裝配式隔震結(jié)構(gòu)隔震節(jié)點抗震性能研究

李婕，許浩

（1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程與測繪學(xué)院，呼和浩特 010000；2.上海大學(xué)力學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

1 裝配式隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用的目的

目前，在建筑的施工建設(shè)過程中，根據(jù)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的需求，建筑的設(shè)計模式、建造方式均發(fā)生改變，在保障工程質(zhì)量的前提下，提高施工效率，滿足節(jié)能減排的要求，裝配式建筑成為主要的發(fā)展趨勢。在建筑的裝配式結(jié)構(gòu)體系中，以裝配式混凝土結(jié)構(gòu)為主體，由框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻、框架-支撐結(jié)構(gòu)、框架-核心筒、箱式結(jié)構(gòu)等組成，裝配效率高，可以有效提高施工效率，縮短施工周期。地震的發(fā)生，會對建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害，不僅會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會導(dǎo)致建筑內(nèi)部及周邊的人員傷亡。裝配式隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用，能夠提高裝配式建筑的抗震性能，可以有效應(yīng)對地震的發(fā)生，避免建筑損毀，保障人們的生命財產(chǎn)安全。將先進(jìn)的隔震技術(shù)應(yīng)用于裝配式建筑施工的過程中，制訂科學(xué)、合理的隔震方案，使建筑具備良好的抗震性能。裝配式隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)用，能夠產(chǎn)生十分有效的隔震效果，降低地震對于建筑的影響[1]。

2 隔震節(jié)點設(shè)計對于裝配式隔震結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

在裝配式建筑的隔震結(jié)構(gòu)中，隔震節(jié)點設(shè)計是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在很大程度上影響著整體的抗震性能。隔震節(jié)點的設(shè)計，應(yīng)該重點關(guān)注節(jié)點的連接方式、材料力學(xué)性能。

1）連接方式。在裝配式隔震結(jié)構(gòu)中，梁柱的節(jié)點會受到方向力（上、下、水平等）的影響。隔震節(jié)點對力的承受能力越好，說明隔震性能越強(qiáng)。隔震節(jié)點的設(shè)計，可以根據(jù)裝配式建筑施工的實際需要，制訂針對性的節(jié)點方案，選擇相應(yīng)的節(jié)點連接方式。常采用2 種梁柱節(jié)點：其一，預(yù)制上柱、下柱，利用千斤頂，對上柱施加軸向壓力，下柱進(jìn)行基座固定，應(yīng)用作動器，現(xiàn)澆混凝土；其二，上柱、下柱為一體，利用千斤頂，對上柱施加軸向壓力，下柱進(jìn)行基座固定，在節(jié)點處現(xiàn)澆混凝土[2]。

2）材料力學(xué)性能。在裝配式隔震結(jié)構(gòu)的隔震節(jié)點，材料的選用，對于抗震性能產(chǎn)生著重要的影響，主要與材料的力學(xué)性能有關(guān)。在隔震節(jié)點中，混凝土的使用方式，會對抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。在混凝土強(qiáng)度等級相同的情況下，現(xiàn)澆式試件、裝配式試件的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性能存在著顯著的差異，裝配式試件的抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度低于現(xiàn)澆式，而彈性模量高于現(xiàn)澆式試件。在裝配式隔震結(jié)構(gòu)的隔震節(jié)點，鋼筋的力學(xué)性能，同樣也是影響抗震性能的重要因素。選擇鋼筋材料時，需要對鋼筋屈服強(qiáng)度、鋼筋極限強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行檢測[3]。

3 試驗設(shè)計

完成隔震節(jié)點設(shè)計后，需要對抗震性能進(jìn)行試驗檢測，結(jié)合檢測結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)缺陷和不足，并對隔震方案做出調(diào)整與改進(jìn)。在試驗中，應(yīng)用1/2 縮尺模型，設(shè)計裝配式混凝土節(jié)點試件（規(guī)格：上柱截面400 mm×400 mm；下支墩截面750 mm×750 mm；梁截面：200 mm×325 mm）、整體現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土試件（規(guī)格：與裝配試件一致）。針對兩個節(jié)點試件進(jìn)行試驗對比，評價各自的抗震性能。

3.1 加載裝置與加載制度

選擇裝配試件、現(xiàn)澆試件作為試驗對象，針對隔震結(jié)構(gòu)中的隔震節(jié)點進(jìn)行試驗。在試驗過程中，應(yīng)該考慮到地震對于隔震結(jié)構(gòu)的影響。在地震場景中，隔震結(jié)構(gòu)的上支墩主要起到承載水平剪力、豎向軸力的作用，無法用于傳遞彎矩。在試驗中，使用連接角鋼、連接螺栓固定上支墩，固定于剛性地面。角鋼對于上支墩轉(zhuǎn)動并無約束作用，主要用于約束其位移（水平方向、豎直方向）。應(yīng)用千斤頂連接鋼梁，作用于上柱頂部，模擬實際結(jié)構(gòu)承受的軸向壓力。在兩側(cè)梁端，連接作動器，實施梁端反復(fù)加載法。試驗裝置示意圖見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖

在豎向荷載2 000 kN、軸壓比0.4 的條件下，向柱頂面施加外力。應(yīng)用電液伺服作動器，作用于梁端，施加同步反對稱位移，進(jìn)行混合加載（±10 mm 內(nèi)：按照±1 mm 的規(guī)律遞增；±10 mm 以上：按照±10 mm 的規(guī)律遞增）。結(jié)合荷載-位移曲線進(jìn)行分析，針對該曲線的下降段，將荷載降低至試件破壞條件（85%極限承載力），觀察試驗現(xiàn)象，結(jié)合試件的破壞形態(tài)進(jìn)行分析。

3.2 試驗現(xiàn)象觀察

觀察裝配式節(jié)點試件、現(xiàn)澆式節(jié)點試件的試驗現(xiàn)象，根據(jù)試件的破壞形態(tài)，判斷其抗震性能。

3.2.1 裝配式節(jié)點試件

在裝配式節(jié)點試件的試驗中，根據(jù)梁端位移加載情況，觀察是否有裂縫的形成，確認(rèn)裂縫的位置。在梁端位移為13 mm左右時，有裂縫形成，裂縫形成位置相距梁柱交界面250 mm左右。在反向加載的情況下，梁端位移為15 mm，有裂縫形成。裂縫形成位置相距梁柱交界面200 mm 左右，同時由梁底延伸。在梁的上表面、側(cè)面，均可見裂縫形成。完成加載后，有通縫形成，由正向、反向的裂縫重合所致。增加加載位移，裂縫會進(jìn)一步延伸。在梁柱交界面，有斜裂縫形成。加載位移的進(jìn)一步增加，則會引起混凝土的剝落。混凝土剝落的區(qū)域主要位于核心區(qū)底部，在混凝土發(fā)生剝落后，會出現(xiàn)箍筋外露的情況。

3.2.2 現(xiàn)澆式節(jié)點試件

在現(xiàn)澆式節(jié)點試件的試驗中，通過增大梁端位移加載，觀察試件的破壞形態(tài)。在梁端位移加載8 mm 左右時，有裂縫形成。裂縫主要位于梁底面，呈人字形。而在澆筑施工界面，存在斜向的微小裂縫，整體較為穩(wěn)定，并無進(jìn)一步發(fā)展、延伸的趨勢。實施反向加載時，在梁端位移加載17 mm 的條件下，有斜裂縫形成，與主裂縫交叉。與此同時，梁底部的人字形裂縫發(fā)生閉合。進(jìn)一步增加荷載，裂縫會出現(xiàn)發(fā)展、延伸的情況，導(dǎo)致貫通縱向裂縫的形成，該裂縫位于梁端部。同時有剪切裂縫形成，位于梁上塑性鉸區(qū)域，呈X 形。在荷載逐漸增加的情況下，裂縫持續(xù)擴(kuò)大，試件遭受破壞的嚴(yán)重程度隨之增加。在梁端位移加載50 mm 的條件下，會出現(xiàn)混凝土剝落、箍筋外露的情況。完成試驗后，觀察裝配式節(jié)點試件、現(xiàn)澆式節(jié)點試件的破壞情況，比較兩者的抗震性能。

3.3 試驗結(jié)果分析

通過對裝配試件、現(xiàn)澆試件的抗震試驗，結(jié)合試驗結(jié)果，分析兩者的抗震性能。

3.3.1 滯回曲線

獲取滯回曲線，根據(jù)曲線的特征，對于試件的抗震性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評估和判斷，見圖2。

圖2 裝配試件、現(xiàn)澆試件的滯回曲線

觀察裝配試件的滯回曲線，具有捏縮效應(yīng)的特征，與現(xiàn)澆試件的滯回曲線存在明顯的差異。根據(jù)加載后期的滯回曲線，判斷試件有無強(qiáng)度退化、剛度退化的情況。其中，裝配試件無強(qiáng)度退化的情況，剛度退化較為輕微。但是在現(xiàn)澆試件中，加載后期的強(qiáng)度退化、剛度退化較為顯著，在一定程度上反映出現(xiàn)澆試件抗震性能的下降。發(fā)生強(qiáng)度退化、剛度退化現(xiàn)象后，試件梁柱承載力下降，隔震節(jié)點的抗震性能明顯不及裝配試件。在基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)中，對于隔震節(jié)點的承載能力、剛度有著更為嚴(yán)格的要求。在梁端受拉、受壓的情況下，觀察試件的滯回曲線，表現(xiàn)為曲線不完全對稱的特征時，主要與梁的不對稱配筋有關(guān)。由此可見，在加載位移的情況下，根據(jù)滯回曲線的變化，能夠準(zhǔn)確反映出裝配試件、現(xiàn)澆試件隔震節(jié)點的抗震性能，裝配試件的優(yōu)勢得以充分凸顯。

3.3.2 骨架曲線

在隔震結(jié)構(gòu)隔震節(jié)點抗震性能的評估過程中，參考滯回曲線的同時，還需要結(jié)合結(jié)構(gòu)的骨架曲線進(jìn)行判斷。在裝配試件、現(xiàn)澆試件的結(jié)構(gòu)的骨架曲線中，能夠反映出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度性能，對比不同試件的骨架曲線，判斷兩者在抗震性能方面的差異。相比于現(xiàn)澆試件，裝配試件具有更好的承載能力，極限承載能力更高。在裝配式隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，構(gòu)造連接方式的選擇十分關(guān)鍵，對于構(gòu)件的承載能力產(chǎn)生著重要的影響。

3.3.3 剛度退化

通過對裝配試件、現(xiàn)澆試件剛度退化情況的分析，對于結(jié)構(gòu)累積損傷進(jìn)行評估。試件的隔震節(jié)點在荷載的作用下，逐漸形成損傷。在循環(huán)往復(fù)的過程中，損傷持續(xù)積累，進(jìn)而導(dǎo)致試件的強(qiáng)度、剛度退化。在剛度退化方面，裝配試件、現(xiàn)澆試件較為相似，發(fā)展趨勢基本一致。在試件加載的過程中，由于初始剛度較大，裝配試件的剛度退化現(xiàn)象更為顯著，但裝配試件的剛度始終優(yōu)于現(xiàn)澆試件。試件發(fā)生開裂后，開始出現(xiàn)剛度退化的情況。在試件屈服后，剛度退化現(xiàn)象呈現(xiàn)較為平緩的現(xiàn)象。

3.3.4 延性系數(shù)

針對隔震結(jié)構(gòu)隔震節(jié)點的塑性變形能力進(jìn)行評估，獲取延性系數(shù)指標(biāo)。在試驗中，需要具體掌握梁端豎向極限位移、屈服位移等指標(biāo)，以極限位移/屈服位移表示延性。在上部受拉、下部受拉的條件下，分別統(tǒng)計裝配試件、現(xiàn)澆試件的屈服荷載、屈服位移、最大荷載、極限荷載（約為0.85 最大荷載）、極限荷載對應(yīng)的位移等多項參數(shù)，得出延性系數(shù)，對于試件的位移延性進(jìn)行評價。現(xiàn)澆試件的延性系數(shù)高于裝配試件。

3.3.5 累積滯變能量

根據(jù)裝配試件、現(xiàn)澆試件的滯回曲線，在反復(fù)荷載作用下，計算累積滯變能量，評價試件的耗能能力。在試件加載的過程中，裝配試件、現(xiàn)澆試件初期的累積耗能相近，其中現(xiàn)澆試件的累積耗能呈現(xiàn)平穩(wěn)增長的趨勢，裝配試件的累積滯變能量低于現(xiàn)澆試件。結(jié)合等效黏滯系數(shù)，計算能量耗散系數(shù)，對于試件的滯回耗能能力進(jìn)行評價。在試件加載的過程中，分析裝配試件、現(xiàn)澆試件的等效黏滯阻尼系數(shù)，初期發(fā)展趨勢相近，現(xiàn)澆試件的等效黏滯阻尼系數(shù)高于裝配試件[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，建筑工程的施工建設(shè)中，需要根據(jù)抗震的需求，進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計，進(jìn)而提高建筑整體的抗震性能。在抗震設(shè)計中，應(yīng)用裝配式隔震結(jié)構(gòu)，隔震節(jié)點的連接方式、材料力學(xué)性能，對于抗震性能有著重要的影響，需要科學(xué)、合理地進(jìn)行設(shè)計。為了準(zhǔn)確評價裝配式隔震結(jié)構(gòu)隔震節(jié)點的抗震性能，需要進(jìn)行裝配節(jié)點的剛度、承載力的評估。在試驗中，觀察裝配試件、現(xiàn)澆試件的試驗現(xiàn)象，以滯回曲線、骨架曲線、剛度退化、延性系數(shù)以及累積滯變能量進(jìn)行評估，反映出裝配試件具有良好的抗震性能。