗數(shù)據(jù)的收集參數(shù)主要包含有柱頂端的荷載、梁端結(jié)構(gòu)的荷載及其位移值，數(shù)據(jù)收集自動化儀器設(shè)備選擇使用FSC 全數(shù)字化多通道型電液伺服控制系統(tǒng)，采集間隔為0.5s，每次收集1 次數(shù)據(jù)，主要包含有檢測時間點的荷載值及對應(yīng)加載位移值；混凝土結(jié)構(gòu)的表面由白漿涂抹，并畫出50mm×50mm 方格，記錄混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫開展情況，以每循環(huán)1 次為準(zhǔn)，對現(xiàn)場結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍照記錄。

結(jié)合以上描述內(nèi)容，主要對裝配式混凝土節(jié)點及對照的現(xiàn)澆節(jié)點進(jìn)行有效設(shè)計，設(shè)計的目的主要以有限元分析為主，提供更加可靠有效的數(shù)據(jù)模型，并且為后續(xù)試驗結(jié)構(gòu)的分析做準(zhǔn)備。

在預(yù)應(yīng)力鋼筋的受力過程中，初始的預(yù)應(yīng)力關(guān)系到整個節(jié)點正常的抗剪承載力和地震作用下的有效恢復(fù)，同時從此角度進(jìn)行分析，其主要以預(yù)應(yīng)力越高越好，同時又能夠有效的保障地震效應(yīng)下的預(yù)應(yīng)力鋼筋能夠始終的保持在彈性范圍之內(nèi)，并且預(yù)應(yīng)力鋼筋一旦進(jìn)入到塑性階段，將會控制其節(jié)點結(jié)構(gòu)的恢復(fù)性能，并促進(jìn)恢復(fù)性能的大大折扣，同時預(yù)應(yīng)力筋能夠有效的實現(xiàn)殘余應(yīng)力的變化，從而對于節(jié)點的恢復(fù)能力產(chǎn)生一定的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗機(jī)理及過程

3 個試件中對應(yīng)的是梁鉸機(jī)制破壞，以試件RC-SJ1為例，加載值達(dá)到72kN時，對應(yīng)節(jié)點區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)斜向裂縫破壞，此狀態(tài)下的水平位移為15mm；當(dāng)加載值達(dá)到100kN 時，對應(yīng)鋼梁結(jié)構(gòu)翼緣板測點應(yīng)變最大屈服過程中出現(xiàn)了少量的新型交叉裂縫結(jié)構(gòu)。位移角1/50循環(huán)中，70%的測點應(yīng)變超過了翼緣板結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)變節(jié)點，同時對應(yīng)節(jié)點混凝土結(jié)構(gòu)的斜向裂縫逐步的趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在加勁腹板結(jié)構(gòu)處，主拉應(yīng)變值達(dá)到突變狀態(tài)。同樣，在位移角達(dá)到1/35和1/25時，節(jié)點加載區(qū)域分別出現(xiàn)開始屈服、屈服狀態(tài)嚴(yán)重，直到鋼梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)平面外的扭轉(zhuǎn)后，試驗終止。整個試驗過程中，鋼梁結(jié)構(gòu)的端板及對應(yīng)鋼板桶結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)出緊密相連的狀態(tài)，連接效果明顯，未失效[8]。

2.2 滯回性能分析

位移—荷載滯回曲線主要反映的是在往復(fù)的荷載作用下，荷載施加過程與變形之前的關(guān)系，是研究裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的主要依據(jù)。試件RCSJ2和RCSJ3在往復(fù)荷載作用條件下，其滯回曲線如下圖3、4 所示。由圖中可以看出，智慧曲線呈現(xiàn)出棱形、不飽滿狀態(tài)，主要反映的是整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加載過程中的彈性變形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在變形量相對較小的狀態(tài)下，對應(yīng)承載力能夠達(dá)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)3 倍以上，所有試件在加載的過程中都未發(fā)生側(cè)滑。

圖3 RCSJ2滯回曲線Fig.3 RCSJ2 hysteretic curve

圖4 RCSJ3滯回曲線Fig.4 RCSJ3 hysteretic curve

由上圖還可看出，RCSJ2 滯回曲線和RCSJ3 滯回曲線的飽滿程度呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，破壞后的試件結(jié)構(gòu)觀察分析可得，梁鋼骨架結(jié)構(gòu)在焊接過程中呈現(xiàn)出質(zhì)量下降趨勢，并存在一定的缺陷，主要是由于該構(gòu)件結(jié)構(gòu)在加固處理以后，導(dǎo)致試件結(jié)構(gòu)的下部限制了塑性變形導(dǎo)致，使得塑性變形量相對減小[9]。

2.3 主要應(yīng)變量分析

構(gòu)件結(jié)構(gòu)在加載初期階段，加勁腹板結(jié)構(gòu)處的應(yīng)變量相對較小，而通過每次循環(huán)加載，導(dǎo)致滯回曲線中的回環(huán)部分基本呈現(xiàn)重合狀態(tài)，在節(jié)點混凝土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出斜向開裂后，對應(yīng)加勁腹板及其混凝土結(jié)構(gòu)可通過共同抗剪參與節(jié)點應(yīng)變增長速度的加快，平攤了節(jié)點結(jié)構(gòu)處的部分剪力，同時腹板結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)變呈現(xiàn)出較快增長的趨勢。

3 變形分析

可以截面結(jié)構(gòu)的平均曲率ψ 表示，引申儀要以0.8 倍梁端高范圍進(jìn)行布置，并測量翼緣結(jié)構(gòu)的伸長、縮短量，平均曲率ψ 按照以下公式求得：

其中，ΔS1、ΔS2分別表示翼緣量測段區(qū)域內(nèi)的引申儀變化量；h 為上下端的量測距離；a 為測區(qū)段的長度，200mm。

以RCSJ2試件為例，在翼緣屈服前，對應(yīng)鋼梁結(jié)構(gòu)主要以彈性變形為主，并且曲率呈現(xiàn)出一定的彎曲增長的趨勢，同時在位移角1/50循壞處理后，會隨著整體翼緣屈服范圍的增大而逐漸增大，同時塑性結(jié)構(gòu)中的鉸區(qū)曲率明顯增加，梁端塑性結(jié)構(gòu)在塑性變形的過程中得到充分的發(fā)揮。

其次，在連接變形量的變化中，在加載的初始階段，會導(dǎo)致初始階段的剛度呈現(xiàn)持續(xù)增加的狀態(tài)，且對應(yīng)的數(shù)值曲線呈現(xiàn)出上升變化態(tài)勢，同時由于高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力的增加，導(dǎo)致梁端與柱面板結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)出一定的擠壓力。

此外，在耗能分析中，預(yù)制節(jié)點結(jié)構(gòu)的剛度退化相對較快，這不僅與現(xiàn)澆梁的節(jié)點有一定的關(guān)系，同時對于使用的差距來說也具有一定的關(guān)系，但是差距一般保持在20%以內(nèi)，同時需要做進(jìn)一步的改善與研究。

預(yù)制節(jié)點結(jié)構(gòu)中對應(yīng)的耗能體系、耗能節(jié)點之間相互接近，在小震中，對應(yīng)的耗能性能還能優(yōu)于現(xiàn)澆的梁體節(jié)點，并且在大震中的耗能性能體系中，對應(yīng)的性能會產(chǎn)生一定的削減，削減后的比例大約在20%左右，因此在實際的應(yīng)用過程中，需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗證與分析，從而有效的實現(xiàn)預(yù)制結(jié)構(gòu)能夠擁有很好的自恢復(fù)性能。

4 結(jié)語

1）裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)采用無筋鋼骨形式連接，對應(yīng)連接方式滿足整體抗震的需求，同時連接方式較為可靠。通過對裝配式節(jié)點的0.3 軸壓比以下承載力相比，差距相對較小，這說明整體節(jié)點結(jié)構(gòu)中，主要以彎曲破壞為主，通過有關(guān)試驗設(shè)計，得出可較少的考慮軸壓比這類型參數(shù)，以高效的節(jié)省對比試驗過程中的相關(guān)資源。

以裝配式混凝土的節(jié)點承載力進(jìn)行分析，通過非預(yù)應(yīng)力鋼筋面積中的節(jié)點屈服荷載來說，雖然具有較大的影響，但是對于節(jié)點處的穩(wěn)定性來說，與其他的影響因素相比影響程度較小，因此建議在設(shè)計的過程中，要以提升非預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗彎曲能力為主，抵抗對應(yīng)彎矩比[10]。

2）對應(yīng)裝配式部分的預(yù)制鋼骨框架中節(jié)點試件承載力是普通鋼筋混凝土中節(jié)點試件承載力的2~3倍[5]。通過對預(yù)應(yīng)力裝配式節(jié)點的延性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，應(yīng)對非預(yù)應(yīng)力鋼筋的面積、強(qiáng)度、剛度、預(yù)應(yīng)力筋的面積所產(chǎn)生的延性影響相對較大，而對于非預(yù)應(yīng)力鋼筋的面積改變來說，對接點的屈服位移的影響相對較小，同時對于延性下降值來說，對于非預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度的延性下降值相對較小，因此在節(jié)點控制的過程中，要以提升節(jié)點延性進(jìn)行考慮，主要用以提升非預(yù)應(yīng)力鋼筋的面積。同時，在預(yù)應(yīng)力的設(shè)計過程中，要計算出最大的預(yù)應(yīng)力，再通過最大的初預(yù)應(yīng)力設(shè)計，對預(yù)應(yīng)力的鋼筋面積進(jìn)行有效應(yīng)用，保證預(yù)應(yīng)力筋的材料結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮出最大的使用性能及穩(wěn)定性能。

3）延展性較好，位移延性系數(shù)可達(dá)3.3。通過裝配式預(yù)應(yīng)力節(jié)點的滯回性能曲線進(jìn)行分析，得出在剛度退化的節(jié)點結(jié)構(gòu)中，各個節(jié)點的參數(shù)及其變化過程，可通過節(jié)點性能的影響而減小，同時耗能分析后插非預(yù)應(yīng)力鋼筋對于節(jié)點的控制來說，具有耗能大的影響，而預(yù)應(yīng)力的印象影響相對較小，這主要是由于在電算的過程中，收斂性影響相對較大，不僅對滯回的結(jié)果具有較大的影響，同時對于節(jié)點耗能能力也具有較大的差距。分析其中的原因，主要是因為預(yù)制節(jié)點靠后插非預(yù)應(yīng)力鋼筋耗能，并且現(xiàn)澆混凝土節(jié)點主要靠鋼筋及混凝土的開裂耗能為主，因此其具有一定的耗能性差距。

綜上所述，裝配式混凝土體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有廣闊的空間，自主恢復(fù)的性能良好，并且與現(xiàn)澆的梁體體系來說，不僅對承載力、耗能能力等具有一定的影響，同時在其實際的應(yīng)用的過程中，也具有一定的技術(shù)保障，對于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、加強(qiáng)工業(yè)化生產(chǎn)、促進(jìn)混凝土生產(chǎn)中的質(zhì)量保障等具有重要意義。在實際的施工過程中，不僅能夠節(jié)省人力物力，同時能夠高效的省去支模拆模、澆筑、養(yǎng)護(hù)等作業(yè)流程，直到混凝土齡期的工序能夠符合有關(guān)要求，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，同時也能夠給技術(shù)的創(chuàng)新提供更為廣闊的應(yīng)用空間。