邊柱拆除時(shí)預(yù)壓裝配式PC框架抗連續(xù)倒塌性能試驗(yàn)研究

黃慎江, 劉辰譜, 宋滿榮, 何嘉軒

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009)

近年來,建筑結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌問題成為我國工程界關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1-3]。目前防控結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌研究主要集中于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)[4-8],對于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究較少。傳統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)在梁柱結(jié)合處較為薄弱,其抗連續(xù)倒塌能力較差。而預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土(prestressed concrete,PC)結(jié)構(gòu)是一種將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用在裝配式結(jié)構(gòu)的一種新型結(jié)構(gòu)體系,有機(jī)結(jié)合了裝配式結(jié)構(gòu)和PC結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),具有良好的抗震性能[9-12]。

本文對1榀2層2跨預(yù)壓裝配式PC框架進(jìn)行拆除邊柱試驗(yàn),研究預(yù)壓裝配式PC框架在邊柱破壞時(shí)的抗連續(xù)倒塌能力。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1榀1/2縮尺2層2跨預(yù)壓裝配式PC平面框架,配筋如圖1所示。

圖1 框架尺寸及配筋

試驗(yàn)框架預(yù)制梁、柱混凝土均采用C40混凝土,預(yù)應(yīng)力筋為1束7φj15低松弛鋼鉸線(1860級(jí)),非預(yù)應(yīng)力筋與箍筋采用HRB400級(jí)熱軋鋼筋。材料性能實(shí)測強(qiáng)度見表1所列。

表1 材料實(shí)測強(qiáng)度 單位:MPa

試驗(yàn)框架梁、柱構(gòu)件在工場預(yù)制,運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室拼裝。梁、柱安裝就位后,將預(yù)應(yīng)力筋穿過梁、柱內(nèi)預(yù)留孔道進(jìn)行張拉,組裝成整體框架。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fpt(fpt為預(yù)應(yīng)力筋極限強(qiáng)度),采用一端張拉,張拉完畢后實(shí)施孔道壓力灌漿。

1.2 試驗(yàn)裝置、加載制度及測量方案

將試驗(yàn)框架柱腳底部用地腳螺栓固定在實(shí)驗(yàn)室地面槽道,并在柱腳與反力墻柱腳以及柱腳之間放置相應(yīng)長度的工具梁,用螺紋鋼拉結(jié)以模擬框架底部固接,同時(shí)在左邊柱柱下方放置千斤頂,在試驗(yàn)開始前通過卸載模擬瞬間抽柱過程。在試驗(yàn)中,通過MTS電液伺服作動(dòng)器對失效柱上部逐級(jí)施加荷載,同時(shí)在中柱和右邊柱用千斤頂按0.3的軸壓比對柱頂施加恒定的軸向力以模擬結(jié)構(gòu)上部荷載。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

試驗(yàn)采用安裝在邊柱上部的MTS作動(dòng)器加載,將邊柱殘端下部千斤頂卸載,并通過作動(dòng)器對失效柱柱頂逐級(jí)加載,采用位移控制來模擬結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌過程。試驗(yàn)采用按位移控制的逐級(jí)加載模式,分為以下4級(jí):

(1) 加載位移2～10 mm,每級(jí)1 mm。

(2) 加載位移10～30 mm,每級(jí)2 mm。

(3) 加載位移30～90 mm,每級(jí)5 mm。

(4) 加載位移90～430 mm,每級(jí)10 mm。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)過程中豎向荷載由MTS作動(dòng)器內(nèi)置的荷載傳感器讀取得到,失效柱豎向位移由作動(dòng)器內(nèi)置位移傳感器測得。通過應(yīng)變片、位移傳感器及數(shù)據(jù)采集儀獲取每級(jí)加載過程中鋼筋應(yīng)變、位移轉(zhuǎn)角及試件的抗力等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)框架節(jié)點(diǎn)編號(hào)和測點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)編號(hào)與測點(diǎn)布置情形

鋼筋的應(yīng)變片主要布置在梁端和柱腳截面,共計(jì)48個(gè)鋼筋應(yīng)變片。圖3中:1-1至1-3為梁中鋼筋應(yīng)變片測點(diǎn)位置截面;編號(hào)2-1-1至2-5-4為梁縱筋應(yīng)變片;2-1到2-3為柱中鋼筋應(yīng)變片測點(diǎn)位置截面;編號(hào)2-1-1至2-3-4為柱縱筋應(yīng)變片。

位移的測量主要包括層間位移、梁端轉(zhuǎn)角和柱腳轉(zhuǎn)角。圖3中,D1至D24為位移計(jì),分別布置在框架梁端和柱腳及框架柱樓層梁處。

2 框架試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試件破壞過程

在試驗(yàn)加載初期,框架未有明顯的破壞現(xiàn)象發(fā)生,此時(shí)框架處于彈性階段;隨著作動(dòng)器緩慢向下加載,加載裂縫首先出現(xiàn)于節(jié)點(diǎn)②處。

當(dāng)框架失效邊柱位移加載至24 mm時(shí),節(jié)點(diǎn)⑥牛腿處開始出現(xiàn)斜裂縫;隨著加載進(jìn)行,框架梁與節(jié)點(diǎn)牛腿處裂縫數(shù)量增多,已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫進(jìn)一步延伸加寬,其中最大的裂縫寬度達(dá)到1.2 mm。

當(dāng)框架邊柱左側(cè)位移加載到100 mm時(shí),框架右側(cè)梁端沒有產(chǎn)生裂縫且舊裂縫沒有進(jìn)一步發(fā)展;而節(jié)點(diǎn)②和節(jié)點(diǎn)⑥牛腿處混凝土裂縫發(fā)展程度較高,受壓區(qū)混凝土有細(xì)碎石脫落。

當(dāng)框架邊柱左側(cè)位移加載到150 mm時(shí),框架梁裂縫不斷加寬加深,最先出現(xiàn)于節(jié)點(diǎn)②處的裂縫已加寬至2.4 mm,節(jié)點(diǎn)⑥牛腿接縫處的裂縫寬度也達(dá)到了2.2 mm,同時(shí)節(jié)點(diǎn)②處混凝土受壓區(qū)處出現(xiàn)部分混凝土脫落。

當(dāng)框架邊柱左側(cè)位移加載到220 mm時(shí),框架出現(xiàn)巨響,節(jié)點(diǎn)②和節(jié)點(diǎn)⑥處混凝土受壓區(qū)混凝土完全壓碎,大量混凝土脫落,此時(shí)荷載出現(xiàn)陡降;節(jié)點(diǎn)①和節(jié)點(diǎn)⑤處混凝土受壓區(qū)裂縫又進(jìn)一步延伸加寬,且有少量細(xì)碎石脫落。

當(dāng)框架失效邊柱位移加載到300 mm時(shí),框架出現(xiàn)巨響,節(jié)點(diǎn)⑤處受壓區(qū)混凝土被壓碎,有相當(dāng)嚴(yán)重的混凝土脫落現(xiàn)象發(fā)生,且梁與牛腿接觸處混凝土受拉區(qū)斜裂縫貫通,同時(shí)荷載出現(xiàn)突降。節(jié)點(diǎn)③、節(jié)點(diǎn)④、節(jié)點(diǎn)⑦和節(jié)點(diǎn)⑧處均只有1～2條細(xì)微裂縫。

隨著試驗(yàn)的繼續(xù)加載,邊柱豎向位移達(dá)到360 mm時(shí),框架出現(xiàn)巨響,荷載出現(xiàn)陡降,梁端破壞程度進(jìn)一步加深,節(jié)點(diǎn)①處受壓區(qū)混凝土壓碎剝落現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重,同時(shí)框架失效邊柱所在跨梁端牛腿處均產(chǎn)生了較大的傾角。

當(dāng)加載至430 mm時(shí),框架出現(xiàn)巨響,框架預(yù)應(yīng)力鋼絞線被拉斷,框架失效邊柱完全倒塌,荷載值降為0,而框架右跨處無破壞現(xiàn)象產(chǎn)生,此次試驗(yàn)終止。

框架在試驗(yàn)結(jié)束后的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 框架破壞形態(tài)

2.2 荷載-位移曲線

由MTS作動(dòng)器記錄的試驗(yàn)框架荷載-位移曲線如圖5所示。

圖5 框架荷載-位移曲線

在A點(diǎn)之前,框架處于彈性階段,荷載和位移主要呈線性關(guān)系增長,此時(shí)框架未有明顯的破壞現(xiàn)象發(fā)生。

AB段為彈塑性階段,荷載與位移的增長呈非線性,框架梁端出現(xiàn)較多裂縫?？蚣苁н呏憾私孛嫦虏块_裂,中和軸上移;中柱端截面上部開裂,中和軸下移。由此導(dǎo)致該梁內(nèi)部形成一條傳力路徑,即產(chǎn)生壓拱效應(yīng),因壓拱效應(yīng)出現(xiàn)橫向裂縫。

BC段為塑性鉸的發(fā)展階段,即受壓區(qū)混凝土的破壞階段。

當(dāng)達(dá)到C點(diǎn)后,框架進(jìn)入倒塌階段,同時(shí)中柱靠近失效邊柱梁端的混凝土受壓區(qū)壓潰,荷載出現(xiàn)陡降。由于普通鋼筋沒有貫穿框架梁,結(jié)構(gòu)的抗力主要由預(yù)應(yīng)力筋的拉力提供,框架內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼絞線在加載過程中不斷被拉伸,因此拉力不斷增大,導(dǎo)致荷載進(jìn)一步回升。

當(dāng)?shù)竭_(dá)D點(diǎn)時(shí),失效邊柱二層梁端完全形成塑性鉸,喪失抗彎承載能力,此處混凝土受壓區(qū)退出工作,荷載出現(xiàn)陡降。

當(dāng)?shù)竭_(dá)E點(diǎn)時(shí),失效邊柱側(cè)一層和二層梁端完全形成塑性鉸,喪失抗彎承載能力,此處混凝土受壓區(qū)退出工作,荷載出現(xiàn)陡降。

當(dāng)邊柱位移到達(dá)F點(diǎn)時(shí),一層和二層中柱梁端鋼絞線斷裂,荷載值降為0,框架產(chǎn)生了較大的變形,同時(shí)框架梁端破壞嚴(yán)重,試驗(yàn)終止。

2.3 框架水平位移

框架梁水平位移與失效邊柱豎向位移關(guān)系曲線如圖6所示。圖6中,正值表示框架向內(nèi)側(cè)偏移,負(fù)值表示框架向外側(cè)偏移。

從圖6a可以看出：隨著邊柱豎向位移的增加,框架失效邊柱向外側(cè)偏移,表明在此階段有壓拱作用;當(dāng)邊柱豎向位移達(dá)到220 mm左右,一層框架左側(cè)柱開始向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng),框架梁內(nèi)軸向壓力逐漸減小,說明此時(shí)框架由“梁機(jī)制階段”進(jìn)入“倒塌階段”。當(dāng)邊柱豎向位移到達(dá)340 mm左右時(shí),一層框架左側(cè)柱的水平絕對位移值基本為0,此時(shí)框架的位移基本恢復(fù)到初始狀態(tài),而此后邊柱豎向位移不斷增大,一層框架左邊柱不斷向內(nèi)側(cè)偏移,說明框架梁的軸力已完全由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?/p>

由圖6b可知:框架在倒塌階段,二層向內(nèi)側(cè)的水平位移小于一層,而在梁機(jī)制階段,二層向外側(cè)的水平位移大于一層;340 mm后預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)屈服、斷裂,導(dǎo)致失效邊柱向左側(cè)大幅移動(dòng)。

圖6 框架水平位移與失效邊柱豎向位移關(guān)系曲線

2.4 鋼筋應(yīng)變

2.4.1 梁端鋼筋應(yīng)變

試驗(yàn)過程中,一層框架梁靠近失效柱端底部鋼筋(1-1-3、1-1-4)在整個(gè)加載過程中所承受的拉應(yīng)力很小,鋼筋均未受拉屈服。這是由于普通鋼筋在節(jié)點(diǎn)處沒有貫通,拉力主要由預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān),同時(shí)邊柱牛腿較早出現(xiàn)裂縫,因此普通鋼筋承擔(dān)了很少的拉力。

而一層框架梁靠近失效邊柱端頂部鋼筋(1-1-1、1-1-2)、一層框架梁遠(yuǎn)離失效邊柱端底部鋼筋(1-2-3、1-2-4)及二層框架梁遠(yuǎn)離失效邊柱端底部鋼筋(1-3-3、1-3-4)在試驗(yàn)加載初期承受壓力,但壓應(yīng)變值較小,此時(shí)壓力大部分是由混凝土承擔(dān)。隨著試驗(yàn)加載的進(jìn)行,壓應(yīng)變逐漸增大,當(dāng)框架梁的受彎承載能力耗盡時(shí),壓應(yīng)變達(dá)到峰值,隨著框架進(jìn)入倒塌階段(邊柱豎向位移大于220 mm), 1-1-1、1-1-2、1-2-3、1-2-4、1-3-3、1-3-4處出現(xiàn)了壓應(yīng)變逐漸減小的現(xiàn)象,表明鋼筋有由受壓轉(zhuǎn)向受拉的趨勢。

2.4.2 柱腳鋼筋應(yīng)變

在試驗(yàn)開始加載階段,中柱一層柱底鋼筋(2-2-1、2-2-2、2-2-3、2-2-4)和二層柱底靠近失效邊柱鋼筋(2-3-1、2-3-4)在加載初期壓應(yīng)力隨著失效邊柱位移增加而上升,同時(shí)右側(cè)邊柱一層柱底內(nèi)側(cè)鋼筋(2-4-1、2-4-4)、二層右側(cè)邊柱柱底內(nèi)側(cè)柱鋼筋(2-3-1、2-3-4)及二層失效邊柱柱底外側(cè)鋼筋(2-1-1、2-1-4)在加載初期壓應(yīng)力與失效邊柱位移增加呈正相關(guān)。

而中柱二層柱底靠近右側(cè)邊柱鋼筋(2-3-2、2-3-3)在加載初期壓應(yīng)力隨著失效邊柱位移增加而下降,同時(shí)右側(cè)邊柱一層柱底外側(cè)鋼筋(2-4-2、2-4-3)、二層右側(cè)邊柱柱底外側(cè)柱鋼筋(2-5-2、2-5-3)及失效邊柱二層柱底內(nèi)側(cè)鋼筋(2-1-2、2-1-3)在加載初期壓應(yīng)力與失效邊柱位移增加呈負(fù)相關(guān)。這說明此時(shí)一層框架向外側(cè)偏移,框架處于“梁機(jī)制階段”,受到壓拱作用。

隨著試驗(yàn)加載的進(jìn)行,當(dāng)邊柱豎向位移達(dá)到220 mm時(shí),中柱和右側(cè)邊柱一層與二層的柱底鋼筋應(yīng)變曲線出現(xiàn)駐點(diǎn),隨后應(yīng)力的發(fā)展趨勢與之前相反,這是由于此時(shí)框架開始由“梁機(jī)制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗顾鷻C(jī)制”,框架開始內(nèi)縮。

當(dāng)邊柱豎向位移到達(dá)340 mm左右時(shí),二層中柱柱底鋼筋及右側(cè)邊柱一層和二層柱底鋼筋的壓應(yīng)變基本回歸初始階段,說明此時(shí)框架一層基本恢復(fù)為初始狀態(tài),基本沒有出現(xiàn)水平偏移,二層則有較小的內(nèi)側(cè)水平位移。

而當(dāng)邊柱豎向位移到達(dá)340 mm后,二層失效邊柱柱底鋼筋單純受拉,二層中柱柱底外側(cè)鋼筋單純受壓,且應(yīng)變不斷變小,說明此時(shí)框架左側(cè)有逐漸增大的內(nèi)側(cè)水平位移,符合前述的框架水平位移與邊柱豎向位移曲線關(guān)系。

2.5 梁柱轉(zhuǎn)角

(1) 梁端轉(zhuǎn)角。試驗(yàn)框架的梁端轉(zhuǎn)角由放置在框架梁兩端上、下部的位移計(jì)讀數(shù)差值除以位移計(jì)間距離求得,梁端轉(zhuǎn)角與失效邊柱豎向位移的關(guān)系曲線如圖7所示。圖7中,正值表示節(jié)點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),負(fù)值表示節(jié)點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 梁端轉(zhuǎn)角與失效邊柱豎向位移關(guān)系

由圖7可知：梁端各節(jié)點(diǎn)在加載結(jié)束時(shí),塑性鉸都得到了充分的轉(zhuǎn)動(dòng),框架具有良好的延性;同時(shí)由各節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度對比可知,節(jié)點(diǎn)①、節(jié)點(diǎn)②的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大(對應(yīng)底層框架梁靠近失效邊柱端),節(jié)點(diǎn)⑤、節(jié)點(diǎn)⑥次之(對應(yīng)二層框架梁靠近失效邊柱端),而節(jié)點(diǎn)③、節(jié)點(diǎn)⑧的轉(zhuǎn)動(dòng)角度基本為0(分別對應(yīng)一層、二層框架右側(cè)跨梁端)。

(2) 柱腳轉(zhuǎn)角。試驗(yàn)框架的柱腳轉(zhuǎn)角由放置在一層框架柱柱腳兩側(cè)的位移計(jì)讀數(shù)差值除以位移計(jì)間距離求得,柱腳轉(zhuǎn)角與失效邊柱豎向位移的關(guān)系曲線如圖8所示。圖8中,正值表示柱順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),負(fù)值表示逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 柱腳轉(zhuǎn)角與失效邊柱豎向位移關(guān)系曲線

由圖8可知:一層框架中柱在邊柱位移到達(dá)170 mm前有向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢,在邊柱位移到達(dá)170 mm后,框架中柱逐漸由向左轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛴肄D(zhuǎn)動(dòng),這是由于在邊柱位移達(dá)到170 mm左右時(shí),框架逐漸由“梁機(jī)制階段”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗顾A段”,這與前面對框架水平位移的分析結(jié)果一致;而在邊柱位移達(dá)到220 mm時(shí),框架一層和二層靠近失效邊柱梁端受壓區(qū)混凝土完全退出工作,此時(shí)框架中柱大幅度向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)邊柱位移達(dá)到340 mm時(shí),框架一層和二層靠近中柱左側(cè)梁端受壓區(qū)混凝土完全退出工作,框架中柱大幅度向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)邊柱位移達(dá)到360 mm時(shí),由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線屈服,框架中柱大幅向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

一層框架右側(cè)邊柱在整個(gè)右側(cè)邊柱位移中柱腳未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié) 論

本文通過1榀2層2跨預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力框架拆除邊柱后的試驗(yàn)研究,了解預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架的受力機(jī)制、變形性能、倒塌機(jī)制和倒塌過程,得到以下結(jié)論:

(1) 在試驗(yàn)加載過程中,框架的混凝土裂縫開展與破壞集中在邊柱失效跨內(nèi)兩側(cè)梁端與框架柱牛腿結(jié)合部,框架柱和遠(yuǎn)離失效邊柱的框架梁無破壞。

(2) 通過對荷載-位移曲線、框架水平位移及梁柱轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析,將框架的受力過程大致分為彈性階段、彈塑性階段、塑性鉸發(fā)展階段及倒塌階段。

(3) 框架在小變形階段,框架梁受力機(jī)制為“梁機(jī)制”;在大變形階段,框架梁不能形成“懸鏈線機(jī)制”。但在倒塌階段時(shí),框架內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼絞線產(chǎn)生的軸向拉力為結(jié)構(gòu)提供了較大的承載力,普通鋼筋由于在梁柱結(jié)合處未貫通,貢獻(xiàn)的承載力較小,但對抑制框架梁裂縫的開展破壞具有一定的幫助作用。