PC 結(jié)構(gòu)混凝土柱抗震性能試驗研究

郭向陽

（內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

裝配式混凝土，簡稱PC 結(jié)構(gòu)。PC 結(jié)構(gòu)跟現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，其框架更加節(jié)省施工時間，可以降低人工勞動的強度，并且也能夠減少人工消耗方面的經(jīng)費，比較方便現(xiàn)場的作業(yè)，可以有效加快工程的施工進度，并且也有利于節(jié)能環(huán)保。簡而言之，PC結(jié)構(gòu)屬于一種綠色環(huán)保的結(jié)構(gòu)。但是由于自然災(zāi)害使PC 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)框架破損甚至倒塌的情況，比方說唐山大地震以及土耳其大地震等等。通過研究發(fā)現(xiàn)，PC 結(jié)構(gòu)框架之所以會出現(xiàn)破壞，或者是坍塌，主要是因為PC 框架整體是比較牢固的，但是其節(jié)點部位是非常弱的，節(jié)點部位的支撐強度不夠造成PC 建筑坍塌的一個主要原因，為了能夠更好地提高PC 節(jié)點部位的抗震性能，CHEOK 等對其進行相關(guān)的研究，并且重點研究裝配式的節(jié)點以及現(xiàn)澆式的節(jié)點。通過研究發(fā)現(xiàn)裝配式的節(jié)點有非常高的位移性，其預(yù)應(yīng)力筋有效提高裝配式節(jié)點的耗能能力。

1 試件設(shè)計與制作

李向民等[1]對節(jié)點的核心區(qū)域的高延性進行反復(fù)的實驗，通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，裝配式的節(jié)點位移性要比現(xiàn)澆式的節(jié)點位移性更大。因此裝配式的變形能力會大大提高。楊俊芬等專家學(xué)者通過對h 型梁柱之間的節(jié)點進行擬靜力實驗，發(fā)現(xiàn)如果當壓軸比在0.2~0.4 之間時，整個裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點的抗震性能是最好的，李俊杰等提出使用角鋼代替耗能元件使用在PC 節(jié)點當中，通過實驗研究可以發(fā)現(xiàn)，這種節(jié)點的耗能性是比較好的，并且變形也是比較小的。

我國的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程當中已經(jīng)明確了要求，首先要選取一個比較可靠的預(yù)制構(gòu)件鋼筋。然后使用預(yù)制構(gòu)件跟后澆混凝土二者相結(jié)合的施工辦法，通過合理的節(jié)點構(gòu)造措施，然后將裝配式的構(gòu)件變成一個整體性的構(gòu)建，這樣可以保證裝配式的結(jié)構(gòu)跟現(xiàn)澆混凝土的結(jié)構(gòu)有更加相同的整體性以及承載力，裝配式的結(jié)構(gòu)在經(jīng)過改造之后跟現(xiàn)澆混凝土能夠達到一樣的效果。在相關(guān)規(guī)定當中就已經(jīng)有所說明。在兩處節(jié)點上使用套管連接。然后在柱底使用灌漿處理辦法。可以使用直線錨固或者是機械錨固，這種辦法完成梁柱節(jié)點的斷開，梁柱的直線錨固跟彎折錨固都存在一定的問題，都會導(dǎo)致其變得更加的密集，而機械錨固會使我們能夠工作的面積變得更小，所以在施工時可能會有一定的負擔(dān)，并且還會影響工程的質(zhì)量。在力的反復(fù)作用之下，其接縫位置可能會出現(xiàn)開裂的情況，導(dǎo)致整個梁柱變得難以修復(fù)。PC 結(jié)構(gòu)的節(jié)點在受力的時候具有很強的復(fù)雜性，并且其節(jié)點區(qū)域的施工難度比較大，很難保證質(zhì)量以及在震后是否能夠修復(fù)。依據(jù)上述問題的提出，在本文當中主要介紹新型的PC 節(jié)點連接方式，這種方式可以提前對這些節(jié)點進行預(yù)制，在連接時用的是套管灌漿。利用這樣的方式，在框架當中，本來薄弱的一些區(qū)域就會被轉(zhuǎn)移到整個框架的中間部位。本文提出來的PC 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在圖1 中，畫有虛線的部分表示提前預(yù)置的節(jié)點，黑色的部分表示的就是它們疊合的地方。

梁柱節(jié)點區(qū)域是在預(yù)制廠內(nèi)進行提前預(yù)制跟保養(yǎng)的，因此，其節(jié)點區(qū)域的抗震性會比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越一些。但是節(jié)點結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域就在于柱和柱連接的部分。因此，我們需要研究PC 柱的抗震性能。

本文的研究對象是兩層結(jié)構(gòu)的首層中柱。為了能夠采取對照實驗，獲得更加明確的數(shù)據(jù)，設(shè)計了一個軸壓比是0.4 的PC 柱和一個作為對比性構(gòu)建的現(xiàn)澆混凝土柱，柱的截面尺寸是400mm×400mm，高為3000mm，底座的尺寸是600mm×600mm×600mm。混凝土的強度是C30。縱向受力的鋼筋為八根，直徑為20mm。鋼筋的保護層厚度為25mm。

圖1 預(yù)制節(jié)點及疊全面

疊合的位置事先設(shè)置了兩個深度為30mm，寬度為100mm的鍵槽。在澆筑前30min 的時候，在疊合的位置刷圖一層粗糙劑。PC 柱在進行澆筑24h 之后再拆膜，然后使用高壓水槍對制造出來的粗糙面進行沖刷。在完成套筒灌漿工藝的時候，需要在套筒的一側(cè)注漿。一直到另外一側(cè)溢出為止。為了避免我們在注漿的時候漿液里面出現(xiàn)氣泡，導(dǎo)致注漿不夠密實，因此我們在注漿30min 之后需要對凹陷的套筒進行第二次的注漿處理，預(yù)制柱的澆筑在28d 之后再對疊合的部位進行澆筑。

2 實驗概況

在本次實驗當中采用擬靜力加載。為了消除水平位移會給實驗帶來的各種影響，因此我們在底部布置一個傳感器。首先要把測試件固定好，然后在測試件的兩端都設(shè)置一個止推裝置。利用千斤頂向測試件增加一個豎向的壓力。然后將軸壓跟豎向壓力保持恒定，在這個時候在柱頂跟千斤頂之間放一個壓力傳感器，增強反復(fù)荷載力，位移的加載每一級為6mm，除了第一級是加載一次以外，其他每一級都是兩次，一直到最大承載值下降到85%就代表整個構(gòu)件失效了。

3 實驗現(xiàn)象

依據(jù)實驗我們可以發(fā)現(xiàn)，PC 柱跟現(xiàn)澆柱的受力基本上是一樣的，這兩個柱子在受力的時候都是分為四個階段。第一個階段是開裂階段，現(xiàn)澆柱的開裂值是30kN，PC 柱的開裂值是33kN，在剛開裂的時候，PC 柱跟現(xiàn)澆筑的開裂縫都呈現(xiàn)一個水平彎曲的狀態(tài)。伴隨著位移的不斷擴大，其裂縫都是從柱底開始不斷的向外延伸，然后慢慢的向著柱高方向發(fā)展。第二階段是屈服階段。位移值增加到8mm 的時候，PC 柱跟現(xiàn)澆筑的鋼筋都出現(xiàn)了屈服的情況，而且裂紋開始不斷擴大。第三階段是峰值階段，由于我們一直都在不斷地循環(huán)力的作用，導(dǎo)致裂縫的深度跟寬度都在增加，而且兩個柱子的側(cè)面都出現(xiàn)了裂縫交叉的情況。但是沒有再次出現(xiàn)其他新的裂縫。現(xiàn)澆柱的荷載峰值為90kN，PC 柱的荷載峰值為97kN，第四階段為破壞階段。無論是現(xiàn)澆柱還是PC 柱，其底部的混凝土都出現(xiàn)了不同程度的掉落，有一部分甚至出現(xiàn)箍筋的外露。在試件的承受能力下降到85%的時候，工作人員停止了實驗，兩個實驗柱的破壞都屬于彎曲破壞。

4 試驗結(jié)果及其分析

4.1 滯回曲線

通過對比二者的水平荷載跟位移結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)PC 柱跟現(xiàn)澆柱的滯回曲線的發(fā)展趨勢以及走向基本上是相同的。在初期，二者的滯回都處于彈性的狀態(tài)，后來伴隨著水平位移不斷的擴大，滯回的面積也開始不斷增大。在后期，混凝土受到了來自實驗當中的力的不斷累加，柱子的底部混凝土出現(xiàn)開裂的情況，并且承載力不斷退化。這時滯回的曲線屬于一個靠攏現(xiàn)象。最終整個滯回曲線是呈一個Z 型發(fā)展的。另外，PC 柱跟現(xiàn)澆柱的滯回曲線的飽滿程度基本上也是一致的，這就說明二者都有比較一致的抗震性能。最后，兩個試件的滯回曲線都比較飽滿，這證明二者都有非常良好的抗震能力。

4.2 骨架曲線和延性

在計算屈服位移的時候可以使用等量法。而且在這兩個柱子的骨架曲線圖上，我們就可以通過觀測和計算得到相應(yīng)的屈服荷載力。通過研究發(fā)現(xiàn)，當峰值下降了85%的時候，這二者的荷載力都達到了極限荷載。極限荷載所對應(yīng)的變形，我們稱其為極限位移。通過實驗發(fā)現(xiàn)，PC 柱跟現(xiàn)澆柱的承載力大致是一樣的。PC 柱的屈服荷載要比現(xiàn)澆柱高出5.4%。峰值荷載要比現(xiàn)澆柱高出6.1%。這也就說明我們所預(yù)置的節(jié)點并不會削弱整個框架的承載能力。

延性指的就是試件從屈服一直到破壞之間的這一個過程，指的是試件的變形能力。延性也是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計當中非常重要的一個指標。通過實驗，我們可以知道PC 柱的延性指數(shù)要比現(xiàn)澆柱高出1.47 倍，而且PC 柱的極限位移也比現(xiàn)澆柱的更大。這說明PC 柱跟現(xiàn)澆柱的延性性能基本上是比較相近的。

5 結(jié)論

（1）柱的中部的套管灌漿跟現(xiàn)澆柱的整體性能基本上是一致的。兩個試件的開裂以及極限的荷載都是比較接近的，而且破壞模式都屬于彎曲破壞。兩個試件的破壞位置都在柱子的底部。

（2）PC 柱的極限承載力是109.39kN，現(xiàn)澆柱的是103.06kN。PC 柱的極限承載力要比現(xiàn)澆柱高出了6.2%。

（3）PC 柱跟現(xiàn)澆柱二者的滯回曲線是對稱的，并且飽滿度非常的相近，這代表兩個構(gòu)件都具有非常強的抗震能力。