预压装配节点与现浇节点抗震性能试验

韩建强，齐凤，王印会，刘洋

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)



预压装配节点与现浇节点抗震性能试验

韩建强1，2，齐凤1，王印会1，刘洋1

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

预应力装配式框架结构；节点；抗震性能

通过对梁柱节点附加阻尼器和现浇混凝土框架结构梁柱节点进行进行低周反复荷载试验，研究其滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、耗能能力曲线及残余变形等抗震性能。结果表明：附加阻尼器的预应力装配式框架结构节点在变形恢复能力、耗能等性能优于现浇框架节点，附加适当的阻尼耗能措施将在预制装配构件中得到肯定，并将得到广泛应用。

0 引言

目前，我国建筑行业主要以现场泵送混凝土为主，施工建造的时间长，需要大量劳动力，建筑过程中会产生大量的垃圾以及一些建筑材料的浪费；在城市中，大量施工设备机械的使用会产生许多噪音，影响附近居民的生活[1]。针对这些缺点，研究人员提出预制装配式结构，它可以减少劳动量，减少劳动力的投入，提高机械设备的使用，加快施工速度，现场无湿作业，还可有效地节省能源，可降低施工设备产生的噪音对周围的影响，并可降低施工中留下的钢筋、混凝土、铁丝、木板等垃圾。但是由于预制构件节点连接不牢固，在地震作用下会发生破坏。根据许多地震后的勘测，对于预制装配结构的损坏主要体现在节点处[2]。所以，预制构件节点的受力性能必须要高度重视。国内许多学者们对预制结构进行了大量研究[3-5]，例如王冬雁等人[6-7]通过对无粘结预应力装配梁试件进行低周反复荷载载试验，结果表明：无粘结预应力装配梁抗震性能良好，与现浇结构作比较，装配试件的耗能性能差，但其位移延性优于现浇，试件残余变形小；预应力筋在加载初期对试件承载力影响比较大，随着位移的增大，预应力筋对试件的影响降低。韩建强等人[8]通过对一榀预应力装配式加固混凝土框架结构进行了低周反复加载试验并进行有限元分析，得到了预应力装配式框架破坏方式、滞回曲线、骨架曲线及耗能曲线等。结果表明：预应力装配加固混凝土结构具有良好的耗能能力；开裂荷载较大，位移延性由于现浇结构，变形恢复能力强，残余变形小。

1 试验内容

1.1 试验设计

本次试验按照1：1梁柱节点进行现场装配，设计现浇中节点1个如图1所示(试件XJZ-1)，附加阻尼器的中节点2个如图2所示(试件ZPZ-2，试件ZPZ-3)，配筋同现浇，对于2个装配试件来说，试件由达到强度的预制梁、预制柱通过在预制梁柱中预留的孔洞穿钢绞线组合在一起。在梁柱的结合处，灌注大约10 mm左右的高强砂浆，养护结合处的高强砂浆达到设计强度的75%以上。对钢绞线进行张拉锚固，预应力钢筋的张拉控制应力分别取0.2fpy、0.3fpy，3个试件的梁截面尺寸均为200 mm×400 mm，柱截面尺寸均为 400 mm×400 mm，混凝土采用C40，所有钢筋采用 HRB400热轧钢筋。

图1 试件XJZ-1截面尺寸及配筋

图2 试件ZPZ-2、ZPZ-3 截面尺寸

1.2 试验方案

试验在一个类似门式的钢架下进行加载试验。施加水平低周反复荷载的位置在柱顶的侧面，柱子底部放在可以转动的铰支座的柱帽内，四周用钢板固定。梁端放在可以水平移动的上下2个钢滚轮内并加以固定，在柱顶用千斤顶施加恒定的轴力，轴力大小为781 kN,柱顶侧面的水平反复荷载由 MTS 电液伺服作用器施加。加载装置如图 3所示。

试验采用荷载-位移正反2个方向的加载方式进行[9]。加载初期，采用正反荷载控制的加载方式，等构件出现屈服后，采用正反位移控制的加载方式进行加载，直至构件完全破坏为止。加载方案如图4所示。

图3 加载装置

图4 加载方案

2 试验结果分析

2.1 滞回曲线

滞回曲线在正反荷载位移加载作用下，得到节点的荷载-位移曲线。从滞回曲线中可以看出节点在低周反复荷载作用下的耗能、变形等情况，滞回曲线是结构抗震性能的依据。

如图5为3个试件的滞回曲线。

图5 滞回曲线

从图5的滞回曲线可得：

(1) 在加载初期，现浇梁柱节点的滞回曲线形状较饱满，但随着位移的增加，附加阻尼器的滞回曲线逐渐加大，所以在地震作用下，附加阻尼器的构件将消耗更多的能量；

(2)不同预压力相同配筋率滞回曲线的面积不同，预压力为0.3fpy的试件ZPZ-2的滞回曲线的面积大于预压力为0.2fpy的试件ZPZ-3；

(3)由于在试件ZPZ-2、ZPZ-3放入了预应力钢绞线，对梁存在约束作用，捏拢效应相对于现浇试件XJZ-1比较明显；

(4)由于摩擦阻尼器的使用，试件ZPZ-2、ZPZ-3变形恢复能力、承载力高于现浇试件XJZ-1，并且试件ZPZ-2的承载能力高于试件ZPZ-3。

2.2 骨架曲线

骨架曲线是每次正反2个方向加载到最大值的一条轨迹线。从骨架曲线中，得到节点在不同的变形的峰值点，是确定恢复力模型中特征点的重要依据。

如图6为3个试件的骨架曲线。

图6 骨架曲线

从图6的骨架曲线可得：

(1)现浇节点XJZ-1经历了弹性、屈服、强化3个阶段，直到加载结束基本保持水平直线，而预应力装配节点ZPZ-2、ZPZ-3在加载初期，基本保持弹性状态，随着荷载的增加，不断上升，直到最后加载结束，骨架曲线仍呈上升趋势，由此可知，预应力装配节点承载力高于现浇节点；

(2)依据图中正向加载所示，位移在10 mm前，3个试件骨架曲线大致相近，位移在10 mm后，预应力较大的装配节点ZPZ-2的曲线斜率大于预应力较小的装配节点ZPZ-3的曲线斜率，试件ZPZ-2的荷载峰值点高于试件ZPZ-3，由此可得，在相同配筋率不同预应力下试件ZPZ-2的承载能力高于试件ZPZ-3；图中反向加载可以看出，现浇节点出现了屈服荷载，而2个预应力装配节点没有出现，由此可得，预应力装配节点的极限荷载远远大于现浇节点。

2.3 刚度退化曲线

刚度退化是在正反荷载的作用下，最大值保持一样时，最大值位移会随着往复次数增加而增加的现象。

如图7为3个试件的刚度退化曲线。

图7 刚度退化曲线

从图7的刚度退化曲线可得：

正向与反向得到的刚度退化曲线大致对称；现浇节点XJZ-1的初始刚度高于2个装配节点ZPZ-2、ZPZ-3，由于阻尼器的使用，现浇节点刚度退化的速度快于2个装配节点。

2.4 耗能能力

耗能能力可以作为抗震性能的一个参数指标。耗能能力依据滞回曲线的面积来表示其大小，滞回曲线的面积越大，耗能能力越强，滞回曲线的面积越小，耗能能力越弱。

试验的3个试件的正向加载耗能能力曲线如图8所示。

图8 耗能能力曲线

从图8的耗能曲线可得：

正向加载位移为15 mm前，3个试件耗能能力差不多，随着位移的不断增加，预应力装配节点耗能高于现浇节点，位移越大，预压力大的装配节点耗能能力强于预压力小的装配节点。

2.5 残余变形

结构承受外荷载作用，变形达到最大，卸荷至零后，结构的变形慢慢恢复，结构未能恢复的变形称为结构的残余变形。残余变形大的结构，不利于结构的修复。装配试件的"捏拢"现象较明显，说明装配试件的变形恢复能力优于现浇试件。

试验按荷载-位移分级加载的方式进行，通过StrainBook 动态数据采集仪采集的数据，可以得到每级加载卸荷后的位移，即得到结构的残余变形如图9所示。由于加载初期，试件变形小，残余变形曲线从位移加载开始。试验也采集到了试件破坏时的最大位移及卸荷后的残余变形位移，即得到残余变形率，如下所示)。

图9 残余位移曲线

从图9的残余位移曲线可得：

(1)由残余位移曲线可知，现浇试件的残余位移大于装配试件。位移加载初期，各个试件处于弹性阶段，残余位移均很小，随着位移的增大，各试件的残余位移逐渐增大。

(2)对于装配试件，相同配筋率下，正向加载初期，预应力大的试件ZJZ-2的残余变形小于预应力小的，加载结束时，二者相差不大。反向加载时，预应力小的试件ZJZ-3的残余变形明显大于预应力大的试件，施加预应力可以提高试件的变形恢复能力。

表1 实测试件残余位移汇总

从表1实测试件残余位移汇总可得：

现浇试件的残余变形率为0.82～0.87，装配试件的残余变形率为0.42～0.54，现浇试件的残余变形率最大的约为装配试件残余变形率最小的2倍。现浇试件在低周反复荷载作用下，梁端负弯矩增大，梁上部钢筋屈服，屈服残余变形较大，卸载后，不容易恢复。装配试件由于预应力筋的存在，抵抗了梁端负弯矩，使梁内钢筋残余变形小，卸载后容易恢复。

3 结论

(1)不同预压力相同配筋率的滞回曲线的面积不同，预压力大的装配节点ZPZ-2滞回曲线的面积大于预压力小的装配节点ZPZ-3；随着位移的增加，装配节点的滞回环大于现浇节点。

(2)由于钢绞线对梁的约束作用，明显提高了装配节点的屈服荷载，卸载后装配节点可以恢复变形。因此，预应力装配节点变形能力强于现浇节点。

(3)由于阻尼器的使用，现浇节点刚度退化的速度快于2个装配节点。

(4)大位移下，预压力大的装配节点耗能能力强于预压力小的装配节点；随着位移的不断增加，预应力装配节点耗能高于现浇节点。

(5)位移加载初期，各试件的残余变形均很小，随着位移的增大，装配试件表现出很好的变形恢复力，残余变形小于现浇试件。现浇试件在低周反复荷载作用下，梁端负弯矩增大，梁上部钢筋屈服，屈服残余变形较大，卸载后不容易恢复。装配试件由于预应力筋的存在，抵抗了梁端负弯矩，使梁内钢筋残余变形小，卸载后容易恢复。

[1] 张季超,楚先锋.高效节能环保预制钢筋混凝土结构住宅体系及其产业化[J].工程力学,2008,25(s):123-133.

[2] 张瀑,鲁兆红,淡浩.汶川地震中预制装配整体结构的震害调查分析[J].四川建筑科学研究,2010,36(3):129-133.

[3] 韩建强,杨娜.不同配筋的附加角钢预压装配框架边节点试验研究[J].世界地震工程，2015,(2):179-182.

[4] 韩建强,王清,刘冉冉.预应力装配式框架结构边节点抗震性能试验研究[J].山西建筑,2014,(35):45-46.

[5] 韩建强,杨娜.不同配筋附加角钢板的预应力装配框架中节点抗震性能试验研究[J].世界地震工程,2015,(3):51-54.

[6] 王冬雁,李振宝,杭英.无粘结预应力装配梁试验研究[J].工业建筑,2008,38(2):31-34+58.

[7] 王冬雁,李振宝,杭英.无粘结预应力筋抗震性能分析[J].建筑结构学报,2010:339-344.

[8] 韩建强,李振宝,宋佳,等.预应力装配式框架结构抗震性能试验研究和有限元分析[J].建筑结构学报,2010:311-314.

[9] 邱法维,钱稼茹,陈志朋.结构抗震试验方法[M].北京:科学出版社,2000,37(10):19-21.

Experiment on Seismic Performance of Prestress Assembled Node and Cast Node

HAN Jian-qiang1,2,QI Feng1,WANG Yin-hui1,LIU Yang1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China;2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,Tangshan Hebei 063210,China)

the prestress assembled frame structure; node; seismic performance

Through additional damper beam-column joints and pouring concrete frame beam-column node low cyclic loading test,the seismic behavior of hysteresis curves,skeleton curves,energy dissipation ,stiffness degradation curve curves and residual deformation were studied.The results show that precast concrete frame structure nodes additional damper deformation resilience,energy and other properties are better than cast frame joints,additional appropriate damping energy measures would be certainly affirmed in prefabricated members,and will be widely applied.

2095-2716(2017)03-0032-06

2016-12-02

2017-04-20

国家自然科学基金项目资助(51208171)，河北省科技支撑计划项目(13273809)，河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2014021)。

TU378

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