三层单跨装配式预应力混凝土框架节点的抗震性能研究

胡珊珊,杨晓波

(1.六安职业技术学院 城市建设学院，安徽省六安市正阳路1号 237158；2.蚌埠学院 土木与水利工程学院，安徽省蚌埠市曹山路1866号 233030)

由于现浇钢筋混凝土工程的施工过程工期长、施工质量受制于现场人员和环境等多种因素影响，并可能造成一定程度的环境破坏，我国政府和建设行业对装配式建筑发展给予了高度的关注。在预制工厂先生产好所需构件，再在现场拼接组装，不仅可以节省现场混凝土养护成型的时间，大大缩短工期，还可以保证预制构件良好的工程质量，构件的精确度也精确至毫米级别[1]。近年来，国家出台一系列政策大力推进建筑工业化，包括科技研发、新行业标准的建立和相关技术培训等。因此，装配式混凝土结构符合建筑工业化的特点，是建筑业发展的时代需求[2]。目前装配式钢筋混凝土结构往往在梁—柱节点受力核心区的连接缺乏可靠保证，难以抵抗地震荷载反复冲击，难以保证《建筑抗震设计规范》中“强节点构件”的设计要求，限制了在抗震区的应用范围[3]。因此，梁柱节点核心区的连接缺欠在一定程度上制约了装配式混凝土结构的进一步发展，亟待研究解决。预应力装配式混凝土结构是通过现场施加预压应力把预制梁柱构件装配成整体的结构形式，能有效加强梁柱节点核心区的连接。本文基于一榀三层单跨预应力装配式混凝土框架进行低周反复荷载试验，对框架节点连接处的受力和变形问题进行分析研究。

1 试验概述

试验框架采用一榀平面三层单跨装配式后张法有粘结预应力混凝土框架。试验结构装配过程为：吊装梁柱构件就位→穿预应力钢铰束→张拉施加预应力→环氧树脂填缝→孔道灌浆。在抗震试验之前，采用相同材料制成混凝土标准试块，并用万能试验机进行性能测试，从而确定试验框架混凝土各项力学性能的各项指标，如fcu,k(实测立方体抗压强度标准值)、fck(轴心抗压强度标准值)、fc(轴心抗压强度设计值)和Ec(实测弹性模量)；同时也测试了框架钢筋和预应力筋的fpy(屈服强度)、fpt(极限强度)和E(弹性模量)。试验采用高5.2m、跨度3.3m缩尺模型制作。试验设备由液压伺服加载装置、液压千斤顶和反力架等组成。框架所受的竖向荷载由柱顶安置的液压千斤顶施加，取轴压比0.2；通过反力架配合液压千斤顶对梁跨中施加竖向稳定集中荷载。水平地震力的模拟采用拟静力混合控制加载模式，在试件屈服前按荷载控制，屈服后按位移控制[4]。水平位移控制按动力自由度为3的第一振型设计：1.0：0.85：0.55。加载情况如图1所示。在梁端安置位移计测量梁端转角。为了重点研究节点核心区的应变，在梁柱节点核心区布置了双向90度斜向交叉应变花，连接数据采集仪进行连续测量，并自动记录，如图2所示。

图1 加载示意Fig.1 Loading diagram

图2 节点试验布置Fig.2 Joint test arrangement

2 节点核心区的损伤

利用拟静力试验在每增加一级荷载(位移)后的间歇时间，观测和记录试验框架受力变化的全过程。试验记录了每个节点核心区及其附近梁、柱端裂缝开展的全过程，并绘制框架处于承载力极限状态下节点核心区的裂缝分布及损伤情况，如图3所示。框架破坏时，梁端的受拉钢筋先发生屈服，然后受压区边缘混凝土被压碎破坏，形成塑性铰。塑性铰形成后，能承受一定的弯矩，梁端产生了转动效应，内力重分布，有助于结构能量的耗散。通过裂缝分布及损伤情况分析发现，虽然梁端的混凝土剥落、破坏，但各节点核心区均未发现开裂和受损。这是由于在框架柱竖向力和框架梁水平力的垂直双向受压共同作用下，增强了节点的约束性，减小了混凝土的横向变形，提高了核心区的抗裂能力。

三层左节点 三层右节点Third floor left node Third floor right node

3 节点核心区的抗裂程度

节点是框架结构传力受力的关键部位，依照抗震结构概念设计“强节点，强锚固”的要求，必须严格控制节点核心区的裂缝状态，因此对节点核心区进行抗裂度分析是十分必要的[5]。节点位置混凝土开裂前处于弹性工作状态，符合拉伸压缩胡克定律的假设。钢筋基本不承担抗剪的作用，核心区受到的剪力完全由混凝土承担[6]。据此假定知，节点核心区的主拉应力达到混凝土极限抗拉强度时，节点处于即将开裂的临界状态。截取框架节点为隔离体进行受力分析，由静力平衡条件导出节点剪力的计算公式，如公式(1)所示。由于本试验的框架节点处于纵横两向受压状态，可根据双向应力强度理论，导出核心区混凝土抗剪承载力理论值的计算公式，如公式(2)所示。核心区剪力试验值与理论值比较结果，如表1所示。

(1)

(2)

式中：Vj——核心区剪力值；

hb0——梁截面的有效高度；

∑Mb——核心区左、右两侧梁端弯矩之和；

Hc——柱的计算高度；

Vjc——核心区开裂时所受的剪力；

bj、hj——核心区的宽度、高度；

ft——核心区混凝土的抗拉强度；

σc——柱轴向压应力；

σp——梁轴向预压应力。

表1 核心区剪力试验值与理论值比较Tab.1 Core shear force test value compared with the theoretical value

分析知，Vj/Vjc均小于1，说明在极限状态时节点核心区的实际剪力试验值均小于理论值，节点核心区并不会出现开裂情况；且此时节点核心区最大剪力试验值仅占理论值的54.69%，说明节点核心区有充足的抗裂安全储备。这也印证了试验框架的节点核心区在水平和竖直双向压力作用下，有较强的抗剪能力，满足工程结构抗震设计规范中“强节点”的设计要求。

4 节点核心区的变形能力

节点由于承受梁柱产生的弯剪内力而产生剪切变形。剪切变形会引起梁柱端的变形，使梁柱的弯曲程度进一步增大，对结构不利。往复循环荷载使混凝土逐渐产生塑性变形，在荷载-位移图形上产生滞回环。滞回曲线能反映结构强度、刚度、延性和耗能性能等方面的特征，是分析结构抗震性能和破坏机理的重要方法[7]。本次试验通过测量节点核心区对角线方向布置的混凝土应变，运用剪切变形经验计算公式，计算得到节点核心区的剪切角γ，再通过Origin软件绘制出核心区荷载(位移)-剪切角滞回曲线。部分节点的滞回曲线如图4所示。图中荷载和位移均表示MTS液压伺服加载器施加的水平方向值。

试验发现，大多数节点的剪切角变化情况出现共性特征。加载前期，核心区混凝土处于完全弹性状态，剪切角基本没有变化，图形成斜线形，无明显滞回特征。随着荷载增大，框架进入塑性变形阶段，位移相对于荷载增幅较大，剪切角增加比较缓慢，且最大值较小，远小于极限变形值。位移归零后，底层残余剪切角较大，顶层较小。通过滞回环包络图所包围的面积可以看出，各节点均有一定程度的耗能性能，层数越低，滞回环包络图面积越大，梁端屈服程度越大，耗能性能越强。延性系数分析知，梁端虽有较大的变形，但承载力并没有显著降低，说明梁端的延性较好。

三层右节点Third floor right node

5 节点核心区剪力传递机理

试验研究发现，框架梁端的弯矩是引起节点核心区水平剪力的主要因素。具体来说，框架梁中的预应力钢筋与节点混凝土的粘结力、框架梁与节点之间混凝土的压应力是传递水平剪力的两个主要途径。由于在拟静力反向荷载的反复作用下，节点核心区两侧的预应力钢筋出现拉力与压力的相互转换。这种转换通过预应力钢筋与其表面混凝土的粘结力传递。由于预应力钢筋所受拉力较大，拉压变化区段又比较短，预应力钢筋表面的粘结力很容易遭受破坏。通过绘制的节点核心区剪切角滞回曲线，可以发现：随着加载进行，三层左节点和二层左节点位置的剪切角值不断加大，说明此时梁中预应力筋与节点混凝土的粘结力尚未被破坏；二层右节点位置的剪切角不再随加载发生变化，说明粘结力已接近即将破坏的临界状态；一层右节点位置的剪切角逐渐减小，说明粘结力遭受一定损失，传递剪力的能力逐渐减弱。这可能是由于试验初期灌浆不密实所致。分析知，加强节点预应力钢筋与其表面混凝土之间的粘结性能，减小灌浆等原因造成的损失，才能较好保证节点核心区水平剪力的传递，从而提高节点的整体性和变形性能。

6 ANSYS非线性模拟

运用ANSYS有限元软件模拟了本次试验框架的完整受力过程，进行了非线性分析。首先建立了各种材料的本构关系模型，采用Kent-Park模型的经验公式表达混凝土在多轴应力状态下的应力应变关系，普通钢筋和预应力钢筋均采用弹性强化模型；根据不同材料的特性区别，定义混凝土采用SOLID65单元，定义钢筋采用LINK8单元，并运用工作平面切割体法建立试验框架的空间实体模型。然后采用Boolean calculation方法处理构件连接面；再运用SWEEP or MAP分网规则对框架进行网格精确划分，提高了计算精度[8]。最后进行加载运算，预应力采用降温法施加，外部荷载采用单调加载法进行模拟。部分节点核心区在试验框架处于承载力极限状态下的应力分布情况，如图5所示。

有限元分析结果表明，框架的破坏始于梁端，而节点核心区并未发生破坏，与试验一致；各节的主拉应力出现在对角线方向，与理论分析的主拉应力方向相吻合；节点核心区在框架处于极限承载力状态时，主拉应力均小于混凝土抗拉强度极限，可证明模拟分析框架节点核心区的混凝土没有开裂，与试验情况吻合，再次印证了双向应力状态下的节点核心区符合“强节点”抗震设计要求。各节点核心区在极限状态下，将试验的主拉应力实际值与ANSYS分析的主拉应力模拟值进行比较发现，模拟结果与实际试验结果较为接近，误差范围在28.4%以内。误差是由于模拟采用的混凝土和钢筋等材料的力学性能理论值与实际试验材料的真实值之间的差别、混凝土的离散性和有限元软件建模、网格划分、加载等环节的近似性等原因所致。

三层左节点Third floor left node

7 结论

通过一榀三层单跨装配式预应力混凝土框架的拟静力加载抗震试验，对试验框架处于极限破坏状态时节点核心区的受力及变形状态进行了分析，得到如下结论：

(1)从节点核心区的裂缝分布及损伤情况看，核心区并未出现裂缝，框架破坏发生在梁端。通过抗裂度计算发现，各节点核心区的实际试验剪力值均小于理论值，最大剪力试验值占理论值的54.69%，说明节点核心区有足够的抗裂安全储备。

(2)通过对各节点的荷载(位移)-剪切角滞回曲线分析知，虽梁端屈服程度大，但核心区混凝土在加载过程中始终保持弹性，并未产生过大变形，整体结构具有较好的延性。

(3)由剪力传递机理分析知，加强核心区预应力钢筋与其表面混凝土之间的粘结性能，可以保证节点核心区水平剪力的传递，提高节点的整体性。

(4)ANSYS有限元软件对试验框架的非线性模拟得到的框架节点核心区最大主拉应力分布特征与试验结果基本一致。

上述结论印证了装配式预应力混凝土框架节点在框架柱的轴压力和水平预压应力的共同作用下产生紧固作用。这种连接增强了对节点混凝土的约束性，减小了横向变形，提高了节点核心区的抗裂和抗变形能力，符合工程结构抗震设计中“强节点弱构件”的设计要求，提高了结构整体的抗震性能。可将此方法推广到装配式混凝土结构的实际工程中应用，加快推进我国建筑工业化进程。