框架柱托换节点抗震性能研究

李书蓉,张 鑫,岳庆霞,巩善亮

(1.山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室,山东 济南 250101;2.山东建筑大学 土木工程学院,山东 济南 250101; 3.同圆设计集团有限公司,山东 济南 250101)

建筑物整体移位技术可以解决由于旧城区改造、城市规划调整等原因,重要建筑及历史建筑拆除与保护的矛盾。托换技术是建筑物整体移位技术中的关键技术之一。目前,框架柱托换主要采用四面包裹式托换[1],如图1所示。

图1 四面包裹式托换节点

杜健民等[2]研究了不同界面连接构造(结合面凿毛和有界面钢筋)和托换梁配筋对托换节点的破坏形态和承载力的影响,结果表明,由于剪跨比较小,破坏形态均为梁、柱界面冲切破坏,提高托换梁中上部纵筋和配置界面钢筋可以提高托换节点的承载力和延性。刘建宏[3]通过静力试验研究和数值模拟分析发现,随着剪跨比减小,托换节点的破坏由剪切破坏向界面破坏转变。张鑫等[4]考虑剪跨比、托换梁纵筋配筋、配箍率、混凝土强度及梁柱结合面插筋配筋等参数,设计了16个托换节点,竖向静力加载试验结果表明,剪跨比对托换节点的破坏模式和承载力的影响最为显著,提出了托换节点的承载力计算公式,写入JGJ/T 239—2011《建(构)筑物移位工程技术规程》[5],并在试验研究基础上,建立了托换梁的拉-压杆模型[6]。岳庆霞等[7]对配置不同界面钢筋的托换节点进行了静力加载试验研究,结果表明,托换节点的破坏模式主要为界面滑移破坏和托换梁受剪破坏,布置界面钢筋可以改变托换节点的破坏模式,避免发生界面滑移失效。夏风敏等[8]研究了托换梁刚度与竖向变形的关系,在鲁能文昌海天精品酒店平移项目中,取托换梁抗弯刚度为上部结构框架梁刚度的3倍。

目前,对四面包裹式托换节点的受力机理进行了详细而深入的研究,取得了一系列的研究成果。但对托换节点的抗震性能的研究相对较少。我国是地震多发国家,对四面包裹式托换节点的抗震性能研究十分有必要。基于此,本文设计了5个托换节点试件,通过试验研究和数值模拟分析研究结合面高度、界面钢筋参数对托换节点抗震性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

采用1∶2缩尺比例,设计了5个托换节点试件,柱的截面尺寸为300 mm×300 mm,托换梁和托换连梁的宽度均为125 mm,相同高度的托换梁和托换连梁配筋一致。试件主要考虑托换梁截面高度、梁柱界面是否有钢筋及界面钢筋数量对托换节点抗震性能的影响。试件参数如表1所示。试件尺寸和配筋如图2所示。托换梁与框架柱界面钢筋布置图如图3所示。

表1 试件参数

(a) 正立面图

(a) JD1

柱和托换梁及托换连梁的混凝土强度等级分别为C35和C40,实测被托换柱和梁的混凝土立方体抗压强度平均值分别为44.43 MPa和43.89 MPa。钢筋实测的力学性能如表2所示。

表2 钢筋力学性能

框架柱和托换梁分两批浇筑,在框架柱达到设计强度后,对界面进行凿毛处理,然后进行托换梁和托换连梁的浇筑。

1.2 加载和量测方案

采用液压千斤顶对试件施加竖向轴力,试验加载装置如图4所示。为了保证在水平加载过程中,轴力与试件垂直,传感器下面安装球铰。采用MTS伺服作动器施加往复水平荷载,水平加载采用位移控制,每级荷载循环2次,加载初期位移增幅为1 mm,试件屈服后位移加载增幅为2 mm[9]。当构件的承载力下降至最大荷载的85%,停止加载。

试验过程中记录裂缝开展、量测试件关键部位的钢筋应变和混凝土应变,应变片布置如图5所示。

(a) 连梁

2 试验现象及破坏形态

除了JD2,试件的破坏过程基本一致,框架柱、托换梁和连梁先开裂,然后是框架柱与托换梁或连梁的结合面开裂,加载过程中,裂缝发展延伸,加载后期梁和结合面裂缝停止发展,框架柱的裂缝开展迅速,钢筋屈服,最后柱混凝土压碎,试件破坏。以试件JD1为例,加载位移为4.5 mm时,柱出现水平裂缝,托换梁在节点区内产生竖向裂缝并延伸至梁顶面,连梁产生斜裂缝;位移为9.0 mm时,梁柱结合面开裂;加载过程中,裂缝发展、延伸,裂缝宽度不断增大,加载后期,梁和结合面裂缝停止发展,主要表现为柱的弯曲破坏,当加载位移21.0 mm时,柱角部混凝土保护层脱落,27.0 mm时柱受压区混凝土压碎,钢筋露出,试件破坏,卸载后结合面完好,没有残余裂缝,最终破坏如图6所示。

(a) 柱

JD2试件最终破坏为柱弯曲破坏,但由于托换梁高度小,结合面插筋布置少,节点结合面开裂较早,加载后期结合面裂缝不断发展,损伤较严重。具体过程如下:位移为4 mm时,托换梁和连梁出现竖向裂缝,位移增大至6 mm时,梁与柱结合面开裂,同时柱出现水平弯曲裂缝。随着位移增大,结合面发展迅速,加载后期,托换梁和连梁的裂缝基本不再发展,结合面裂缝宽度不断增大,当加载位移为32.0 mm时,结合面裂缝宽度为3 mm,柱角保护层混凝土脱落,最终柱破坏,卸载后,结合面处有残余裂缝。与其他试件相比,试件JD2柱角混凝土脱落时加载位移大,这主要是因为,界面高度为200 mm且界面插筋数量少,转换梁和连梁对柱的约束作用减小,柱破坏出现得晚。

试件最终破坏为柱弯曲破坏,但是结合面开裂及损伤情况略有不同,具体如表3和图7所示。对比试件JD1-JD3和JD4-JD5,托换梁高度相同的情况下,托换梁和连梁与被托换柱界面的钢筋越多,界面开裂越晚,损伤越轻,托换节点的整体性越好。对比JD2和JD4可知,界面钢筋相同的情况下,界面高度越高,节点的整体性越好,界面开裂越晚,界面损伤越轻。

表3 试件开裂位移及结合面损伤情况

(a) JD1

为了说明界面高度对托换节点破坏形态的影响,选择前期试验中未配置界面钢筋的节点往复加载试验进行对比,托换节点的结合面高度分别为200 mm(JD-200)和400 mm(JD-400)[10],试件尺寸和配筋与本次试验一样。JD-200为托换节点破坏,柱与梁界面为薄弱环节,柱的损伤较轻。JD-400是柱弯曲破坏,托换节点的破坏图如图8所示。对比试件JD5、JD-200和JD-400,可以发现界面高度是影响节点破坏模式的关键因素,当结合面高度不低于300 mm时,无论是否有插筋,最终破坏模式都为柱的弯曲破坏。

图8 对比试件破坏图

3 结果分析

3.1 滞回曲线

图9为试件的荷载-位移滞回曲线图,从图中可以看出,加载前期,试件处于弹性工作阶段,滞回曲线基本呈线性循环,卸载后的残余变形很小。随着荷载增大,滞回环的形状呈“梭形”,曲线比较饱满。加载后期,滞回环出现一定的捏缩现象,残余变形较大。

(a) JD1

3.2 骨架曲线

图10为试件的荷载-位移曲线对比图,表4为骨架曲线特征点和延性系数。其中,屈服点采用Park法[11]确定,荷载下降为峰值荷载的85%的点定义为极限点,延性系数为极限位移与屈服位移的比值。由图10和表4可知:①钢筋数量增多,托换节点承载力略有下降,与JD2相比,JD1和JD3的承载力分别下降11.1%和6.7%;②对比试件JD4和JD5,当结合面高度为300 mm时,界面是否配钢筋对节点承载力影响较小,可以忽略;③界面钢筋对托换节点延性的影响规律不明显;④结合面高度对节点承载力和延性的影响显著,对比试件JD2和JD4,结合面高度由200 mm增大为300 mm时,托换节点承载力和延性分别提高13.6%和19.2%。

表4 骨架曲线特征点和延性系数

(a)

3.3 刚度退化

图11为试件的刚度退化曲线,刚度为每个加载幅值下第一次循环的峰值点对应的割线刚度,定义加载位移2 mm时对应的力和位移比值为试件初始刚度,试件JD1-JD5的初始刚度分别为19.35 kN/mm、15.07 kN/mm、20.49 kN/mm、24.77 kN/mm、26.21 kN/mm。当结合面高度为200 mm时,初始刚度随着界面钢筋数量的增加而增大,但当界面钢筋数量达到一定值时,增加钢筋,初始刚度的增幅变缓,与JD2相比,JD1和JD3的初始刚度分别提高28.4%和36.0%,而与JD3相比,JD1的初始刚度提高了5.9%。当结合面高度为300 mm时,托换节点整体性较好,是否布置界面钢筋对节点刚度的影响可以忽略,节点的初始刚度和刚度退化曲线基本一致。对比试件JD2和JD4,结合面高度从200 mm增大到300 mm时,初始刚度提高了64.4%。

(a)

3.4 耗能能力

采用等效黏滞阻尼系数反映试件的耗能能力[12-14],等效黏滞阻尼系数随加载位移的变化如图12所示。由图12可知,当结合面高度为200 mm时,界面钢筋数量影响节点的耗能,但当界面钢筋数量达到一定数量时,对耗能能力的影响不明显。当结合面高度为300 mm时,是否有界面钢筋对托换节点的耗能能力基本没有影响。当结合面高度从200 mm增大到300 mm时,托换节点的耗能能力显著提高,加载位移为22 mm和30 mm时,与试件JD2相比,试件JD4的等效黏滞阻尼系数分别提高19.4%和47.0%。

(a)

3.5 钢筋应变

图13为界面钢筋在每个加载步峰值下的应变曲线图,JD2界面钢筋应变在加载过程中陆续破坏,仅列出应变片破坏前的数据。当结合面高度为200 mm时,托换梁(连梁)与柱的整体性相对较弱,界面钢筋起作用,在往复荷载下JD1部分界面钢筋屈服,而试件JD2的界面钢筋较少,钢筋承受的力较大,其钢筋应变大于试件JD1的界面钢筋应变。当结合面高度为300 mm时,节点的整体性较好,往复荷载作用下,界面钢筋都没有屈服。

(a)

4 有限元分析

根据试验结果,可以发现结合面高度为300 mm的托换节点抗震性能高于结合面高度为200 mm的试件,对300 mm×300 mm的框架柱,建议托换梁的高度不小于300 mm,因此选择结合面高度为300 mm的托换节点进行数值模拟分析。

4.1 有限元模型建立

选用有限元分析软件ABAQUS进行建模分析。钢筋采用三维一次桁架单元(T3D2),混凝土采用8节点减缩积分实体单元(C3D8R),钢筋通过“Embeded”命令嵌入到混凝土中,不考虑钢筋与混凝土的滑移。托换梁(托换连梁)与框架柱结合面采用面与面接触,接触属性中,法向作用设为“硬接触”,界面可以传递压应力,切向采用库伦摩擦模型[15],摩擦因数参考欧洲规范[16],新旧混凝土表面粗糙化处理时,摩擦因数为0.7。有限元模型如图14所示。

图14 ABAQUS有限元模型

采用损伤塑性模型(Concrete Damaged Plasticity)模拟混凝土材料的非线性行为,混凝土的受拉和受压损伤因子采用Birtel[17]建议的方法计算。钢筋采用双折线模型,屈服强度根据材性试验确定。

4.2 有限元模型验证

对试件JD4和JD5进行单向推覆分析,将得到的力-位移骨架曲线与试验得到的骨架曲线对比,结果如图15所示。图16为混凝土在柱高度方向的压应变,图中深灰色表示应变超过混凝土极限压应变0.003 3,结果表明,试件发生柱的弯曲破坏,混凝土压碎,与试验结果一致。

(a) JD4

图16 JD5混凝土损伤图

4.3 模型对比分析

为了进一步分析梁高300 mm的托换节点抗震性能,假定梁柱现浇,其他参数与JD5相同,记为JD5′。另外,考虑试验中梁高300的界面钢筋仅有一个参数(212),补充钢筋界面配有414、516的托换节点试件,分别记为JD6、JD7。

图17(a)为梁柱整体浇筑和托换节点分开浇筑的骨架曲线对比图。由图17(a)可知,JD5′的刚度略高于JD5,但荷载峰值和骨架曲线基本一致,说明当结合面高度为300 mm时,结合面黏结较好。增大截面钢筋数量,荷载-位移骨架曲线基本吻合,见图17(b)。

(a)

从结合面脱开距离云图(图18)可以看出,结合面上部脱开的距离比下部大,没有界面钢筋的最大脱开距离为0.753 mm,随着界面钢筋增大,结合面脱开距离逐渐减小,与JD5相比,JD4、JD6和JD7的脱开距离分别减小13.0%、27.5%和32.5%,随着插筋配筋率增大,界面脱开距离的减幅减小。另外,数值分析结果表明,所有节点中的插筋都没有屈服。说明结合面高度为300 mm时,界面钢筋对节点的抗震性能基本没有影响,但在一定程度上可以提高结合面的整体性。而节点在竖向荷载下的试验结果表明,界面钢筋影响竖向荷载下托换节点的破坏模式,基于此,界面钢筋的配置由竖向荷载确定,具体计算方法参考文献[7]。

(a) JD4 (212)

5 结 论

本文对四面包裹式托换节点的抗震性能进行了试验研究和数值模拟分析,主要研究结论如下:

(1) 结合面的高度为200 mm时,界面钢筋会影响托换节点的破坏模式,界面未配置钢筋的节点发生托换节点的破坏,配置界面钢筋的托换节点为柱的弯曲破坏。界面钢筋数量增大,托换节点的初始刚度提高。

(2) 当结合面高度为300 mm时,是否配置界面钢筋对托换节点的破坏模式、初始刚度和承载力基本没有影响,但在一定程度上可提高结合面的整体性。

(3) 结合面高度对托换节点的抗震性能影响显著,增大结合面的高度,结构的承载力、初始刚度、耗能能力显著提高,建议在实际工程中托换梁(连梁)高度不应小于柱截面尺寸。