預制裝配式混凝土斗拱節點抗震性能試驗研究

張敏

鄭州商學院 河南 鞏義 451200

引言

隨著我國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，各地區在實際發展過程中也積極加強文化類旅游場所的設計與建設，一大批仿古建筑也隨之涌現。考慮到木質結構的固有缺陷，仿古建筑設計與建設過程中將木制材料轉變為鋼筋混凝土材料，考慮到仿古建筑所采用現代建筑材料及結構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也存在顯著不同，具體體現在斗拱連接處等方面。由此，當前行業內在實際發展過程中，也針對混凝土斗拱節點抗震性能等方面進行較為深入的研究。

1 混凝土斗拱節點抗震性能試驗設計

為深入探究混凝土斗拱節點抗震性能變化情況，技術人員決定制作4個同等規格的混凝土斗拱構件進行抗震性能試驗。4個試件均為澆筑制作的底寬及高度規格分別為1.3m以及1.96m的混凝土斗拱構件。

試件采用強度等級為C35的混凝土材料，混凝土柱長度以及保護層厚度分別為1500mm以及30mm。縱筋以及箍筋分別采用HRB335級鋼筋以及HPB300鋼筋，試件截面尺寸及應變片布局如圖1所示。

圖1 試件及應變片示意圖

本次研究中將采用100tMTS伺服加載系統進行低周往復加載試驗。具體試驗過程主要參照《建筑抗震試驗方法規程》要求，利用位移控制加載方式開展試驗活動，具體加載試驗主要分為預加載以及位移控制加載兩部分，并采用DH3816靜態采集儀對加載數據進行采集[1]。

本次試驗中將通過低周往復荷載試驗探究軸壓比及斗拱配重對預制混凝土斗拱階段抗震性能影響進行探究，具體試驗中，技術人員設定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變量；A3以及A4兩組則設定保持同等上部配重，以軸壓比作為主要參數變量。具體如表1所示。

表1 試件能耗性能對比

表1 試件分組情況

2 試件試驗過程及結果

2.1 試件A1試驗結果分析

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，混凝土拱背發生橫向開裂，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越多，并且裂紋的發展也越來越迅速。同時，隨著水平位移的增大，混凝土斗拱的端部也會產生新的裂紋。柱間橫向裂縫發育情況明顯，裂縫寬度增加。

2.2 試件A2試驗結果分析

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，在側向位移增加到7mm的情況下，出現了一個很小的橫向水平裂紋，此時試件荷載值僅為103kN。試驗結果表明，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其應力狀態的影響不大。當試樣的橫向位移增大到16mm時，A2的荷載為188kN。在此期間，斗拱座斗部出現了貫穿的垂直裂紋，并且在混凝土柱面上裂紋的數目和寬度都有較大幅度的增加。但在達到極限位移后，試樣表面出現裂紋，同時地基和柱子之間的混凝土出現了大量的剝落，甚至可以看到柱子的縱向鋼筋。試驗結果表明，試樣的整體失效比較突然，延性不佳。

2.3 試件A3試驗結果分析

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。試驗結果表明，在試驗構件側向位移達到5mm后，在拱背側混凝土柱的中間部位產生了兩條細小的對稱裂紋。在此基礎上，在梁體上產生了一條12cm左右的橫向裂紋，并在其周邊形成了許多細小的斜縫。隨著載荷的不斷增加，裂紋的發展也越來越頻繁。在初期，橫向裂紋擴展明顯，并貫穿了混凝土柱面。最后，在試樣的橫向變形量達到27mm時，其荷載降低到162.6kN。

2.4 試件A4試驗結果分析

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，裂紋的發展與Z-4的裂紋發展過程基本一致。在水平位移為6mm的情況下，在地基和混凝土柱間的交界處，出現了一次水平開裂，其初始應力為109kN。與A3、A2相比，隨著最大水平位移的增加，裂紋發展狀況得到了明顯的改善，變形能力也得到了很好的提高。在水平位移增大到11mm時，在混凝土斗拱端部的薄弱位置，有一條8cm長的垂直裂紋。該地區的裂縫發育有明顯的發展趨勢，并伴有多條斜裂。混凝土斗拱的失效形式是豎向和剪力破壞。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。試驗結果表明，在178kN的條件下，其橫向變形量為21mm，混凝土保護層破碎，混凝土碎屑開始剝落。最終試樣的負載值降低到0.85Nu（162.6kN），加載結束。

2.5 試件A5試驗結果分析

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，裂紋的發展與Z-4的裂紋發展過程基本一致。在水平位移為6mm的情況下，在地基和混凝土柱間的交界處，出現了一次水平開裂，其初始應力為109kN。與A4、A3相比，隨著最大水平位移的增加，裂紋發展狀況得到了明顯的改善，變形能力也得到了很好的提高[2]。在水平位移增大到11mm時，在混凝土斗拱端部的薄弱位置，有一條8cm長的垂直裂紋。該地區的裂縫發育有明顯的發展趨勢，并伴有多條斜裂。

3 混凝土斗拱節點抗震性能分析

3.1 斗拱構件延性

本文研究中以為位移延性系數進行表示，其計算公式如下所示。

通過對計算結果進行分析可知，4組試件階段延性系數均分布在3～4區間范圍內；通過對各組試件進行對比分析可知，各組試件正負向位移延性系數間存在較為顯著的差異性，且均為正向系數大于負向系數，通過對其進行深入研究可知，受各試件正負向剛度存在差異性情況影響，試件負向剛度大導致試件受拉屈服過程中位移幅度較大；各試件滯回線正向推力明顯小于負向拉力，這就使得各試件在受拉過程中出現破壞的概率相對較大；試件延性會隨著軸壓比以及配重提升而降低。

3.2 試件耗能性能

從技術角度分析，試件的耗能性能可理解為在反復荷載作用下，構件針對相應能量進行吸收以及消散的能力，其是判斷結構抗震性能的重要指標，其通常情況下會通過荷載-位移曲線的滯回環涉及面積對該指標系數進行測算，性能會隨著面積提升人提升。通常情況下，對結構耗能性能的測算主要通過等效黏滯阻尼系數進行，結構耗能性能會隨著系數提升而提升，其計算公式如下所示。

通過對表中數據進行分析可得出如下結論：

第一，有表中數據可知，在位移逐步增大情況下，各試樣的等效黏滯阻尼系數也相應地增加，且其累積的能量消耗也會隨測試時間的延長而增大。通過比較，確定了當量黏滯阻尼系數的取值范圍為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屈服，其耗能特性已初步顯現；在達到塑性限的情況下，由于柱底混凝土的塑性進一步發展，其耗能特性顯著改善；在試驗構件失效后，由于斗拱的櫨斗、昂、翹等分布的連接處都出現裂縫，鋼筋混凝土柱的基部出現失穩，其耗能特性也隨之增大，并達到了最大。從這一結果可以看出，在試件的結點處，材料的塑性發育比較充分，顯示出了良好的耗能特性。

第三，比較試件2、3和4可以發現，隨著軸壓比的增加，它的彈性周期變短，從而使試件進入塑化階段的時間變短。假定位移條件相同，則能量消耗越大，其性能發揮越充分。由此可得出結論，軸壓比和累積耗能呈逆向關系，累積耗能會隨著軸向比降低而提升，其延性也會隨之提升。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 結束語

綜上所述，由試驗研究結果可得出如下結論：第一，試件正負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稱結構設計，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破壞的概率相對較大，進而導致內力傳遞效果被削弱；第二，混凝土斗拱節點雖然與傳統斗拱結構存在顯著差異，且不具備傳統斗拱結構的減震、抗震能力，但是在混凝土斗拱結構結構塑性變形能力充分發揮情況影響下，其耗能性能較為顯著，混凝土柱軸壓比對裝配式混凝土斗拱節能耗能影響較為顯著。