装配式半刚性梁柱螺栓连接节点抗震性试验研究

丁克伟, 韩苗兰, 李兴龙

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

装配式混凝土结构是现代建筑的主要结构形式,有现浇和装配2种结构形式,是我国建筑产业发展的主要方向和普遍采用的预制混凝土结构体系之一。装配式混凝土结构节点的构造形式对装配式框架结构的抗震耗能至关重要,必须具有较高的承载力和延性,才能保证结构破环时部分构件还能够重复利用[1-3]。

装配式梁柱节点结构形式是影响抗震耗能重要因素之一。国内外学者对节点进行了一系列研究。文献[4]提出了装配式梁柱节点通过螺栓连接在强度、延性和耗能与现浇节点相比较都有所提高,表现出良好的抗震性能;文献[5]提出了装配式节点由螺栓将钢板进行加固的方法,能够有效提高梁的承载能力和变形能力;文献[6-7]提出了预制装配式混凝土梁柱节点,说明了预制装配式混凝土梁柱节点的连接是核心技术;文献[8-9]说明了预制装配式混凝土梁柱节点通过可靠的连接方式来提高节点的抗震性能;文献[10]提出了一种在节点核心区预埋低屈服高延性连杆,说明了装配式延性节点承载力高于现浇节点,达到延性设计的要求;文献[11]提出了一种预制装配式钢骨混凝土框架节点,证明了节点的承载能力和较好的延性,说明了节点耗能相对较好。

随着轴压比增大,节点的刚度退化速率增加,延性系数减小。文献[12]提出了一种由钢绞线连接的装配式混凝土框架结构,节点在进入屈服阶段后总体耗能能力都有较大的提高;文献[13]提出一种等同现浇板的新型拼缝结构的叠合板结构,提高装配式在建筑结构中的施工效率;文献[14]提出一种新型的叠合剪力墙,实现了等同现浇结构受力基本相同的要求,在承载力和抗震性能都有所提高;文献[15-16]提出了一种由螺栓连接的结构,研究表明了高强螺栓连接节点力学性能比普通螺栓要好,通过合理的结构设置可以提高结构的整体性能及抗震性能;文献[17]研究了装配式结构,通过浆锚连接与现浇结构进行对比,在承载力和位移延性方面相似,能够满足抗震性能的要求。

本试验采用足尺模型对节点进行耗能分析,选取边节点对梁端采用低周反复加载的方法,主要是为了研究由螺栓连接的节点在达到极限时,预制梁柱结构破坏可以进行修复,对螺栓构件替换,减少不可回收材料的消耗以及节点的抗震耗能情况。本文在试验研究的基础上,采用ABAQUS软件改变轴压比参数对结构耗能、刚度退化进行比较研究。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验前,对构件先进行计算分析,计算模型采用典型的框架平面布置,基本平面轴网3×6跨,设计楼层数为12层的框架结构体系,标准柱跨8.4 m,层高4.2 m。本试验采用8.8级高强螺栓连接的混凝土框架结构,柱、梁均为预制构件,柱为C80牛腿柱,梁为C40T形梁,钢筋均采用HRB400级,钢板采用Q345。节点构件尺寸如图1所示。

图1 节点设计及钢筋配筋图

1.2 试件制作

本试验预制梁、柱均在安徽省建筑结构与地下工程重点实验室的结构大厅完成。梁柱节点之间留有25 mm的空隙,目的是为了反映实际情况,连接通过预留的孔洞采用高强度螺栓连接在一起。梁柱吊装过程如图2所示。

图2 梁柱吊装过程

1.3 材料性能

预制混凝土柱采用C80高强混凝土,文献[18]研究了混凝土强度对构件截面尺寸大小与混凝土强度有关,而本试验混凝土柱采用的是C80高强混凝土,可以减少柱截面尺寸,说明采用高性能混凝土能有效解决使用空间。预制梁采用C40强度等级混凝土,高强螺栓采用8.8级M30,高强螺栓具有受力性良好和可拆卸性强等优点,梁柱节点两侧采用Q345钢板。在节点试验加载前对各种材料进行材性试验。螺栓的力学性能指标见表1所列,混凝土力学指标见表2所列,钢筋及钢板的力学性能指标见表3所列。

表1 螺栓力学性能指标

表2 混凝土力学性能指标 MPa

表3 钢筋及钢板的力学性能指标

1.4 加载装置

本试验在安徽省建筑结构与地下工程重点实验室进行,试验设备采用北京佛力生产的500 kN电液伺机加载系统进行荷载加载,试验装置由锚杆、千斤顶、拉杆和钢墩组成,梁端用固定在反力墙上的多功能电液伺服加载作助动器,并记录相关数据。加载装置图如图3所示。

图3 加载装置图

1.5 加载方案

本试验采用在梁端施加力-位移混合加载的低周往复加载方案,柱顶通过液压千斤顶施加轴力,在柱顶施加500 kN的液压千斤顶,在梁端加载前,对柱进行预加载,试加载通过压力计,分别为5、10、15 MPa的压力进行柱顶压力的确定,最终取3组试验的平均值。第1次加载持续时间要比后2次持续时间长,为了检查梁柱内力和梁柱的拼接间隙得到充分调整,最终在柱顶施加为15 MPa油压时产生的恒定轴力,并保持不变。加载制度如图4所示。

图4 梁端加载制度

梁端加载方案采用力-位移混合加载的低周反复加载方案,向下推为正,向上拉为负,考虑梁的自重,梁端最终加载制度(单位为kN)为:+20,-35;+25,-40;+30,-45;+35,-50;+40,-55;+45,-60;+50,-65;+55,-70;+60,-75;+65,-80;+70,-85。加载至70 kN时,梁位移出现突变,改为位移加载,75 mm为一级,每级循环3次,至125 mm时结束。

2 试验现象及结果

2.1 节点破坏过程

试验规定:+,向下推;-,向上拉。

荷载加载期间,加载+20、-35 kN时,无变形出现;+30 kN时,第1条裂缝在靠近节点核心区梁端上部出现且宽度为0.1 mm;-45 kN时,原出现的裂缝出现闭合;+40 kN时,梁端持续产生裂缝且裂缝宽度也持续增加,裂缝的最大宽度为0.54 mm;-55 kN时,梁上表面产生裂缝基本闭合;+75 kN时,梁产生明显的变形,裂缝的宽度持续增加0.8 mm,在靠近柱梁端节点核心区附近裂缝宽度增加至0.75 mm,梁屈服。

在位移加载期间,85 mm位移时,梁裂缝持续增多,裂缝宽度也增加,且梁的裂缝增加至梁的1/2左右;随着位移加载的增大,裂缝的宽度也在增加;位移为125 mm时,螺栓上的应力迅速降为0,加载结束;最终梁的2/3有裂缝产生,在节点核心区梁端裂缝宽度为12 mm,而柱并没有产生裂缝。节点破坏过程如图5所示。

图5 节点破坏过程

2.2 试验结果

根据ABAQUS软件建立与试验相同材料参数的有限元模型,对试验的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线与模拟结果进行对比如图6所示。

图6 试验滞回曲线与骨架曲线对比分析

从图6可以看出,试验的滞回曲线与模拟的滞回曲线进行对比是有差别的,试验产生“捏缩”比模拟明显严重,这可能是由于钢筋粘结的滑移。模拟滞回曲线的面积持续增加,说明节点的耗能能力良好。而模拟的滞回曲线在滞回曲线常见的结果中属于弓形,但中间也产生“捏缩”效应,但模拟的饱满度比试验要好,也说明了此结构构件具有较好的整体性与抗震耗能能力。从骨架曲线进行比较基本一致,构件的极限承载力基本相同,说明结构符合理论计算结果,为以后装配式框架梁柱节点连接提供了可能性。

3 有限元模拟分析

本文采用ABAQUS软件[19]对不同柱轴压比时参数的变化进行模拟分析,轴压比分别为0.5、0.7、0.9。

3.1 不同轴压比滞回曲线对比

本文模拟轴压比0.5、0.7、0.9的滞回曲线如图7所示,从图7可以看出，滞回曲线呈现出形状基本相似的弓形,但都出现了轻微的“捏缩”现象,节点的滞回曲线比较饱满，说明了构件结构的耗能和抗震性能良好。轴压比增大时,滞回曲线有明显的突变,滞回曲线的单环面积增大,说明耗能能力提高了,但总体的累积耗能减少,说明构件的塑性变形能力减小,小轴压比能够延缓构件的破坏。轴压比增大时,滞回曲线的极限荷载稍有增加，但变化不明显,说明构件的承载力比较好;但当轴压比增大到0.9时,在持续增加位移阶段水平段的位移减小,极限荷载对应的极限位移也减小。

图7 不同轴压比滞回曲线

3.2 不同轴压比对应的刚度退化曲线

不同轴压比对应的刚度退化曲线如图8所示，从图8可以看出,构件的初始刚度基本相同,说明了构件在开始加载时变形不明显;在相同加载条件下,位移随着轴压比的增大而减小,刚度退化速率增加,说明小轴压比能够延缓构件的破坏。

图8 不同轴压比对应的刚度退化曲线

3.3 延性系数

8.8螺栓强度连接的梁柱节点的延性系数见表4所列。

由表4可知,装配式混凝土梁柱节点的试验数据与模拟数据得到的延性系数基本一致,说明由高强螺栓连接的节点是有效的,试验的下压阶段的延性系数小于模拟下压的延性系数,这是由于试验后拆分构件时,螺栓发生了轻微滑移。

表4 构件位移延性系数

4 结 论

本文将试验结果和有限元模拟结果相比较,发现试验和模拟的结果趋势基本一致,并在试验的基础上改变轴压比对节点整体性及抗震耗能的影响。

(1) 最终试验结果表明此干式连接节点具有良好的承载力及耗能能力,是一种可靠的连接方式,说明高强螺栓的连接对结构节点试件有一定的改善作用。

(2) 在轴压比为0.7、0.9时,滞回曲线的单环面积增大,说明耗能能力提高了,但总体的累积耗能减少,从而说明了小轴压比能够延缓构件的破坏。

(3) 从骨架曲线上看试验结果与模拟结果趋势一致,由于模拟是在理想状态,滞回曲线模拟结果比较饱和,说明结构的整体性及抗震耗能都符合设计要求,证明了此结构理论分析是正确的;钢板对螺栓的加固作用是决定结构延性重要的因素之一。

(4) 随着轴压比的增大,在相同加载条件下,构件的初始刚度基本相同。

(5) 装配式混凝土梁柱连接节点的刚度随着轴压比的增大而逐渐减小,说明构件的塑性变形增大。