新型預制裝配框架混凝土梁柱節點抗震性能研究*

于建兵，郭正興，管東芝，袁晨迪

(東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096)

新型預制裝配框架混凝土梁柱節點抗震性能研究*

于建兵，郭正興?，管東芝，袁晨迪

(東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096)

采用足尺模型對比試驗方法，對現澆混凝土梁柱組合件、4個新型預制混凝土裝配整體式框架結構梁柱節點進行低周反復荷載試驗，研究新型預制裝配框架節點的破壞形態、滯回特性、骨架曲線、耗能能力等抗震性能指標.試驗結果表明：通過在節點核心區設置附加鋼筋，可以實現梁端塑性鉸的外移.裝配框架節點的滯回曲線較豐滿，在加載前期等效黏滯阻尼系數較現澆節點小，但是在加載到極限荷載時，裝配節點的等效黏滯阻尼系數與現澆節點基本相當乃至超過現澆節點，說明新型節點具有較好的耗能能力，能夠滿足抗震規范要求的“強柱弱梁，強節點弱構件”的要求.

抗震性能；預制混凝土；低周反復荷載試驗；滯回性能

從國民經濟中的地位和建筑業自身的行業技術特征來看，我國建筑業成為國家經濟持續發展的支柱型產業.我國 GDP 中，有 5.6 萬億固定資產投資是靠建筑業來實現的，全國有 2.3 萬億基本建設投入，占 GDP 的 20%；由于建筑業的行業特點和技術特性決定了建筑業必然是鋼材、水泥、木材等物質資源的直接消耗大戶.目前，建筑耗能、工業耗能和交通耗能已經成為我國能源消耗的三大猛虎，尤其是建筑耗能伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提高，呈急劇上升趨勢.因此，建筑業轉變發展模式，降低建筑能源消耗，是建筑業可持續發展的戰略選擇.而預制裝配結構正符合建筑業轉變發展的要求.

在預制裝配結構中，預制裝配混凝土框架和剪力墻結構是主要的兩類結構形式.框架結構應用面較廣，能夠應用到學校、醫院、辦公寫字樓和其他公共建筑的結構形式[1-3].但由于裝配式結構節點連接可靠性比現澆結構要差一些，難以滿足地震作用下的受力要求，在地震區的使用受到限制.國內外關于預制裝配式混凝土結構的研究主要集中在改進構件節點連接方式、提高接合部受力性能以及不同連接方式下裝配式結構的整體抗震性能方面[4-9].對于規模應用預制裝配整體式混凝土框架結構，預制梁柱構件間的連接方式是核心技術，值得花大力氣構思新型連接方式并做基礎性的研究，為工程規模應用做基礎性研究鋪墊工作.預制混凝土結構的試驗研究和震害調查表明，只要預制構件的接合部位有可靠的連接，則預制混凝土結構有良好的抗震性能[10-12].

1 新型節點的結構形式及特點

在凝練已有研究和工程應用的基礎上，創新性地提出新的連接節點方式，該節點主要構思如下：預制預應力混凝土梁和現澆柱，梁端部設置U形鍵槽，梁底受力鋼筋采用鋼絞線代替普通的受力鋼筋，并且鋼絞線端部壓成散彎壓花錨狀.由于鋼絞線具有柔軟性，在鍵槽長度范圍內能自由彎曲“掰動”，可有效避開節點處柱子的縱向鋼筋順利伸入對面梁的鍵槽內；通過加強U型槽處(如加密箍筋等)和將U型槽端部預應力鋼絞線局部無粘結處理，并在梁柱結合部位放置附加構造鋼筋，有意識地控制梁塑性鉸出現在距節點柱邊一定距離的范圍內，能有效改善節點抗震性能，然后通過節點現澆連接成整體.新型節點的構造見圖1.

圖1 新型預制混凝土框架梁柱節點拼裝

2 試驗設計

2.1 構件的設計

本試驗共設計了5個足尺梁柱組合構件，包括4個預制裝配新型節點和1個現澆足尺比例節點試件，編號分別為 J2,J3,J4,J5和XJ1.根據現場做法、試驗條件及試驗目的，綜合確定了試件的幾何尺寸.試件采用 C40 混凝土澆筑，現澆節點梁柱中受力鋼筋采用 HRB335 級熱軋鋼筋，箍筋采用HPB235 級熱軋鋼筋，預制節點柱中的受力鋼筋與現澆節點受力鋼筋相同，預制梁中的縱向受力筋與現澆構件按照等面積代換的原則底部受力鋼筋采用鋼絞線進行代換.鋼絞線端部壓成壓花錨狀同時在端部設置一塊厚度為10 mm的錨固端板，將壓花錨卡在端板開的槽內，以此來增加鋼絞線的錨固性能.預制梁中施加了30 kN的預應力，預應力的存在可以增強預制梁的變性恢復能力，具體試件的明細見表1. 節點設計詳圖及鋼絞線錨固見圖2.

表1 試件明細

圖2 節點設計詳圖

2.2 試驗的加載裝置

在試驗構件的梁兩端分別設置位移計進行加載過程中位移的量測，為了測試節點核心區的剪切破壞，在節點核心區采用手持應變儀進行節點核心區的剪切破壞.本試驗采用液壓千斤頂進行加載，反力裝置采用鋼桁架反力架，整個反力架裝置采用地腳螺栓與地槽進行連接形成.試件的就位以及反力架的移動均通過試驗室吊車完成.試驗裝置如圖 3 所示.

3 試驗過程

3.1 加載制度

本試驗采用擬靜力試驗方法，在梁端施加同步的低周反復荷載來模擬地震作用，同時柱頂端施加固定的設計軸力，柱軸壓比為0.20.

本試驗加載程序如下：首先在柱頂施加恒定軸力，在試驗中要保持柱頂軸力不變；然后采用液壓千斤頂對梁端施加反對稱的反復低周荷載，在彈性階段采用荷載進行控制加載，且每次加載循環1次.加載初期按照10 kN一個等級進行加載，待構件出現裂縫后，加載按照20 kN一個等級進行加載.直至構件達到屈服后(由觀察控制，即滯回曲線出現明顯的屈服臺階)，待構件進入屈服階段，采用位移來控制加載，且每級位移加載循環3次，加載一直進行到荷載下降到極限荷載的85%.

圖3 試驗加載裝置

3.2 試驗現象及裂縫分布

本次試驗4個預制構件與現澆構件的區別就是按照等面積代換的原則將現澆構件中受力鋼筋采用鋼絞線進行了代換.4個預制構件的主要區別在于節點核心區處的的鋼絞線是否設置無粘結段以及是否設置附加鋼筋.

在加載過程中，現澆構件在加載到35 kN時候在距離梁柱交界面5 cm處出現了第1條裂縫，預制構件J4的開裂荷載與現澆構件相同，其余3個構件的開裂荷載都略低于現澆構件，預制構件的第1條裂縫出現在鍵槽新老混凝土交界處.現澆構件加載到2△第1次循環時，梁根部的混凝土開始出現剝落，節點核心區出現對角裂縫.待加載到5△第1次循環時，梁的下部鋼筋被拉斷，終止加載.XJ1的裂縫開展及破壞形態見圖4(a).J2與J3構件加載到3△第1次循環時，混凝土開始剝落，節點核心區出現對角裂縫.待加載到4△第3次循環時，承載力下降到85%，終止加載.J2與J3的裂縫開展及破壞形態見圖4(b)、(c).J4和J5構件加載到2△第1次循環時，節點核心區出現對角裂縫，梁根部混凝土開機剝落.J4加載到5△第1次循環時承載力下降到85%，終止加載，J4的裂縫開展及破壞形態見圖4(d).加載到4△第1次循環時承載力就下降到85%，便終止加載.J5構件的裂縫開展及破壞形態見圖4(e).

通過圖4還可以觀察到，J4和J5構件設置了附加鋼筋，梁端的塑性鉸實現了外移，不像XJ1,J2和J3構件，在低周反復荷載作用下，梁端的塑性鉸發生在梁柱結合面處.塑性鉸向外轉移可以增加構件的變形能力.

4 試驗結果與分析

4.1 節點的滯回曲線

從圖5中可以看出，5個構件在加載初期的滯回曲線基本呈線性變化，殘余變形很小，待加載到屈服荷載后，構件殘余變形加大，滯回環面積開始變大.XJ1構件的滯回曲線呈梭形，隨著施加的位移加大，構件的殘余變形不斷增加，導致XJ1的滯回曲線出現揑縮現象，待加載到4△第2次循環時滯回曲線完全呈反S形.預制構件的滯回曲線形狀比較相似，滯回曲線上半部分呈梭形，下部分較上部分略有揑縮.由于預制構件的受力筋采用鋼絞線，而鋼絞線沒有明顯的屈服平臺，所以預制構件的滯回曲線下半部分沒有明顯的屈服臺階.可以看出試件J3和J2的滯回環面積較現澆構件的小.說明J2和J3構件的耗能能力較現澆構件XJ1耗能要差.試件J4和J5由于在節點核心區設置了附加直鋼筋，構件的極限承載力較構件J2,XJ1和J3高很多，雖然構件J4和J5下部滯回曲線也有揑縮現象，但是其承載力較高，滯回環的面積與現澆構件基本相當.可以說明新型節點的耗能能力與現澆構件的耗能能力基本相當.

4.2 節點的骨架曲線

骨架曲線是指連接各次循環加荷峰值(正向或反向)點的曲線[11].本試驗中5個構件的骨架曲線如圖6所示.由圖6可知，構件XJ1從屈服到破壞經歷了較長的過程，延性較好.J2～J5等4個構件上部曲線對應上部鋼筋受拉狀態相較于XJ1極限荷載更大，這得益于鍵槽段對箍筋的加密.當預制構件下部受拉時，J2和J3構件的極限荷載與現澆構件的基本相當.構件J4和J5的極限荷載遠遠大于構件J2,XJ1和J3，但是構件J4在試驗即將結束的時候，鋼絞線中的一根鋼絲被拉斷，導致試件J4的承載力陡降.同時可以看出所有構件當上部受拉時，都有明顯的屈服臺階.當下部受拉時預制構件沒有明顯的屈服臺階.

圖4 構件裂縫開展情況

圖5 構件滯回曲線圖

4.3 節點的耗能分析[12-14]

采用等效黏滯阻尼系數來對構件的耗能能力進行分析，該指標的數值越大，說明構件的耗能能力越強，各構件的等效黏滯阻尼系數在不同的加載特征周期的值見表2.由表2可知，在屈服階段，預制裝配構件的耗能能力較現澆構件的小.但是待達到極限荷載時，構件的耗能能力與現澆構件的基本相當，特別是構件J4和構件J5耗能能力甚至比現澆構件XJ1的大.

圖6 構件骨架曲線

表2 不同加載階段下試件的等效黏滯阻尼系數

5 結 論

1)在軸壓比為0.2的條件下，對4個現澆柱預制梁的新型裝配框架梁柱節點進行低周反復荷載試驗.試驗中新型梁柱節點的主要破壞發生在梁端塑性鉸區，破壞也是以彎曲破壞為主，柱以及節點區沒有出現嚴重的破壞情況.構件在制作時對鍵槽新老混凝土結合面處應采取措施進行處理，使新老混凝土能夠結合得更加牢固.

2)新型預制混凝土框架梁柱節點等效粘滯阻尼系數在加載中前期不如現澆構件，但在加載后期，預制構件上述指標相對于現澆構件均有較大提高，甚至超過現澆構件，說明預制節點有著較大的安全儲備.就變形能力而言，預制節點與現澆節點破壞時所達到的位移值相當甚至大于現澆構件.

3)從 5 個試件的對比來看，在預制構件節點核心區設置附加鋼筋可以提高節點的極限承載能力，使梁端塑性鉸向外轉移，增強預制構件節點的變形能力.同時按照現行混凝土結構設計規范和抗震設計規范對預制構件進行設計，并在設計階段認真貫徹好“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”等抗震設計原則的新型預制裝配框混凝土架梁柱節點便完全能夠達到相應的抗震要求.

4)鋼絞線端部采用壓花錨并且采用錨固端板對其進行約束，增強了鋼絞線錨固性能，減小了鋼絞線的錨固長度.

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Research on Seismic Behavior of a New Style Precast Concrete Beam-to Column Connection

YU Jian-bing,GUO Zheng-xing?, GUAN Dong-zhi, YUAN Chen-di

(School of Civil Engineering, Southeast Univ, Nanjing, Jiangsu 210096,China)

Full-scale model test method was used to investigate the seismic behavior of cast in place beam-column assembly and four new precast concrete beam-to-column connections under low-cycle reversed loading. The estimation was given for the seismic performance of new precast connection on the basis of the failure mechanism on the beam-column connections, as well as hysteretic loops, ductility, energy dissipation, etc. The results indicate that, by setting additional reinforcement in the core area of the node, it can achieve the relocation of the plastic hinge at the end of beam. The hysteresis curve of the new precast connection is plumpy, and in the pre-load, the equivalent viscous damping coefficient was smaller than the cast in place connection. However, when loaded into the ultimate load, the equivalent viscous damping coefficient of precast connections was roughly equal and even exceeded cast in place connection. It has been shown that the new connection has a better energy dissipation capacity, and can meet the requirements of “strong column weak beam, stronger joint”.

seismic behavior; precast concrete; low-cycle reversed loading test; hysteretic curve characteristic

1674-2974(2015)07-0042-06

2014-10-12

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ10B03)

于建兵(1983-)，男，江蘇連云港人，東南大學博士研究生

?通訊聯系人，E-mail:guozx195608@126.com

TU317.1；TU398.2

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