裝配式混凝土梁柱中節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點連接結構體系看，具有自重輕、跨徑長、施工便利等優勢，從抗震性能方面研究看，可在震后的恢復中使用高箍筋約束力的方式，增強梁柱中節點的抗震性能，并可削弱梁端結構構造，形成塑性鉸，促進地震傳播過程中能量的分散，在地震后受損鋼構件修復中可選用替換性結構。傳統節點結構在使用性能、抵抗力等方面仍存在一定應用局限，由于節點剪切破壞、承壓破壞等，不僅降低施工效率，加大施工難度，同時節點剛度的使用需求難以滿足，給工程實踐帶來諸多難題[1]。基于此，應用新型節點構造，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，新型構件節點結構可通過預制廠的預制生產實現。

1 試驗設計及主要內容

裝配式混凝土的梁柱節點結構主要指預制梁與預制柱相互結合的部分，預應力筋主要承載抗震力作用，靠節點的連接可靠性和恢復性能直接體現出來。預應力筋在初始的預應力狀態下，不僅能夠有效的滿足節點結構的抗剪力，同時能夠有效的促進地震中預應力筋能夠不進入到塑性狀態，有效的保障節點功能的恢復性，因此這就需要節點處的預應力在施加的過程中，能夠符合計算的標準，同時能夠有效的保障節點恢復使用性能，這對于合理的預判預應力增量具有重要意義[2]。另一方面，在后插入式的非預應力鋼筋節點抗震性能的體現中，要以抗震性能的主要構件結構為基礎，對非預應力的鋼筋配筋率進行控制，同時保障屈服強度穩定性、構造結構的穩定性等，這對于促進節點耗能、實現節點穩定性等具有重要意義。如何在結構設計的過程中，計算配筋、擴大構造結構的影響等，對于推廣和使用構件性能指標體系，對于下一步的設計應用具有重要作用。

1.1 試件主要參數及制作

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

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

所有選取試件節點構造主要由壁板結構、加勁腹板、鋼板桶及鋼筋混凝土（內部空間）等組成，通過預埋的方式進行有效連接。其中鋼板桶及鋼梁結構均在預制廠中生產，所有焊縫質量保證在二級以上，試件制作流程應首先預制鋼筋混凝土柱、然后裝配鋼梁結構再對整體試件進行焊接處理[3]。節點構造示意圖及實物圖如下圖1、2所示。其中圖1中1~7結構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、高強度螺栓。

對于構件的配筋參數來說，現澆的節點柱體結構內的配筋，縱向受力筋8 Φ 20，箍筋Φ 12@100，梁部結構內縱向上下部的受力鋼筋4 Φ 22，箍筋Φ 8@100。梁體結構中截面設計過程中的受彎承載力的計算公式1如下所示：

最終， 計算得出現澆梁設計受彎承載力Mcu=173kN?m。

依據現澆梁極限受彎矩承載力Mcu進行計算得出裝配式混凝土的節點PPJ 配筋，可按照PCI 所推薦的有關公式進行計算和分析，公式2~4如下所示：

其中上式中，h 為梁體高度（m）Mu為梁體設計受彎承載力

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

圖1 節點構造示意圖Fig.1 Schematic diagram of node construction

圖2 節點構造實物圖Fig.2 Node construction physical diagram

1.2 試驗節點類型分析

為保障和對比分析預制節點結構與現澆節點結構中抗震性能，加強對抗震節點中裝配式結構的承載力要求，試驗節點主要包含有兩大部分，分別是現澆與預制兩種類型[5]。

1）全現澆梁柱節可在梁內鋼筋通長的過程中布置相應柱體結構，并按照規范的相關要求，設定梁柱的強度及穩定性等。

2）對于裝配式結構的框架節點、梁、柱構件進行有效澆筑，促進柱體鋼筋配筋過程與現澆節柱相同，并且有效的保障柱軸向承載力的穩定性，梁柱內部的縱向筋結構只通過配置梁內的穿過體，并預留預應力鋼筋孔洞結構，促進后穿入的非預應力筋孔洞結構進行分析，待梁柱構件混凝土結構的強度能夠達到90%后，需要進行拼接安裝，并促進預應力鋼筋能夠施加預應力，使得非預應力剛進能夠順利的穿過并澆入砂漿，同時進行錨固作業[6]。

1.3 試件加載

選取某公司開發的電液伺服系統進行試件加載作業，保證實現動靜態等三個作業方向。加載過程中，首先對構件選擇豎向加載，待加載數值穩定后，梁端結構初始值控制為0，按照相關規范中擬靜力試驗的相關規定，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，以保證節點結構處的屈服位移控制在0.1cm，同時對梁端結構進行反對稱加載，位移在5mm、10mm 循環1 次，在20~40mm 處各循環2次，到50mm循環時試件結構得到破壞[7]。

1.4 試驗數據的收集

試驗數據的收集參數主要包含有柱頂端的荷載、梁端結構的荷載及其位移值，數據收集自動化儀器設備選擇使用FSC 全數字化多通道型電液伺服控制系統，采集間隔為0.5s，每次收集1 次數據，主要包含有檢測時間點的荷載值及對應加載位移值；混凝土結構的表面由白漿涂抹，并畫出50mm×50mm 方格，記錄混凝土結構的裂縫開展情況，以每循環1 次為準，對現場結構進行拍照記錄。

結合以上描述內容，主要對裝配式混凝土節點及對照的現澆節點進行有效設計，設計的目的主要以有限元分析為主，提供更加可靠有效的數據模型，并且為后續試驗結構的分析做準備。

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

2 試驗結果及分析

2.1 試驗機理及過程

3 個試件中對應的是梁鉸機制破壞，以試件RC-SJ1為例，加載值達到72kN時，對應節點區域混凝土結構呈現斜向裂縫破壞，此狀態下的水平位移為15mm；當加載值達到100kN 時，對應鋼梁結構翼緣板測點應變最大屈服過程中出現了少量的新型交叉裂縫結構。位移角1/50循環中，70%的測點應變超過了翼緣板結構的屈服應變節點，同時對應節點混凝土結構的斜向裂縫逐步的趨于穩定狀態，在加勁腹板結構處，主拉應變值達到突變狀態。同樣，在位移角達到1/35和1/25時，節點加載區域分別出現開始屈服、屈服狀態嚴重，直到鋼梁結構出現平面外的扭轉后，試驗終止。整個試驗過程中，鋼梁結構的端板及對應鋼板桶結構之間呈現出緊密相連的狀態，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的荷載作用下，荷載施加過程與變形之前的關系，是研究裝配式混凝土結構抗震性能的主要依據。試件RCSJ2和RCSJ3在往復荷載作用條件下，其滯回曲線如下圖3、4 所示。由圖中可以看出，智慧曲線呈現出棱形、不飽滿狀態，主要反映的是整體結構及構件加載過程中的彈性變形結構穩定性，在變形量相對較小的狀態下，對應承載力能夠達到鋼筋混凝土結構3 倍以上，所有試件在加載的過程中都未發生側滑。

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降低現象，破壞后的試件結構觀察分析可得，梁鋼骨架結構在焊接過程中呈現出質量下降趨勢，并存在一定的缺陷，主要是由于該構件結構在加固處理以后，導致試件結構的下部限制了塑性變形導致，使得塑性變形量相對減小[9]。

2.3 主要應變量分析

構件結構在加載初期階段，加勁腹板結構處的應變量相對較小，而通過每次循環加載，導致滯回曲線中的回環部分基本呈現重合狀態，在節點混凝土結構呈現出斜向開裂后，對應加勁腹板及其混凝土結構可通過共同抗剪參與節點應變增長速度的加快，平攤了節點結構處的部分剪力，同時腹板結構的主拉應變呈現出較快增長的趨勢。

3 變形分析

可以截面結構的平均曲率ψ 表示，引申儀要以0.8 倍梁端高范圍進行布置，并測量翼緣結構的伸長、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域內的引申儀變化量；h 為上下端的量測距離；a 為測區段的長度，200mm。

以RCSJ2試件為例，在翼緣屈服前，對應鋼梁結構主要以彈性變形為主，并且曲率呈現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，同時塑性結構中的鉸區曲率明顯增加，梁端塑性結構在塑性變形的過程中得到充分的發揮。

其次，在連接變形量的變化中，在加載的初始階段，會導致初始階段的剛度呈現持續增加的狀態，且對應的數值曲線呈現出上升變化態勢，同時由于高強螺栓的預緊力的增加，導致梁端與柱面板結構之間呈現出一定的擠壓力。

此外，在耗能分析中，預制節點結構的剛度退化相對較快，這不僅與現澆梁的節點有一定的關系，同時對于使用的差距來說也具有一定的關系，但是差距一般保持在20%以內，同時需要做進一步的改善與研究。

預制節點結構中對應的耗能體系、耗能節點之間相互接近，在小震中，對應的耗能性能還能優于現澆的梁體節點，并且在大震中的耗能性能體系中，對應的性能會產生一定的削減，削減后的比例大約在20%左右，因此在實際的應用過程中，需要進行進一步的驗證與分析，從而有效的實現預制結構能夠擁有很好的自恢復性能。

4 結語

1）裝配式混凝土框架結構采用無筋鋼骨形式連接，對應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，這說明整體節點結構中，主要以彎曲破壞為主，通過有關試驗設計，得出可較少的考慮軸壓比這類型參數，以高效的節省對比試驗過程中的相關資源。

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

2）對應裝配式部分的預制鋼骨框架中節點試件承載力是普通鋼筋混凝土中節點試件承載力的2~3倍[5]。通過對預應力裝配式節點的延性結構進行分析，應對非預應力鋼筋的面積、強度、剛度、預應力筋的面積所產生的延性影響相對較大，而對于非預應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，對于非預應力筋強度的延性下降值相對較小，因此在節點控制的過程中，要以提升節點延性進行考慮，主要用以提升非預應力鋼筋的面積。同時，在預應力的設計過程中，要計算出最大的預應力，再通過最大的初預應力設計，對預應力的鋼筋面積進行有效應用，保證預應力筋的材料結構能夠發揮出最大的使用性能及穩定性能。

3）延展性較好，位移延性系數可達3.3。通過裝配式預應力節點的滯回性能曲線進行分析，得出在剛度退化的節點結構中，各個節點的參數及其變化過程，可通過節點性能的影響而減小，同時耗能分析后插非預應力鋼筋對于節點的控制來說，具有耗能大的影響，而預應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，不僅對滯回的結果具有較大的影響，同時對于節點耗能能力也具有較大的差距。分析其中的原因，主要是因為預制節點靠后插非預應力鋼筋耗能，并且現澆混凝土節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構的應用具有廣闊的空間，自主恢復的性能良好，并且與現澆的梁體體系來說，不僅對承載力、耗能能力等具有一定的影響，同時在其實際的應用的過程中，也具有一定的技術保障，對于實現標準化技術、加強工業化生產、促進混凝土生產中的質量保障等具有重要意義。在實際的施工過程中，不僅能夠節省人力物力，同時能夠高效的省去支模拆模、澆筑、養護等作業流程，直到混凝土齡期的工序能夠符合有關要求，節約生產成本，提高生產效率，同時也能夠給技術的創新提供更為廣闊的應用空間。