新型装配整体式柱的抗震性能试验

王玉良，曹智行，何明兴，姜维山

（1.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；2.西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055）

住建部《“十三五”装配式建筑行动方案》[1]明确指出：到2020年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%，其中重点推进区达到20%以上.混凝土装配整体式结构在未来很长一段时间内是我国建筑工业化的发展方向.

装配整体式结构大量运用于实际工程仍然面临诸多问题，要想解决阻碍装配整体式结构发展的问题，首先就得解决节点连接问题.李宏男教授在《地震工程学》[2]中指出：节点的抗震强度很大程度上决定着装配整体式结构整体的抗震性能.国内外专家学者对于装配整体式结构节点连接问题进行了具有实际工程意义的研究：2008年，东南大学的汪梅[3]对新型的完全装配式的柱-柱干式混凝土框架柱进行了试验研究；2009年，广州大学李楠等[4]对在低周反复荷载作用下混凝土浇筑整体梁柱接头的新连接方法进行了试验探究，结果表明，梁底纵梁加筋的接头构件的抗震性能可以满足强柱弱梁和更强节点的要求；2010年，蔡建国等[5]研究了使用型钢连接梁柱接头部件，并分析了预制混凝土框架抗弯曲能力体系的抗震性能；在1998年，Alcocer等[6]对预制混凝土节点进行了反复加载；2002年，Lam[7]在预制混凝土框架中测试了两种类型的梁柱接头，并研究了它们在模拟地震运动的影响下，单向和双向往复载荷的抗震性能.

装配整体式结构的抗震强度在很大程度上受柱-柱连接好坏的影响，故笔者提出一种预制装配式柱的连接方法：即预制装配式柱接头处采用高强钢管外包连接，高强钢管用横向穿筋和预制装配式柱连接，穿筋和高强钢管通过焊接连接；并用具有高强速凝性的灌浆材料在外包钢管与混凝土柱的间隙进行灌浆，使节点具有不低于现浇柱的整体性.此方法称之为“局部外包钢管连接装配整体式框架柱接头”.通过低周反复加载试验来研究柱连接的整体性以及抗震性能，观察其是否可行；再将装配式柱的抗震性能与现浇柱的抗震性能对比，看此柱接头是否可靠.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

图1 装配式柱构造

试验共设计2个试件，分别为PRCC、RC；其中PRCC为局部外包钢管连接装配整体式框架柱，以下简称为装配式柱；RC为现浇对比柱，简称现浇柱.装配式柱与现浇柱的试验轴压比为0.6；装配式柱与现浇柱的柱高皆为2 700 mm，装配式柱由1 200 mm高的上柱和1 500 mm的下柱装配而成，接头处留有预留孔，穿筋通过接头处的预留孔，与Q235级扁豆型花纹钢板焊接形成的外包矩形钢管焊接连接；现浇柱为整体现浇.装配式柱与现浇柱的纵筋均为直径22 mm的HRB400级的钢筋.装配式柱与现浇柱的详细构造见图1-2，设计参数见表1.

图2 现浇柱构造

1.2 加载装置与测试内容

文中试验采用拟静力加载方式，对柱进行循环反复加载之前，在柱顶用液压千斤顶施加恒定的荷载，以满足轴压设计值的要求.其中千斤顶与反力架之间为滑动连接，这样轴压就不会对试件的位移产生阻力影响.地震作用采用1 000 kN电液伺服作动器模拟.柱子屈服前，按照理论计算极限荷载的10%分级加载；试件屈服后按照屈服位移的整数倍分级加载.在柱-柱接头处布置电阻应变花，柱底部纵筋布置电阻应变片，通过应变变化观测柱子的破坏形式.柱顶端和柱中点处位置布置位移计，以测量试件的水平位移.加载装置见图3.

表1 试件试验参数

图3 试验加载装置

2 试验过程与破坏现象

对柱子的低周反复试验是以柱子底部纵筋的应变来判断试件的屈服.装配式柱和现浇柱破坏形态分别如图4-5所示.本次试验破坏过程及现象如下.

图4 装配式柱破坏形态

图5 现浇柱破坏形态

装配式柱：水平荷载加至150 kN时，柱底开始出现水平微裂缝；荷载加至180 kN时，柱底侧面开始出现斜裂缝；荷载加至210 kN时，柱底纵筋开始屈服（△y=14.1 mm）；荷载加至近4△y，柱底混凝土被压碎.总之，受拉侧钢筋先达到屈服，最终导致受压区边缘混凝土压碎，截面破坏，装配式柱的破坏特征符合大偏心受压破坏.

现浇柱：当荷载加至210 kN左右时，开始出现水平微裂缝；继续对试件加载，裂缝的数量沿着柱底向上发展，裂缝宽度有所变宽；当荷载加至250 kN左右时，钢筋已经屈服，并确定柱子的屈服位移为14.6 mm.此后试验按照位移加载，当正向位移加载至3△y时，柱底与底梁相接处高度15 cm范围内的混凝土保护层发生剥离，并脱落，大面积混凝土压碎；纵向钢筋以及高强螺旋箍筋外露；当位移加载至85 mm时，荷载己下降到最大荷载的60%以下，停止加载.

3 试验结果与分析

3.1 装配式柱与现浇柱滞回曲线对比

装配式柱和现浇柱的滞回曲线如图6所示.

图6 试件滞回曲线

由图6可知：当荷载较小时，裂缝开展较少，滞回曲线近似呈现直线型，由于足尺试件刚度较大，且几乎没有裂缝的出现，此时试件可以抵抗水平荷载的作用，耗能很小；直至试件屈服后，在循环往复的荷载作用下，同一位移处，装配式柱的循环曲线更加接近，因此装配式柱曲线呈现出很饱满的梭形，耗能能力更优，这一定程度上与装配式柱由钢结构连接有关；而现浇柱的滞回曲线的饱满程度不如装配式柱的，而且出现了一定的“捏缩”效应，显示出现浇柱受到了一定的滑移影响；曲线的斜率随着荷载的增加而下降得越来越快，这表明装配式柱和现浇柱的刚度退化加快.总之，两者的滞回曲线呈现梭形，现浇柱的滞回曲线的饱满程度不如装配式的.通过比较两者滞回环面积来判断耗能和延性，装配式柱优于现浇柱.

3.2 装配式柱与现浇柱骨架曲线对比

装配式柱和现浇柱的试验轴压比均为0.6，将二者的滞回曲线和骨架曲线绘于同一坐标系，对比结果如图7所示.

图7 装配式柱与现浇柱抗震性能对比

3.3 装配式柱与现浇柱耗能性能对比

在地震作用下，常用等效黏滞阻尼系数he来表示结构或建筑构件的耗能能力，试件he-位移对比曲线如图8所示.系数he越大，表示耗能性能越好[8].

图8 试件等效黏滞阻尼系数-位移对比曲线

由图7-8可知，两试件从荷载开始加载到一定刚度退化期间，两者的等效黏滞阻尼系数的大小很接近；只是两试件屈服后，装配式柱系数发生了突变.就整个试验加载过程而言，结合两者的骨架曲线可以得出：现浇柱的滞回曲线的饱满程度不如装配式柱的，通过比较两者滞回环面积来判断耗能和延性，装配式柱优于现浇柱.

3.4 装配式柱与现浇柱延性对比

延性是构件或结构重要的抗震性能指标，本文采用位移延性系数来分析其延性性能[9]，其表达式μ=Δu/Δy，其中Δu为构件的极限位移，取骨架曲线上荷载下降至峰值荷载的85%时所对应的位移；Δy为试件的屈服位移，数值为试验中正向加载屈服位移和反向加载屈服位移的平均值.试件的试验参数及延性系数见表2，抗震性能指标见表3.

表2 试件延性指标

表3 抗震性能指标

4 结论

（1）局部外包钢管连接装配整体式混凝土柱滞回曲线呈饱满的梭形，与现浇柱相比，两者峰值荷载接近，但其滞回环饱满程度优于现浇柱；通过比较两者滞回环面积来判断耗能和延性，装配式柱优于现浇柱.

（2）通过对试验现象的观察以及柱底受拉侧主筋应变变化，可以判断局部外包钢管连接装配整体式混凝土柱为大偏心受压破坏.

（3）局部外包钢管连接装配整体式混凝土柱的柱-柱接头没有发生拔离破坏，外包钢没有屈服，外包钢一定程度上弥补了非整体浇筑造成的刚度缺陷，其整体刚度与现浇柱接近，表现出较好的抗震性能.

（4）局部外包钢管装配整体式柱接头连接可靠，具有良好的抗震性能，且施工程序简单，可操作性强，值得深入研究和推广使用.