一種新型裝配式框架邊節點抗震性能試驗研究

陳 剛， 鄭七振， 謝思昱,2， 龍莉波， 馬躍強

（1.上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093；2.云南碧桂園房地產開發有限公司，昆明 650000；3.上海建工二建集團有限公司，上海 200080）

如何實現預制構件之間安全、高效連接，是裝配式建筑推廣應用中亟待攻克的關鍵技術難題[1]。國內外學者提出了形式多樣的連接技術，目前應用較廣的主要有鋼筋漿錨連接技術和套筒灌漿連接技術[2-5]。鋼筋漿錨連接技術大多用于非主要受力鋼筋連接，搭接長度較長，承載力偏低。套筒灌漿連接技術施工工藝復雜，灌漿質量受工人操作水平影響，工作效率較低，缺少簡便可靠的灌漿質量檢測方法，進而帶來諸多安全風險隱患[6-9]。

本課題組將力學性能優良的超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）用于裝配式結構中，提出了“鋼筋直錨短搭接+后澆UHPC”高效連接技術[10-11]。為驗證新型連接技術的可靠性，現已完成：鋼筋和UHPC之間的黏結應力與鋼筋自由端滑移量的規律研究，提出了鋼筋臨界錨固長度值為4d（d為鋼筋直徑）[12-13]；并依次開展了預制裝配梁受彎試驗[14]、預制裝配柱擬靜力試驗[15]。試驗結果表明，當縱筋搭接長度為10d時，預制梁連接、預制柱連接的力學性能均等同于現澆構件。在上述研究基礎上，設計了一種新型裝配整體式鋼筋混凝土框架結構邊節點，擬對其開展低周反復載荷試驗。

1 試驗概況

1.1 試件設計及制作

試驗中設計了3個1∶2縮尺鋼筋混凝土框架邊節點試件，其中1個整澆RC對比試件和2個新型裝配式PC試件。3個試件具有相同的截面尺寸和鋼筋配置，如表1和圖1所示。

PC試件的預制梁和節點核心區的預留縱筋采用“鋼筋直錨短搭接”連接技術，現場綁扎搭接縱筋和加密箍筋，支模并澆筑UHPC材料。為了提升梁柱節點整體性，在預制梁、柱的交界面上設有抗剪鍵槽和粗糙面。

1.2 材性實測

試驗當天對邊長150 mm立方體試塊進行抗壓強度測試，得到C30級普通混凝土實際抗壓強度為32.71 MPa，UHPC實際抗壓強度為124.67 MPa。試驗用鋼筋的實測力學性能詳見表2。

表1 試件設計參數Tab.1 Design parameters of specimens

圖1 試件幾何尺寸及配筋圖Fig.1 Geometry and steel detailing of specimens

1.3 加載方案

試驗加載裝置如圖2所示，結合試驗現場條件，為了便于施加荷載，將試件逆時針旋轉90°，梁為向上豎立，柱兩端鉸支并水平安放。柱子設

計軸壓比0.15，選取20 T液壓千斤頂對柱頂施加71.5 kN軸向壓力，加壓時保證梁自由端無初始應力。作動器通過連接件與試件梁自由端鉸接，實施低周反復推拉荷載，定義推向為正，拉向為負。根據《建筑抗震試驗規程》JGJ/T101—2015要求，試驗采用“先荷載控制后位移控制”加載。試件屈服前，按照每級1 kN逐級加載，以梁端縱筋是否屈服作為試件達到屈服的標志，梁自由端位移為屈服位移。試件屈服后，按照屈服位移的倍數逐級加載，每級循環兩次。當試件嚴重損壞或承載力下降超過15%時，判定試件破壞并終止試驗。

表2 鋼筋實測力學性能Tab.2 Testing mechanical properties of steel

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Loading deviceof test

1.4 測量方案

試驗選用DH5921采集數據，在柱頂的千斤頂和反力墻之間布置力傳感器，用于測量柱子軸向壓力。在作動器和梁自由端加載點之間布置力傳感器，用于記錄低周反復載荷。在梁自由端加載點兩側面分別布置拉線位移計，用于記錄梁自由端位移值，同時監測試件是否發生平面外扭轉。在節點核心區底部和柱子兩端分別布置頂桿位移計，用于監測試件是否發生轉動和前后移動。在節點核心區沿對角線布置一對千分表，用于測量受剪時核心區變形能力。在UHPC后澆段的箍筋和縱筋上布置6個應變測點，測點位置如圖3所示，縱筋應變片編號ZJ，箍筋應變片編號GJ。

圖3 應變測點布置Fig.3 Arrangement of strain measuring points

2 試驗現象與破壞形態

2.1 整澆RC試件試驗現象

整澆RC試件在正向荷載加載至3 kN時，出現第1條豎向裂縫，位于距節點核心區120 mm處梁上部受拉區。當加載至11 kN時，靠近核心區梁端出現斜向裂縫。當加載至19 kN時，梁縱筋屈服，屈服位移Δy=15.5 mm，改用位移控制方式繼續加載。當加載至2Δy時，梁端裂縫增多，壓區混凝土破裂。當加載至3Δy時，梁端出現貫穿斜裂縫，壓區混凝土破碎，梁端形成塑性鉸。當加載至5Δy時，梁端混凝土剝落，鋼筋裸露，試件破壞嚴重，終止試驗。圖4（a）為整澆RC試件最終破壞形態。

2.2 裝配式PC試件試驗現象

PC1試件在正向荷載加載至9 kN時，梁柱連接處新舊結合面出現可閉合裂縫，且隨荷載增加持續擴大。當加載至18 kN時，節點核心區結合面附近出現水平裂縫，并持續向柱身發展。當加載至21 kN時，節點核心區出現微小斜裂縫，通過對實時荷載-位移曲線分析，判定PC1試件屈服，屈服位移Δy=13.3 mm，改用位移控制方式繼續加載。當加載至2Δy時，節點核心區斜向裂縫急速發展并貫通，裂縫最大寬度0.552 mm，梁柱連接處新舊結合面開口達4.49 mm。當加載至3Δy時，節點核心區斜向裂縫交叉貫通，核心區混凝土壓碎，底部出現水平裂縫，梁柱連接處新舊結合面開口達5.46 mm。當加載至5Δy時，節點核心區底部混凝土剝落、上部混凝土壓碎，后澆段表面無裂縫，承載力下降超過15%，終止試驗。圖4（b）為PC1試件最終破壞形態。

PC2試件在正向荷載加載至10 kN時，梁柱連接處新舊結合面出現可閉合裂縫，且隨荷載增加持續擴大；當加載至19 kN時，梁上縱筋屈服，屈服位移Δy=15.6 mm，改用位移控制方式繼續加載。當加載至2Δy時，梁端后澆段出現多條斜向裂縫并急速發展，裂縫最大寬度0.317 mm，梁柱連接處新舊結合面開口達5.67 mm。當加載至3Δy時，梁端后澆段斜向裂縫發展得更為密集，裂縫最大寬度0.627 mm，肉眼可見UHPC材料中的鋼纖維被拉直。當加載至4Δy時，梁端后澆段斜向裂縫貫通，梁柱連接處新舊結合面大幅度開裂，節點核心區無明顯裂縫，承載力下降超過15%，終止試驗。圖4（c）為PC2試件最終破壞形態。

2.3 破壞模式及分析

整澆RC試件和裝配式PC2試件均屬于梁端彎曲破壞，裂縫主要分布在梁端250 mm范圍內，受拉鋼筋達到屈服，局部混凝土壓碎剝落，梁端形成塑性鉸。PC2試件后澆段混凝土材料性能優于普通混凝土，對搭接縱筋具有優良的握裹性能，因此PC2試件的初裂荷載為9 kN，超過RC試件的初裂荷載3 kN。在反復荷載作用下，框架梁相對框架柱產生較大轉動，梁內縱筋的塑性變形和滑移程度加重。RC試件梁縱筋屈服區在向節點核心區滲透過程中，箍筋對核心區混凝土提供了足夠約束，剪切變形不明顯。PC2試件由于后澆段UHPC材料的收縮，梁柱連接處新舊結合面開裂情況嚴重，構件承載力明顯下降。

裝配式PC1試件屬于節點核心區剪切破壞，裂縫主要分布在梁柱連接處新舊結合面和節點核心區，核心區裂縫呈“X”形分布，核心區混凝土壓碎剝落。后澆段UHPC表面無明顯裂縫，梁端縱筋應變處于彈性階段。后澆段的UHPC比預制段的普通混凝土具有更高強度和剛度，15 d的搭接長度顯著提升了搭接縱筋的黏結錨固性能，梁內縱筋無黏結滑移，試件的屈服區從梁端轉向節點核心區，導致試件的破壞部位出現在節點核心區，為剪切破壞。

3 試驗結果及其分析

3.1 滯回曲線

圖5為試件梁端荷載-位移滯回曲線，3個試件的滯回曲線變化規律基本一致：試件屈服前，荷載P與位移Δ呈線性關系，殘余變形不明顯；試件屈服后，曲線斜率降低，包絡面積增大，RC試件的滯回環較為飽滿，PC試件的滯回環均出現了捏縮現象并逐漸加重。RC試件通過梁端裂縫開合和縱筋塑性變形耗能，在梁端形成塑性鉸。PC2試件由于梁柱連接處新舊結合面開裂耗能，試件剛度急速下降，滯回曲線出現了明顯捏縮現象。PC1試件由于后澆段混凝土的超高強度和優良錨固性能，通過節點核心區剪切開裂和梁柱連接處新舊結合面開裂耗能，最終破壞形態為節點核心區剪切破壞。

圖5 試件滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens

3.2 骨架曲線及延性

圖6 為各試件的梁端荷載-位移骨架曲線，表3為荷載特征點值和延性系數，采用能量法計算屈服點。由圖6和表3可知，開裂前各試件骨架曲線基本相同，PC試件在開裂點、峰值點和破壞點的荷載值均高于RC試件，PC1試件的荷載峰值提高了5.8%～14.5%；PC2試件的荷載峰值提高了4.6%～7.6%。結果表明，PC試件在承載能力上等同于現澆。

圖6 試件骨架曲線Fig.6 Skeleton curves of specimens

采用位移延性系數μ=Δu/Δy作為衡量試件塑性變形能力指標，各試件屈服后，骨架曲線都有一較長的平滑段，位移延性系數均大于3，表現出了良好的延性特征。PC試件屈服后的平滑段普遍比RC試件短，其延性略低于RC試件，梁柱連接處新舊結合面開裂是裝配式節點變形能力下降的主要原因。

3個試件的極限位移角介于1/27和1/9之間，均符合《建筑抗震設計規范》中1/50的限值規定，滿足罕遇地震作用下“大震不倒”要求，表明各試件均具有良好的變形能力和抗倒塌能力。

3.3 強度及剛度退化

試件承載力退化程度可用強度退化系數λ來衡量，λ按下式計算：

式中，Pi1，Pi2分別表示第i級加載時第1次和第2次循環的峰值荷載。

圖7為各試件的強度退化曲線，RC試件的強度退化幅度穩定在0.9～1.0之間，PC試件在2Δy時強度退化幅度與RC試件相當，在3Δy及以后，梁柱連接處新舊結合面開裂耗能，加大了試件承載能力下降幅度。

由圖7可知，3個試件的剛度退化規律基本一致。開裂前，試件初始剛度接近，位移與荷載保持線性關系；開裂后，位移比荷載增長速度略快。屈服前，RC試件剛度略低于PC試件；屈服后，各試件剛度退化程度差異明顯。從屈服點到峰值荷載階段，PC試件剛度明顯高于RC試件。UHPC后澆段中含有大量鋼纖維，有利于改善節點剛度退化。試件破壞階段，隨著梁柱連接處新舊結合面開裂耗能進一步加劇，PC試件剛度退化速度快于RC試件。

由圖5～7和表3不難發現，3個試件正、負向加載的試驗結果并不對稱且差別明顯。究其原因，首先是試件加載順序（先正向前推，再負向后拉）的影響，試件的損傷隨著加載進程持續累積，加載方向的先后差異導致正、負方向的損傷累積不同；其次是梁縱筋在核心區采用彎向節點內的錨固措施，梁筋彎起段影響了核心區混凝土擠壓傳力，導致在反復荷載作用下，正、負向的剛度和延性存在差異。

表3 特征點值和延性系數Tab.3 Characteristic valuesand ductility coefficients

圖7 試件強度退化曲線Fig.7 Bearing capacity degradation curves of specimens

3.4 耗能能力

試件的耗能能力采用等效粘滯阻尼系數heq來衡量，如圖8所示，3個試件具有相似的耗能規律，等效粘滯阻尼系數均呈現出先增大后減小的趨勢。PC2試件梁柱連接處新舊結合面開裂，降低了節點吸收和耗散能量的能力，在2Δy時，PC2試件的等效粘滯阻尼系數比RC試件降低了38%。在塑性破壞階段，PC1試件的等效粘滯阻尼系數整體比RC試件降低了20%～34%，這是因為PC1試件的破壞部位從梁端轉移到了節點核心區，影響了PC1試件的耗能能力。

圖8 等效粘滯阻尼系數h eqFig.8 Equivalent viscousdamping coefficient h eq

3.5 節點核心區變形

采用剪切延性系數μγ來度量節點核心區受剪時變形性能，先按下式求出節點核心區剪切角γ：

式中：a，b分別為節點核心區高度和寬度；δ1，δ2分別為節點核心區對角應變。

μγ=γu/γy，γy，γu分別為試件屈服時和破壞時相應的核心區剪切角。各試件的計算數據如表4所示。與RC試件相比，PC1試件的屈服剪切角增大了85%～171%，極限剪切角增大了130%～256%，剪切延性系數提高了25%～30%，表明PC1試件節點核心區剪切變形比RC試件大，這與試驗現象吻合，PC1試件在節點核心區發生了剪切破壞。

表4 試件剪切角及剪切延性系數Tab.4 Shear angles and shear ductility coefficients of specimens

3.6 鋼筋應變

RC試件和PC2試件的梁端縱筋應變如圖9所示，梁端縱筋應變ε起初較小，而且基本通過坐標原點。荷載-應變數據呈線性關系，試件開裂后，應變增速加快，且有明顯的殘余應變。當荷載加到19 kN時，梁端上部縱筋應變達到屈服點，試件屈服，與試件破壞現象一致。這說明搭接長度10d的“鋼筋直錨短搭接”連接技術可以提供有效錨固。

PC1試件的梁端縱筋應變沒有屈服，結合試件破壞現象分析：后澆段UHPC的抗壓強度高達125 MPa，與采用C30級普通混凝土的預制段相比，后澆段具有更高的強度和剛度；搭接長度15d的后澆段與節點核心區直接相連，同時又位于梁端塑性鉸轉動區域。上述兩個因素耦合在一起，影響到梁端的彎曲耗能能力，導致破壞部位轉移，在節點核心區出現剪切破壞，不滿足“強節點、弱構件”設計要求，未能充分發揮結構的潛力，不利于節點的抗震性能。

圖9 梁端縱筋應變Fig.9 Strain of longitudinal steel in beam

4 結論

a.采用“鋼筋直錨短搭接”連接技術且縱筋搭接長度為10d的裝配式試件，破壞過程與整澆試件相似，節點整體性能良好，核心區處于彈性階段，屬于梁端塑性鉸區彎曲破壞模式，初始剛度、承載能力和耗能能力與整澆試件相當，延性、強度和剛度退化能力略低。

b.縱筋搭接長度為15d的裝配式試件，承載能力、承載力退化程度和變形能力與整澆試件相當，剛度退化和耗能能力略低，且后澆段表面無明顯裂縫，搭接縱筋無黏結滑移。因此，基于“鋼筋直錨短搭接”連接技術的裝配式框架節點，縱筋搭接長度建議取10d～15d，配筋率偏高時，可適當增長搭接長度。

c.后澆段UHPC材料的收縮性能差異造成了在梁柱連接處新舊結合面上存在事實上的施工縫。雖然在界面處設置了鍵槽和粗糙面，但在低周反復荷載作用下，結合面開裂情況嚴重，成為了整個試件的薄弱部位。在破壞階段，試件剛度迅速降低，強度和剛度退化顯著，塑性變形能力減小，耗能能力下降。因此，需進一步改善UHPC材料的收縮能力，提高新舊結合面的黏結性能。

d.該連接技術可實現預制構件間高效連接，具有現場濕作業少、易振搗密實、施工方便、易于檢測、質量可控等特點。