装配式隔震结构隔震节点抗震性能研究

李婕，许浩

（1.内蒙古建筑职业技术学院建筑工程与测绘学院，呼和浩特 010000；2.上海大学力学科学与工程学院，上海 200444）

1 装配式隔震结构设计、应用的目的

目前，在建筑的施工建设过程中，根据建筑产业现代化的需求，建筑的设计模式、建造方式均发生改变，在保障工程质量的前提下，提高施工效率，满足节能减排的要求，装配式建筑成为主要的发展趋势。在建筑的装配式结构体系中，以装配式混凝土结构为主体，由框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙、框架-支撑结构、框架-核心筒、箱式结构等组成，装配效率高，可以有效提高施工效率，缩短施工周期。地震的发生，会对建筑结构造成严重损害，不仅会产生巨大的经济损失，还会导致建筑内部及周边的人员伤亡。装配式隔震结构设计及应用，能够提高装配式建筑的抗震性能，可以有效应对地震的发生，避免建筑损毁，保障人们的生命财产安全。将先进的隔震技术应用于装配式建筑施工的过程中，制订科学、合理的隔震方案，使建筑具备良好的抗震性能。装配式隔震结构设计、应用，能够产生十分有效的隔震效果，降低地震对于建筑的影响[1]。

2 隔震节点设计对于装配式隔震结构抗震性能的影响

在装配式建筑的隔震结构中，隔震节点设计是十分关键的环节，在很大程度上影响着整体的抗震性能。隔震节点的设计，应该重点关注节点的连接方式、材料力学性能。

1）连接方式。在装配式隔震结构中，梁柱的节点会受到方向力（上、下、水平等）的影响。隔震节点对力的承受能力越好，说明隔震性能越强。隔震节点的设计，可以根据装配式建筑施工的实际需要，制订针对性的节点方案，选择相应的节点连接方式。常采用2 种梁柱节点：其一，预制上柱、下柱，利用千斤顶，对上柱施加轴向压力，下柱进行基座固定，应用作动器，现浇混凝土；其二，上柱、下柱为一体，利用千斤顶，对上柱施加轴向压力，下柱进行基座固定，在节点处现浇混凝土[2]。

2）材料力学性能。在装配式隔震结构的隔震节点，材料的选用，对于抗震性能产生着重要的影响，主要与材料的力学性能有关。在隔震节点中，混凝土的使用方式，会对抗压强度产生一定的影响。在混凝土强度等级相同的情况下，现浇式试件、装配式试件的混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量等性能存在着显著的差异，装配式试件的抗压强度、轴心抗压强度低于现浇式，而弹性模量高于现浇式试件。在装配式隔震结构的隔震节点，钢筋的力学性能，同样也是影响抗震性能的重要因素。选择钢筋材料时，需要对钢筋屈服强度、钢筋极限强度、弹性模量、延伸率等力学性能参数进行检测[3]。

3 试验设计

完成隔震节点设计后，需要对抗震性能进行试验检测，结合检测结果，及时发现缺陷和不足，并对隔震方案做出调整与改进。在试验中，应用1/2 缩尺模型，设计装配式混凝土节点试件（规格：上柱截面400 mm×400 mm；下支墩截面750 mm×750 mm；梁截面：200 mm×325 mm）、整体现浇普通钢筋混凝土试件（规格：与装配试件一致）。针对两个节点试件进行试验对比，评价各自的抗震性能。

3.1 加载装置与加载制度

选择装配试件、现浇试件作为试验对象，针对隔震结构中的隔震节点进行试验。在试验过程中，应该考虑到地震对于隔震结构的影响。在地震场景中，隔震结构的上支墩主要起到承载水平剪力、竖向轴力的作用，无法用于传递弯矩。在试验中，使用连接角钢、连接螺栓固定上支墩，固定于刚性地面。角钢对于上支墩转动并无约束作用，主要用于约束其位移（水平方向、竖直方向）。应用千斤顶连接钢梁，作用于上柱顶部，模拟实际结构承受的轴向压力。在两侧梁端，连接作动器，实施梁端反复加载法。试验装置示意图见图1。

图1 试验装置示意图

在竖向荷载2 000 kN、轴压比0.4 的条件下，向柱顶面施加外力。应用电液伺服作动器，作用于梁端，施加同步反对称位移，进行混合加载（±10 mm 内：按照±1 mm 的规律递增；±10 mm 以上：按照±10 mm 的规律递增）。结合荷载-位移曲线进行分析，针对该曲线的下降段，将荷载降低至试件破坏条件（85%极限承载力），观察试验现象，结合试件的破坏形态进行分析。

3.2 试验现象观察

观察装配式节点试件、现浇式节点试件的试验现象，根据试件的破坏形态，判断其抗震性能。

3.2.1 装配式节点试件

在装配式节点试件的试验中，根据梁端位移加载情况，观察是否有裂缝的形成，确认裂缝的位置。在梁端位移为13 mm左右时，有裂缝形成，裂缝形成位置相距梁柱交界面250 mm左右。在反向加载的情况下，梁端位移为15 mm，有裂缝形成。裂缝形成位置相距梁柱交界面200 mm 左右，同时由梁底延伸。在梁的上表面、侧面，均可见裂缝形成。完成加载后，有通缝形成，由正向、反向的裂缝重合所致。增加加载位移，裂缝会进一步延伸。在梁柱交界面，有斜裂缝形成。加载位移的进一步增加，则会引起混凝土的剥落。混凝土剥落的区域主要位于核心区底部，在混凝土发生剥落后，会出现箍筋外露的情况。

3.2.2 现浇式节点试件

在现浇式节点试件的试验中，通过增大梁端位移加载，观察试件的破坏形态。在梁端位移加载8 mm 左右时，有裂缝形成。裂缝主要位于梁底面，呈人字形。而在浇筑施工界面，存在斜向的微小裂缝，整体较为稳定，并无进一步发展、延伸的趋势。实施反向加载时，在梁端位移加载17 mm 的条件下，有斜裂缝形成，与主裂缝交叉。与此同时，梁底部的人字形裂缝发生闭合。进一步增加荷载，裂缝会出现发展、延伸的情况，导致贯通纵向裂缝的形成，该裂缝位于梁端部。同时有剪切裂缝形成，位于梁上塑性铰区域，呈X 形。在荷载逐渐增加的情况下，裂缝持续扩大，试件遭受破坏的严重程度随之增加。在梁端位移加载50 mm 的条件下，会出现混凝土剥落、箍筋外露的情况。完成试验后，观察装配式节点试件、现浇式节点试件的破坏情况，比较两者的抗震性能。

3.3 试验结果分析

通过对装配试件、现浇试件的抗震试验，结合试验结果，分析两者的抗震性能。

3.3.1 滞回曲线

获取滞回曲线，根据曲线的特征，对于试件的抗震性能进行准确的评估和判断，见图2。

图2 装配试件、现浇试件的滞回曲线

观察装配试件的滞回曲线，具有捏缩效应的特征，与现浇试件的滞回曲线存在明显的差异。根据加载后期的滞回曲线，判断试件有无强度退化、刚度退化的情况。其中，装配试件无强度退化的情况，刚度退化较为轻微。但是在现浇试件中，加载后期的强度退化、刚度退化较为显著，在一定程度上反映出现浇试件抗震性能的下降。发生强度退化、刚度退化现象后，试件梁柱承载力下降，隔震节点的抗震性能明显不及装配试件。在基础隔震结构中，对于隔震节点的承载能力、刚度有着更为严格的要求。在梁端受拉、受压的情况下，观察试件的滞回曲线，表现为曲线不完全对称的特征时，主要与梁的不对称配筋有关。由此可见，在加载位移的情况下，根据滞回曲线的变化，能够准确反映出装配试件、现浇试件隔震节点的抗震性能，装配试件的优势得以充分凸显。

3.3.2 骨架曲线

在隔震结构隔震节点抗震性能的评估过程中，参考滞回曲线的同时，还需要结合结构的骨架曲线进行判断。在装配试件、现浇试件的结构的骨架曲线中，能够反映出结构的强度、刚度性能，对比不同试件的骨架曲线，判断两者在抗震性能方面的差异。相比于现浇试件，装配试件具有更好的承载能力，极限承载能力更高。在装配式隔震结构的设计中，构造连接方式的选择十分关键，对于构件的承载能力产生着重要的影响。

3.3.3 刚度退化

通过对装配试件、现浇试件刚度退化情况的分析，对于结构累积损伤进行评估。试件的隔震节点在荷载的作用下，逐渐形成损伤。在循环往复的过程中，损伤持续积累，进而导致试件的强度、刚度退化。在刚度退化方面，装配试件、现浇试件较为相似，发展趋势基本一致。在试件加载的过程中，由于初始刚度较大，装配试件的刚度退化现象更为显著，但装配试件的刚度始终优于现浇试件。试件发生开裂后，开始出现刚度退化的情况。在试件屈服后，刚度退化现象呈现较为平缓的现象。

3.3.4 延性系数

针对隔震结构隔震节点的塑性变形能力进行评估，获取延性系数指标。在试验中，需要具体掌握梁端竖向极限位移、屈服位移等指标，以极限位移/屈服位移表示延性。在上部受拉、下部受拉的条件下，分别统计装配试件、现浇试件的屈服荷载、屈服位移、最大荷载、极限荷载（约为0.85 最大荷载）、极限荷载对应的位移等多项参数，得出延性系数，对于试件的位移延性进行评价。现浇试件的延性系数高于装配试件。

3.3.5 累积滞变能量

根据装配试件、现浇试件的滞回曲线，在反复荷载作用下，计算累积滞变能量，评价试件的耗能能力。在试件加载的过程中，装配试件、现浇试件初期的累积耗能相近，其中现浇试件的累积耗能呈现平稳增长的趋势，装配试件的累积滞变能量低于现浇试件。结合等效黏滞系数，计算能量耗散系数，对于试件的滞回耗能能力进行评价。在试件加载的过程中，分析装配试件、现浇试件的等效黏滞阻尼系数，初期发展趋势相近，现浇试件的等效黏滞阻尼系数高于装配试件[4]。

4 结语

综上所述，建筑工程的施工建设中，需要根据抗震的需求，进行隔震结构的设计，进而提高建筑整体的抗震性能。在抗震设计中，应用装配式隔震结构，隔震节点的连接方式、材料力学性能，对于抗震性能有着重要的影响，需要科学、合理地进行设计。为了准确评价装配式隔震结构隔震节点的抗震性能，需要进行装配节点的刚度、承载力的评估。在试验中，观察装配试件、现浇试件的试验现象，以滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性系数以及累积滞变能量进行评估，反映出装配试件具有良好的抗震性能。