预制装配式混凝土斗拱节点抗震性能试验研究

张敏

郑州商学院 河南 巩义 451200

引言

随着我国民众生活水平不断推升，其旅游文化休闲的需求也随之增大，各地区在实际发展过程中也积极加强文化类旅游场所的设计与建设，一大批仿古建筑也随之涌现。考虑到木质结构的固有缺陷，仿古建筑设计与建设过程中将木制材料转变为钢筋混凝土材料，考虑到仿古建筑所采用现代建筑材料及结构连接模式与古建筑之间存在较大差异性，这就使得二者受力点也存在显著不同，具体体现在斗拱连接处等方面。由此，当前行业内在实际发展过程中，也针对混凝土斗拱节点抗震性能等方面进行较为深入的研究。

1 混凝土斗拱节点抗震性能试验设计

为深入探究混凝土斗拱节点抗震性能变化情况，技术人员决定制作4个同等规格的混凝土斗拱构件进行抗震性能试验。4个试件均为浇筑制作的底宽及高度规格分别为1.3m以及1.96m的混凝土斗拱构件。

试件采用强度等级为C35的混凝土材料，混凝土柱长度以及保护层厚度分别为1500mm以及30mm。纵筋以及箍筋分别采用HRB335级钢筋以及HPB300钢筋，试件截面尺寸及应变片布局如图1所示。

图1 试件及应变片示意图

本次研究中将采用100tMTS伺服加载系统进行低周往复加载试验。具体试验过程主要参照《建筑抗震试验方法规程》要求，利用位移控制加载方式开展试验活动，具体加载试验主要分为预加载以及位移控制加载两部分，并采用DH3816静态采集仪对加载数据进行采集[1]。

本次试验中将通过低周往复荷载试验探究轴压比及斗拱配重对预制混凝土斗拱阶段抗震性能影响进行探究，具体试验中，技术人员设定A1、A2以及A2三组保持同等轴压比，以斗拱上部配重为主要参数变量；A3以及A4两组则设定保持同等上部配重，以轴压比作为主要参数变量。具体如表1所示。

表1 试件能耗性能对比

表1 试件分组情况

2 试件试验过程及结果

2.1 试件A1试验结果分析

试样A1具有0.4（柱顶部压力1120kN）的轴压比，并且800N的配重被施加到斗拱上部。在荷载作用初期，A1形貌未发生明显的改变，试样的横向位移很少，属于线性弹性阶段。在7mm的水平位移下，混凝土拱背发生横向开裂，其承载力为102kN。随着变形的不断增大，钢筋混凝土柱面上的垂直和倾斜的裂纹越来越多，并且裂纹的发展也越来越迅速。同时，随着水平位移的增大，混凝土斗拱的端部也会产生新的裂纹。柱间横向裂缝发育情况明显，裂缝宽度增加。

2.2 试件A2试验结果分析

试样A2具有0.4（柱顶部压力1120kN）的轴压比，并且将2000N的重量施加到斗拱上部。在钢筋混凝土柱底部，在侧向位移增加到7mm的情况下，出现了一个很小的横向水平裂纹，此时试件荷载值仅为103kN。试验结果表明，A2在荷载作用下的初始载荷与A1、A2相同，而上部混凝土斗拱的重量对其应力状态的影响不大。当试样的横向位移增大到16mm时，A2的荷载为188kN。在此期间，斗拱座斗部出现了贯穿的垂直裂纹，并且在混凝土柱面上裂纹的数目和宽度都有较大幅度的增加。但在达到极限位移后，试样表面出现裂纹，同时地基和柱子之间的混凝土出现了大量的剥落，甚至可以看到柱子的纵向钢筋。试验结果表明，试样的整体失效比较突然，延性不佳。

2.3 试件A3试验结果分析

试样A3具有0.3的轴压比（柱顶部压力840kN），并且将2000N的重量施加到斗拱上部。试验结果表明，在试验构件侧向位移达到5mm后，在拱背侧混凝土柱的中间部位产生了两条细小的对称裂纹。在此基础上，在梁体上产生了一条12cm左右的横向裂纹，并在其周边形成了许多细小的斜缝。随着载荷的不断增加，裂纹的发展也越来越频繁。在初期，横向裂纹扩展明显，并贯穿了混凝土柱面。最后，在试样的横向变形量达到27mm时，其荷载降低到162.6kN。

2.4 试件A4试验结果分析

试样A4具有0.2的轴压比（柱顶部压力值560kN），并且将2000N的重量施加到斗拱上部。在A4载荷作用下，裂纹的发展与Z-4的裂纹发展过程基本一致。在水平位移为6mm的情况下，在地基和混凝土柱间的交界处，出现了一次水平开裂，其初始应力为109kN。与A3、A2相比，随着最大水平位移的增加，裂纹发展状况得到了明显的改善，变形能力也得到了很好的提高。在水平位移增大到11mm时，在混凝土斗拱端部的薄弱位置，有一条8cm长的垂直裂纹。该地区的裂缝发育有明显的发展趋势，并伴有多条斜裂。混凝土斗拱的失效形式是竖向和剪力破坏。然后，在距柱脚15cm的水平裂缝贯通。柱底部的破坏形式以弯剪破坏和弯曲破坏为主。试验结果表明，在178kN的条件下，其横向变形量为21mm，混凝土保护层破碎，混凝土碎屑开始剥落。最终试样的负载值降低到0.85Nu（162.6kN），加载结束。

2.5 试件A5试验结果分析

试样A5具有0.2的轴压比（柱顶部压力值560kN），并且将2000N的重量施加到斗拱上部。在A5载荷作用下，裂纹的发展与Z-4的裂纹发展过程基本一致。在水平位移为6mm的情况下，在地基和混凝土柱间的交界处，出现了一次水平开裂，其初始应力为109kN。与A4、A3相比，随着最大水平位移的增加，裂纹发展状况得到了明显的改善，变形能力也得到了很好的提高[2]。在水平位移增大到11mm时，在混凝土斗拱端部的薄弱位置，有一条8cm长的垂直裂纹。该地区的裂缝发育有明显的发展趋势，并伴有多条斜裂。

3 混凝土斗拱节点抗震性能分析

3.1 斗拱构件延性

本文研究中以为位移延性系数进行表示，其计算公式如下所示。

通过对计算结果进行分析可知，4组试件阶段延性系数均分布在3～4区间范围内；通过对各组试件进行对比分析可知，各组试件正负向位移延性系数间存在较为显著的差异性，且均为正向系数大于负向系数，通过对其进行深入研究可知，受各试件正负向刚度存在差异性情况影响，试件负向刚度大导致试件受拉屈服过程中位移幅度较大；各试件滞回线正向推力明显小于负向拉力，这就使得各试件在受拉过程中出现破坏的概率相对较大；试件延性会随着轴压比以及配重提升而降低。

3.2 试件耗能性能

从技术角度分析，试件的耗能性能可理解为在反复荷载作用下，构件针对相应能量进行吸收以及消散的能力，其是判断结构抗震性能的重要指标，其通常情况下会通过荷载-位移曲线的滞回环涉及面积对该指标系数进行测算，性能会随着面积提升人提升。通常情况下，对结构耗能性能的测算主要通过等效黏滞阻尼系数进行，结构耗能性能会随着系数提升而提升，其计算公式如下所示。

通过对表中数据进行分析可得出如下结论：

第一，有表中数据可知，在位移逐步增大情况下，各试样的等效黏滞阻尼系数也相应地增加，且其累积的能量消耗也会随测试时间的延长而增大。通过比较，确定了当量黏滞阻尼系数的取值范围为0.2831～0.3324。

第二，试件在屈服情况下，由于栌斗以及混凝土柱底部均出现屈服，其耗能特性已初步显现；在达到塑性限的情况下，由于柱底混凝土的塑性进一步发展，其耗能特性显著改善；在试验构件失效后，由于斗拱的栌斗、昂、翘等分布的连接处都出现裂缝，钢筋混凝土柱的基部出现失稳，其耗能特性也随之增大，并达到了最大。从这一结果可以看出，在试件的结点处，材料的塑性发育比较充分，显示出了良好的耗能特性。

第三，比较试件2、3和4可以发现，随着轴压比的增加，它的弹性周期变短，从而使试件进入塑化阶段的时间变短。假定位移条件相同，则能量消耗越大，其性能发挥越充分。由此可得出结论，轴压比和累积耗能呈逆向关系，累积耗能会随着轴向比降低而提升，其延性也会随之提升。试件A4的累积耗能最大值为0.2，表明其具有良好的延性性能[3]。

4 结束语

综上所述，由试验研究结果可得出如下结论：第一，试件正负向荷载特征值存在较为显著的差异，主要原因在于试件主要采用非对称结构设计，且焊缝的存在使得试件的昂、翘等于混凝土柱连接部分出现破坏的概率相对较大，进而导致内力传递效果被削弱；第二，混凝土斗拱节点虽然与传统斗拱结构存在显著差异，且不具备传统斗拱结构的减震、抗震能力，但是在混凝土斗拱结构结构塑性变形能力充分发挥情况影响下，其耗能性能较为显著，混凝土柱轴压比对装配式混凝土斗拱节能耗能影响较为显著。