預(yù)制裝配式混凝土斗拱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

張敏

鄭州商學(xué)院 河南 鞏義 451200

引言

隨著我國(guó)民眾生活水平不斷推升，其旅游文化休閑的需求也隨之增大，各地區(qū)在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中也積極加強(qiáng)文化類旅游場(chǎng)所的設(shè)計(jì)與建設(shè)，一大批仿古建筑也隨之涌現(xiàn)?？紤]到木質(zhì)結(jié)構(gòu)的固有缺陷，仿古建筑設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中將木制材料轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻罨炷敛牧?，考慮到仿古建筑所采用現(xiàn)代建筑材料及結(jié)構(gòu)連接模式與古建筑之間存在較大差異性，這就使得二者受力點(diǎn)也存在顯著不同，具體體現(xiàn)在斗拱連接處等方面。由此，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中，也針對(duì)混凝土斗拱節(jié)點(diǎn)抗震性能等方面進(jìn)行較為深入的研究。

1 混凝土斗拱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為深入探究混凝土斗拱節(jié)點(diǎn)抗震性能變化情況，技術(shù)人員決定制作4個(gè)同等規(guī)格的混凝土斗拱構(gòu)件進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)。4個(gè)試件均為澆筑制作的底寬及高度規(guī)格分別為1.3m以及1.96m的混凝土斗拱構(gòu)件。

試件采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土材料，混凝土柱長(zhǎng)度以及保護(hù)層厚度分別為1500mm以及30mm?？v筋以及箍筋分別采用HRB335級(jí)鋼筋以及HPB300鋼筋，試件截面尺寸及應(yīng)變片布局如圖1所示。

圖1 試件及應(yīng)變片示意圖

本次研究中將采用100tMTS伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過(guò)程主要參照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》要求，利用位移控制加載方式開(kāi)展試驗(yàn)活動(dòng)，具體加載試驗(yàn)主要分為預(yù)加載以及位移控制加載兩部分，并采用DH3816靜態(tài)采集儀對(duì)加載數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[1]。

本次試驗(yàn)中將通過(guò)低周往復(fù)荷載試驗(yàn)探究軸壓比及斗拱配重對(duì)預(yù)制混凝土斗拱階段抗震性能影響進(jìn)行探究，具體試驗(yàn)中，技術(shù)人員設(shè)定A1、A2以及A2三組保持同等軸壓比，以斗拱上部配重為主要參數(shù)變量；A3以及A4兩組則設(shè)定保持同等上部配重，以軸壓比作為主要參數(shù)變量。具體如表1所示。

表1 試件能耗性能對(duì)比

表1 試件分組情況

2 試件試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.1 試件A1試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣A1具有0.4（柱頂部壓力1120kN）的軸壓比，并且800N的配重被施加到斗拱上部。在荷載作用初期，A1形貌未發(fā)生明顯的改變，試樣的橫向位移很少，屬于線性彈性階段。在7mm的水平位移下，混凝土拱背發(fā)生橫向開(kāi)裂，其承載力為102kN。隨著變形的不斷增大，鋼筋混凝土柱面上的垂直和傾斜的裂紋越來(lái)越多，并且裂紋的發(fā)展也越來(lái)越迅速。同時(shí)，隨著水平位移的增大，混凝土斗拱的端部也會(huì)產(chǎn)生新的裂紋。柱間橫向裂縫發(fā)育情況明顯，裂縫寬度增加。

2.2 試件A2試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣A2具有0.4（柱頂部壓力1120kN）的軸壓比，并且將2000N的重量施加到斗拱上部。在鋼筋混凝土柱底部，在側(cè)向位移增加到7mm的情況下，出現(xiàn)了一個(gè)很小的橫向水平裂紋，此時(shí)試件荷載值僅為103kN。試驗(yàn)結(jié)果表明，A2在荷載作用下的初始載荷與A1、A2相同，而上部混凝土斗拱的重量對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)的影響不大。當(dāng)試樣的橫向位移增大到16mm時(shí)，A2的荷載為188kN。在此期間，斗拱座斗部出現(xiàn)了貫穿的垂直裂紋，并且在混凝土柱面上裂紋的數(shù)目和寬度都有較大幅度的增加。但在達(dá)到極限位移后，試樣表面出現(xiàn)裂紋，同時(shí)地基和柱子之間的混凝土出現(xiàn)了大量的剝落，甚至可以看到柱子的縱向鋼筋。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的整體失效比較突然，延性不佳。

2.3 試件A3試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣A3具有0.3的軸壓比（柱頂部壓力840kN），并且將2000N的重量施加到斗拱上部。試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)構(gòu)件側(cè)向位移達(dá)到5mm后，在拱背側(cè)混凝土柱的中間部位產(chǎn)生了兩條細(xì)小的對(duì)稱裂紋。在此基礎(chǔ)上，在梁體上產(chǎn)生了一條12cm左右的橫向裂紋，并在其周邊形成了許多細(xì)小的斜縫。隨著載荷的不斷增加，裂紋的發(fā)展也越來(lái)越頻繁。在初期，橫向裂紋擴(kuò)展明顯，并貫穿了混凝土柱面。最后，在試樣的橫向變形量達(dá)到27mm時(shí)，其荷載降低到162.6kN。

2.4 試件A4試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣A4具有0.2的軸壓比（柱頂部壓力值560kN），并且將2000N的重量施加到斗拱上部。在A4載荷作用下，裂紋的發(fā)展與Z-4的裂紋發(fā)展過(guò)程基本一致。在水平位移為6mm的情況下，在地基和混凝土柱間的交界處，出現(xiàn)了一次水平開(kāi)裂，其初始應(yīng)力為109kN。與A3、A2相比，隨著最大水平位移的增加，裂紋發(fā)展?fàn)顩r得到了明顯的改善，變形能力也得到了很好的提高。在水平位移增大到11mm時(shí)，在混凝土斗拱端部的薄弱位置，有一條8cm長(zhǎng)的垂直裂紋。該地區(qū)的裂縫發(fā)育有明顯的發(fā)展趨勢(shì)，并伴有多條斜裂?；炷炼饭暗氖问绞秦Q向和剪力破壞。然后，在距柱腳15cm的水平裂縫貫通。柱底部的破壞形式以彎剪破壞和彎曲破壞為主。試驗(yàn)結(jié)果表明，在178kN的條件下，其橫向變形量為21mm，混凝土保護(hù)層破碎，混凝土碎屑開(kāi)始剝落。最終試樣的負(fù)載值降低到0.85Nu（162.6kN），加載結(jié)束。

2.5 試件A5試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣A5具有0.2的軸壓比（柱頂部壓力值560kN），并且將2000N的重量施加到斗拱上部。在A5載荷作用下，裂紋的發(fā)展與Z-4的裂紋發(fā)展過(guò)程基本一致。在水平位移為6mm的情況下，在地基和混凝土柱間的交界處，出現(xiàn)了一次水平開(kāi)裂，其初始應(yīng)力為109kN。與A4、A3相比，隨著最大水平位移的增加，裂紋發(fā)展?fàn)顩r得到了明顯的改善，變形能力也得到了很好的提高[2]。在水平位移增大到11mm時(shí)，在混凝土斗拱端部的薄弱位置，有一條8cm長(zhǎng)的垂直裂紋。該地區(qū)的裂縫發(fā)育有明顯的發(fā)展趨勢(shì)，并伴有多條斜裂。

3 混凝土斗拱節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

3.1 斗拱構(gòu)件延性

本文研究中以為位移延性系數(shù)進(jìn)行表示，其計(jì)算公式如下所示。

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，4組試件階段延性系數(shù)均分布在3～4區(qū)間范圍內(nèi)；通過(guò)對(duì)各組試件進(jìn)行對(duì)比分析可知，各組試件正負(fù)向位移延性系數(shù)間存在較為顯著的差異性，且均為正向系數(shù)大于負(fù)向系數(shù)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行深入研究可知，受各試件正負(fù)向剛度存在差異性情況影響，試件負(fù)向剛度大導(dǎo)致試件受拉屈服過(guò)程中位移幅度較大；各試件滯回線正向推力明顯小于負(fù)向拉力，這就使得各試件在受拉過(guò)程中出現(xiàn)破壞的概率相對(duì)較大；試件延性會(huì)隨著軸壓比以及配重提升而降低。

3.2 試件耗能性能

從技術(shù)角度分析，試件的耗能性能可理解為在反復(fù)荷載作用下，構(gòu)件針對(duì)相應(yīng)能量進(jìn)行吸收以及消散的能力，其是判斷結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，其通常情況下會(huì)通過(guò)荷載-位移曲線的滯回環(huán)涉及面積對(duì)該指標(biāo)系數(shù)進(jìn)行測(cè)算，性能會(huì)隨著面積提升人提升。通常情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)耗能性能的測(cè)算主要通過(guò)等效黏滯阻尼系數(shù)進(jìn)行，結(jié)構(gòu)耗能性能會(huì)隨著系數(shù)提升而提升，其計(jì)算公式如下所示。

通過(guò)對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出如下結(jié)論：

第一，有表中數(shù)據(jù)可知，在位移逐步增大情況下，各試樣的等效黏滯阻尼系數(shù)也相應(yīng)地增加，且其累積的能量消耗也會(huì)隨測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。通過(guò)比較，確定了當(dāng)量黏滯阻尼系數(shù)的取值范圍為0.2831～0.3324。

第二，試件在屈服情況下，由于櫨斗以及混凝土柱底部均出現(xiàn)屈服，其耗能特性已初步顯現(xiàn)；在達(dá)到塑性限的情況下，由于柱底混凝土的塑性進(jìn)一步發(fā)展，其耗能特性顯著改善；在試驗(yàn)構(gòu)件失效后，由于斗拱的櫨斗、昂、翹等分布的連接處都出現(xiàn)裂縫，鋼筋混凝土柱的基部出現(xiàn)失穩(wěn)，其耗能特性也隨之增大，并達(dá)到了最大。從這一結(jié)果可以看出，在試件的結(jié)點(diǎn)處，材料的塑性發(fā)育比較充分，顯示出了良好的耗能特性。

第三，比較試件2、3和4可以發(fā)現(xiàn)，隨著軸壓比的增加，它的彈性周期變短，從而使試件進(jìn)入塑化階段的時(shí)間變短。假定位移條件相同，則能量消耗越大，其性能發(fā)揮越充分。由此可得出結(jié)論，軸壓比和累積耗能呈逆向關(guān)系，累積耗能會(huì)隨著軸向比降低而提升，其延性也會(huì)隨之提升。試件A4的累積耗能最大值為0.2，表明其具有良好的延性性能[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由試驗(yàn)研究結(jié)果可得出如下結(jié)論：第一，試件正負(fù)向荷載特征值存在較為顯著的差異，主要原因在于試件主要采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且焊縫的存在使得試件的昂、翹等于混凝土柱連接部分出現(xiàn)破壞的概率相對(duì)較大，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)力傳遞效果被削弱；第二，混凝土斗拱節(jié)點(diǎn)雖然與傳統(tǒng)斗拱結(jié)構(gòu)存在顯著差異，且不具備傳統(tǒng)斗拱結(jié)構(gòu)的減震、抗震能力，但是在混凝土斗拱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)塑性變形能力充分發(fā)揮情況影響下，其耗能性能較為顯著，混凝土柱軸壓比對(duì)裝配式混凝土斗拱節(jié)能耗能影響較為顯著。