钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点抗震试验研究

于建兵 郭正兴

(1扬州大学建筑科学与工程学院, 扬州 225127)(2东南大学土木工程学院, 南京 210096)

钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点抗震试验研究

于建兵1,2郭正兴2

(1扬州大学建筑科学与工程学院, 扬州 225127)(2东南大学土木工程学院, 南京 210096)

为了系统研究钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点的抗震性能,对8个预制节点和1个现浇节点的足尺比例试件进行了低周反复荷载试验研究,探讨了预制装配节点的破坏形态、滞回性能、刚度退化以及耗能能力.试验结果表明,在节点核心区设置附加钢筋,能够有效提高节点的承载能力和变形能力,同时可以实现梁端塑性铰外移.加载前期,预制装配节点的滞回环面积较现浇节点小,但随着荷载的继续施加,预制节点的滞回环面积与现浇节点基本相当.这反映了节点的耗能能力在加载前期较现浇节点差,但后期与现浇节点基本相当甚至超过现浇节点.通过对比以上抗震性能发现,钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点能够满足抗震规范的要求.

预制装配;低周反复荷载试验;滞回性能;耗能能力;抗震性能

国内外关于预制装配式混凝土结构的研究主要集中在构件节点连接方式、接合部受力性能以及不同连接方式下装配式结构整体抗震性能方面.连接方式是预制装配式混凝土结构的核心技术[1],预制混凝土结构的试验研究和震害调查表明,只要预制构件的接合部位有可靠的连接,预制混凝土结构就有良好的抗震性能[2-5].随着国家不断出台激励政策鼓励发展预制装配建筑,装配混凝土结构在房屋建筑中的应用成为了当前的研究热点,市场上不断涌现出各种预制装配梁柱节点体系,如南京大地引进的法国“世构体系”、润泰的“润泰体系”、日本鹿岛的“鹿岛体系”等.针对各种节点体系,国内开展了相关的试验研究及示范工程试点,取得了较为丰富的试验结果以及工程建设经验[6-10].在现有研究基础上,本文提出一种钢绞线锚入式预制装配混凝土框架梁柱节点(strand anchor in precast concrete frame connection,简称SPCF),并对该新型节点的抗震性能进行了试验研究.

1 SPCF节点构造

SPCF节点是一种新型湿式节点连接形式(节点核心区现场拼装时,通过现浇混凝土将预制梁与柱进行连接).该节点可以解决构件运输困难的问题,同时能够解决预制构件在制作和建造过程中精度要求较高的问题.该新型节点的具体构造如下:为了能够解决配置高强筋混凝土开裂问题,采用预制预应力混凝土梁,柱采用预制柱或现浇柱,预制梁底部受力钢筋采用3根直径为12.7 mm的钢筋代替普通钢筋;梁端留有长度为400 mm的键槽,对键槽段的箍筋进行加密,间距为50 mm;键槽部分及伸入到对面键槽内的钢绞线为无预应力段,由于钢绞线与混凝土之间的黏结性能较普通钢筋弱,对钢绞线端部作压花锚处理,同时设置锚固端板,增强钢绞线与混凝土之间的黏结性能;为了能够实现梁端塑性铰转移,在节点核心区设置2根直径为18 mm的附加钢筋;在梁柱拼装时,在键槽范围可充分利用钢绞线的柔韧性实现自由掰动,从而可以避免梁柱节点受力筋的碰撞,提高预制构件工厂的加工制作效率.预制梁构造示意图如图1所示,梁柱节点拼装如图2所示.

图1 预制梁构造

图2 节点拼装图

2 SPCF节点耗能理论分析

SPCF节点采用钢绞线作为预制梁的受力钢筋,钢绞线在键槽部位为无预应力段,在低周反复荷载作用下,该段钢绞线相当于普通钢筋.钢绞线在屈服时,没有普通钢筋那么明显的屈服平台,塑性变形能力较弱,但是钢绞线的极限强度较普通钢筋极限强度高很多.从耗散能量概念出发,通过提高结构的塑性变形能力和极限承载能力都可以增加结构的耗能能力[11].SPCF节点配置钢绞线可以提高构件的极限承载能力,因此可达到耗散大量能量的目的.如图3所示,通过提高结构的极限承载能力,延性性能较差钢绞线曲线OABF与位移轴所围的面积基本等同于延性性能较好普通钢筋曲线OCDE与位移轴所围面积,即耗能能力基本相当.

图3 能量耗散机制示意图

3 SPCF节点试验设计

3.1 节点设计

按照“强柱弱梁,强节点弱构件”的设计原则[12],设计了1个现浇对比节点、4个全预制节点及4个柱现浇梁预制节点,节点编号见表1.对于梁预制柱现浇的节点,柱的钢筋骨架可以在工厂进行绑扎,运到现场与预制梁进行拼装.本次试验所有节点都采用足尺模型,混凝土强度等级为C40,纵向钢筋均为HRB335级普通钢筋,箍筋为HPB300钢筋.节点设计详图见图4.

3.2 试验加载装置及加载制度

加载装置见图5.试验时柱顶放置320 t油压千斤顶将轴力加到预定值(轴压比0.2).左右两边梁下各放置1个60 t单向千斤顶,通过油泵在梁端施加反对称荷载.采用力、位移混合加载控制方法[13],在弹性阶段采用荷载控制加载,且每次加载循环1次,待试件屈服后,采用位移控制加载,每级位移荷载循环3次,加载一直进行到荷载下降到极限荷载的85%.

表1 试件编号及类型

图4 新型节点详图(单位:mm)

图5 加载装置

3.3 材料的力学性能

试件制作材料均根据设计要求选择,每一批混凝土均留设3个混凝土立方体试块,试块在同等条件下进行养护.根据钢筋的规格型号,每种钢筋分别取样3根,进行材料性能试验,从而获得材料真实强度,钢筋的力学性能如表2所示,混凝土力学性能如表3所示.

表2 钢筋的力学性能

表3 混凝土的力学性能

4 试验结果分析

4.1 试件破坏过程及破坏形态

各个试件虽然构造不同,但破坏过程都经历了3个阶段,即弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段.图6为各个试件在试验中的最终破坏形态.

加载过程中,XJ节点的开裂荷载较预制节点开裂荷载高,XJ节点开裂荷载为35 kN,预制节点开裂荷载基本都在25 kN左右,第1道裂缝都出现在预制梁键槽内新老混凝土结合处.所有节点的最终破坏形态都是梁端破坏,梁端破坏即为梁底纵筋屈服,受压区混凝土压碎,钢筋保护层剥落,直到塑性铰承载力下降到一定程度宣告破坏.发生梁端破坏有利于结构的抗震,本次试验的9个节点都是设计所期望的梁上“塑性铰”弯曲破坏,在试验结束后,梁的底部受力钢筋都屈服(部分试件梁底纵筋发生断裂),梁底混凝土被压碎,而且在梁上形成塑性铰区,满足梁端弯曲破坏的各项特征[12].而节点核心区仅出现几条交叉的裂缝,节点区没有发生严重的剪切破坏,柱端也未出现裂缝.这说明所有试件都符合“强柱弱梁,强节点弱构件”的要求.

(a) XJ

(b) PC1

(c) PC2

(e) PC4

(f) PC5

(g) PC6

(h) PC7

(i) PC8

4.2 节点滞回曲线分析

在结构试验中,受力构件在循环反复荷载作用下的力-位移(F-S)曲线称为构件的滞回曲线[14-15].通过滞回曲线可以了解结构的承载能力、变形能力、耗能能力及延性等力学性能.本文对9个节点进行了分组比较,各节点滞回曲线见图7.

(a) XJ

(b) PC1

(c) PC2

(d) PC3

(e) PC4

(f) PC5

(g) PC6

(h) PC7

(i) PC8

通过9个试件滞回曲线的对比发现:① 在弹性阶段,所有预制装配节点在向上加载与向下加载时滞回曲线与现浇节点形状相似,都呈线性变化,但是随着荷载的进一步施加,待试件进入屈服阶段后,向下加载时,试件有明显的屈服平台,而且形状也较为饱满,而向上加载时,由于钢绞线没有屈服台阶,因此试件滞回曲线没有明显的屈服平台,滞回曲线较现浇节点有一定的捏缩.② 对预制节点底部构造钢筋做无黏结处理,对节点的滞回性能影响不大,其形状较为接近,同时极限承载能力也基本相当.③ 在节点核心区设置附加钢筋,能够较为显著地提高节点的变形能力与承载能力,从而可以提高节点的抗震性能.④ 对比9个节点滞回曲线可以发现,采用钢绞线作为受力筋的预制节点极限承载能力较现浇节点的承载能力高.

4.3 节点刚度分析

结构在反复荷载作用下,其刚度(K)会出现退化的现象.刚度退化实质是反映了结构在反复荷载作用下的累计损伤,是结构抗震性能分析的一个重要指标[15].

通过图8可发现,9个节点的刚度退化曲线总体趋势一致,在弹性阶段,所有节点刚度退化速度较快,但是在进入屈服阶段后,刚度退化随着位移的增加变得趋于平缓.同时可以看出,在弹性阶段现浇节点的刚度大于所有预制节点,主要原因是预制节点在键槽处存在新老混凝土结合面,在弹性阶段,较现浇整体结构刚度要差.但是随着荷载的继续施加,待试件进入屈服阶段后,现浇节点中普通钢筋屈服,刚度下降较快,通过刚度退化曲线可以发现,进入屈服阶段后,预制节点刚度都大于现浇节点刚度,说明预制节点键槽内箍筋的加密以及钢绞线应力的增大对构件刚度贡献较大.预制节点在节点核心区设置附加钢筋的PC1,PC2,PC7,PC8较其他预制节点刚度大,这说明节点核心区设置附加钢筋对试件的刚度有一定贡献.

图8 节点刚度退化曲线

4.4 节点耗能

为了进一步了解SPCF节点的耗能能力,选用等效黏滞阻尼系数he作为耗能指标来对比9个不同构造、不同装配方式的装配节点在不同加载周期时的耗能能力.等效黏滞阻尼系数与能量耗散系数类似,等效黏滞阻尼系数越大,结构的耗能能力就越好,越有利于结构的抗震.如图9所示,等效黏滞阻尼系数he计算公式如下[13]:

各个试件在不同加载特征周期计算出来的等效黏滞阻尼系数见表4.

由表4可看出,预制节点在屈服阶段的耗能能力较现浇节点小,但随着荷载的不断施加,待试件进入极限承载阶段时,预制节点的耗能能力明显增加,特别是在节点核心区设置附加钢筋的节点在极限荷载阶段,耗能能力都超过了现浇节点.

图9 等效黏滞阻尼系数计算示意图

构件编号屈服荷载的he极限荷载的he XJ 0．19630．1787 PC10．07910．2324 PC20．02820．2381 PC30．08240．1174 PC40．04420．1810 PC50．04530．1870 PC60．06140．1345 PC70．05240．2347 PC80．08370．2431

5 结论

1) 节点最终破坏形态都为梁端的弯曲破坏,节点核心区只是出现几道微小的交叉裂缝,说明所有试验节点都满足现行规范“强柱弱梁,强节点弱构件”的要求,同时在预制梁中施加预应力,该新型节点可以应用于跨度较大的建筑物中.

2) 对梁底部构造钢筋做局部无黏结处理,对节点受力性能影响较小.可以考虑对键槽内钢绞线进行一段无黏结处理.

3) 节点核心区不设置附加钢筋的预制节点无论是极限承载能力还是最终的变形能力,都较设置附加钢筋的预制节点小,同时,附加钢筋对提高节点的刚度也有一定的作用,总体上,节点核心区设置附加钢筋对提高节点的抗震性能是有益的.

4) 在试件进入屈服阶段之前,所有预制节点的耗能能力较现浇节点弱,但是随着荷载的继续施加,待试件达到极限荷载前,预制节点的总体耗能能力都有较大提高,部分试件的耗能能力超过现浇节点,说明预制节点有着较大的安全储备.

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Seismic experimental study on strands anchored precast concrete frame connections

Yu Jianbing1,2Guo Zhengxing2

(1College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China) (2School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to study the seismic performance of precast concrete connections of anchored prestressing strands in frame, the low-cycle reversed loading test was conducted on eight full-scale precast connections and one cast-in-place connection. The failure mechanism, hysteretic behavior, stiffness degradation and energy dissipation capacity of the precast connections were discussed. The experimental results show that additional reinforcement arranged in the core region can effectively enhance the bearing capacity and deformation capacity of the connections, while the plastic hinge of the beam can also be moved toward outside. In pre-loading, the hysteresis loop area of precast connections is smaller than that of cast-in-place connection, but as the loading continued to be applied, the hysteresis loop area of precast connections is almost equal to that of cast-in-place connection. It can be concluded that the energy dissipation capacity of precast connections is poorer than that of cast-in-place connection in the preliminary stage, however, the energy consumption is equal to or even more than the cast-in-place connection in the later stage. Through the comparison of the above seismic performance, it is found that the precast concrete connection of anchored prestressing strands in the frame can satisfy the requirements of the seismic code.

precast assembly; low-cycle reversed loading test; hysteresis performance; dissipation capacity; seismic performance

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.021

2016-12-31. 作者简介: 于建兵(1983—)，男，博士,讲师，jlyujianbing2008@163.com.

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0701703).

于建兵,郭正兴.钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点抗震试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(4):760-765.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.021.

TU317.1;TU398.2

A

1001-0505(2017)04-0760-06