預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

梁鉸機(jī)制的選擇預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)具有便于控制質(zhì)量、施工速度快、施工環(huán)境好、混凝土收縮裂縫少、混凝土更高強(qiáng)度、減少結(jié)構(gòu)重量等優(yōu)點(diǎn)。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展有利于促進(jìn)中國建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化。將預(yù)應(yīng)力與預(yù)制技術(shù)相結(jié)合則具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)有層數(shù)大多不超過五層、跨度大、承受重力荷載大、梁截面尺寸一般比柱大等特點(diǎn)。與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)不同,由于是重力荷載起控制作用的大跨度結(jié)構(gòu),重力荷載下支座負(fù)彎矩比較大,使得地震作用下在柱兩側(cè)的梁端都出現(xiàn)塑性鉸比較困難。此外,預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁的預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量一般由抗裂度控制。統(tǒng)計(jì)分析表明,裂縫控制等級(jí)為二級(jí)時(shí),僅梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋就可滿足各種荷載組合下的受彎承載力要求,并已有較大的富余。若再考慮按規(guī)范要求配置的普通鋼筋以及現(xiàn)澆樓板內(nèi)的鋼筋參與作用,使梁的抗彎能力明顯超強(qiáng),“強(qiáng)柱弱梁”很難滿足。因此,對(duì)于現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)來說,采用框架內(nèi)柱上下端和邊節(jié)點(diǎn)處梁端出鉸的“混合耗能機(jī)制”是一種較為合理和經(jīng)濟(jì)的選擇。然而,盡管“梁鉸機(jī)制”與“混合機(jī)制”同屬于整體耗能機(jī)制,但前者主要依靠梁端塑性鉸耗散地震能量,而后者同時(shí)依靠梁端和柱端的塑性鉸來耗能,對(duì)柱端延性也有較高的要求。由于柱端塑性鉸的轉(zhuǎn)角延性不易滿足,因而采用混合耗能機(jī)制的框架結(jié)構(gòu)只能設(shè)計(jì)成有限延性框架,即通過增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力來降低延性要求。而對(duì)于預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu),當(dāng)施工階段預(yù)制梁下不設(shè)支撐時(shí),梁的受力分為兩個(gè)階段:在施工階段作為簡支梁承擔(dān)預(yù)制梁、板自重和施工活荷載,張拉預(yù)應(yīng)力筋形成框架后作為框架梁承擔(dān)另一部分恒荷載(粉刷、吊頂、面層、墻體自重等)和使用期間的活荷載。這種兩階段受力使得梁在豎向荷載下支座處產(chǎn)生的負(fù)彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu),從而有效減少了預(yù)應(yīng)力筋的用量。因此,它使得大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的“梁鉸機(jī)制”成為可能。1重視結(jié)構(gòu)的跨中彎矩和節(jié)點(diǎn)連接本文研究的后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。梁一般為預(yù)制預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,柱可為預(yù)應(yīng)力或非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。在梁中和梁柱節(jié)點(diǎn)部分預(yù)留孔道,通過穿過孔道的后張預(yù)應(yīng)力筋將梁和柱連接在一起形成框架后,再進(jìn)行孔道灌漿。結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力筋分為兩批:第一批為預(yù)制梁中曲線或直線形預(yù)應(yīng)力筋,主要承擔(dān)施工過程中框架形成之前簡支梁的跨中彎矩;第二批為直線形預(yù)應(yīng)力筋,同時(shí)起到拼裝結(jié)構(gòu)構(gòu)件和承受彎矩的作用。第二批預(yù)應(yīng)力筋可以為有黏結(jié),也可以在梁柱節(jié)點(diǎn)中及兩側(cè)梁內(nèi)各一定距離設(shè)為無黏結(jié),目的是延緩預(yù)應(yīng)力筋的屈服,使預(yù)應(yīng)力筋在罕遇地震下仍保持彈性,從而提高結(jié)構(gòu)的震后自我恢復(fù)能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度較小時(shí),第二批預(yù)應(yīng)力筋可以通長設(shè)置(圖1(a)),當(dāng)跨度較大時(shí),也可以將上部預(yù)應(yīng)力筋在跨中斷開錨固(圖1(b))。預(yù)制柱上設(shè)置暗牛腿,其作用是抵抗部分梁端剪力,防止罕遇地震下預(yù)應(yīng)力筋預(yù)壓應(yīng)力大量損失后的梁端剪切破壞,并使施工更為方便。此外,梁端一定長度內(nèi)和柱上暗牛腿內(nèi)設(shè)置了加密的焊接鋼筋網(wǎng)片,可以有效約束受壓區(qū)混凝土,提高梁柱連接截面的強(qiáng)度和延性。梁柱連接縫隙中的聚酯纖維砂漿起到連接和找平的作用。加入聚酯纖維的目的是使得砂漿即使在被壓碎后也不會(huì)成塊脫落,從而減少預(yù)應(yīng)力筋中的預(yù)應(yīng)力損失。這種通過后張預(yù)應(yīng)力筋將梁柱進(jìn)行拼接的方式屬于延性連接的范疇,梁柱連接部位的抗彎能力比梁柱構(gòu)件低,地震作用下彈塑性變形只發(fā)生在連接處,而構(gòu)件本身保持彈性。2發(fā)表了關(guān)于預(yù)測預(yù)測結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗疲勞性能的研究2.1節(jié)點(diǎn)區(qū)黏結(jié)、配筋本文分別對(duì)有黏結(jié)(BON組試件)和部分無黏結(jié)(UNB組試件)兩種不同形式的后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土框架中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)。其中UNB組試件在梁柱節(jié)點(diǎn)中及兩側(cè)梁端各一段距離內(nèi)設(shè)為無黏結(jié)。試件的基本形式、截面尺寸及配筋如圖2所示。每組中兩個(gè)試件截面尺寸及配筋完全相同,僅后張預(yù)應(yīng)力筋的偏心距不同。此外,由于UNB組試件穿過節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的預(yù)應(yīng)力筋為無黏結(jié),可以大大降低傳遞給節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力,且核心區(qū)傳力主要為斜壓桿機(jī)構(gòu),即節(jié)點(diǎn)剪力由混凝土承擔(dān),箍筋則主要對(duì)混凝土起約束作用,因此UNB組試件節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋數(shù)量較BON組小。試件主要材料力學(xué)性能見表1和表2。2.2試驗(yàn)程序及控制位移的影響試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。首先由柱上端的油壓千斤頂對(duì)試件施加軸力至預(yù)定的軸壓比值0.2,隨后在左右梁端施加反對(duì)稱的低周反復(fù)荷載。加載程序采用荷載-變形控制法?？紤]到UNB組試件屈服位移較大,按照屈服位移的倍數(shù)為級(jí)差控制加載將導(dǎo)致加載級(jí)別過少,因此試驗(yàn)過程中改為每級(jí)控制位移取比上一級(jí)控制位移增加5mm,并在每級(jí)控制位移下循環(huán)兩次,至試件最終承載力下降至最大承載力的85%左右結(jié)束。試驗(yàn)過程中主要量測梁端的P-Δ曲線,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形,梁柱縱筋、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋和牛腿縱筋的應(yīng)變,并觀測各級(jí)荷載作用下的裂縫開展與試件破壞情況。2.3試驗(yàn)對(duì)象的壓力過程和破壞形態(tài)2.3.1bon組測試(1)梁柱連接處裂縫試件BON-1和BON-2在荷載較小時(shí)均保持彈性,沒有裂縫出現(xiàn)。隨著梁端荷載的增加,首先在左右兩側(cè)梁柱連接截面處出現(xiàn)明顯的彎曲裂縫。該裂縫一出現(xiàn)便迅速向梁的中和軸方向開展,很快就延伸到牛腿的表面附近(約為截面高度的一半位置)。此時(shí)裂縫寬度較小,約為0.1mm,且卸載后完全閉合。隨著荷載的增加,梁柱連接處裂縫不斷開展變寬,梁構(gòu)件上其他相鄰截面幾乎沒有裂縫出現(xiàn)。加載過程中梁柱連接處裂縫開展?fàn)顟B(tài)如圖4所示。受拉鋼絞線沒有屈服時(shí),卸載后殘余變形仍然較小,殘余裂縫寬度也很小。隨著鋼絞線的屈服,試件的殘余變形不斷加大,但與達(dá)到相同位移水平的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比仍非常小,恢復(fù)能力較好。(2)抗起毛文化試件破壞兩試件梁端轉(zhuǎn)角達(dá)到0.02左右時(shí),梁端和暗牛腿內(nèi)受壓區(qū)保護(hù)層混凝土均開始剝落。轉(zhuǎn)角達(dá)到0.035左右時(shí),均出現(xiàn)了牛腿下部保護(hù)層混凝土成塊剝落的現(xiàn)象?；炷帘Ｗo(hù)層剝落時(shí)試件承載力出現(xiàn)短暫的下降,但由于焊接鋼筋網(wǎng)片的約束作用,核心區(qū)混凝土強(qiáng)度繼續(xù)增加,相應(yīng)所承受的荷載值也得以繼續(xù)增加。到試件破壞時(shí),保護(hù)層剝落范圍大約距梁端200mm~250mm左右,局部剝落范圍較大。隨著受壓核心區(qū)混凝土逐漸被壓碎,試件強(qiáng)度逐漸退化。(3)暗牛視頻的破壞與相鄰梁端相比,牛腿混凝土破壞更為嚴(yán)重,這是由于試件制作時(shí)存在誤差,導(dǎo)致暗牛腿鋼筋網(wǎng)片較少,約束混凝土強(qiáng)度較低。由于BON-2試件暗牛腿內(nèi)焊接鋼筋網(wǎng)片配箍率較BON-1試件小,暗牛腿的破壞更為嚴(yán)重。牛腿和缺口梁的陽角處由于試件轉(zhuǎn)動(dòng)過程中承受壓力較大,且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,在較大位移幅值時(shí)局部混凝土被壓碎。這兩個(gè)部位的破壞在梁端轉(zhuǎn)角小于0.03時(shí)并不明顯。建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),宜采取措施適當(dāng)提高牛腿混凝土強(qiáng)度,并采用較短且較高的暗牛腿,使得暗牛腿頂部陽角位于截面中和軸的上部,遠(yuǎn)離截面的受壓區(qū),避免雙向受壓,減少應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而減輕其破壞。(4)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫試件BON-1在梁端位移達(dá)到17.5mmm,BON-2在梁端位移達(dá)到22mm時(shí),節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沿對(duì)角線方向分別出現(xiàn)第一條裂縫,此后繼續(xù)加載,原有裂縫逐漸向核心區(qū)角點(diǎn)延伸,只有較少的新裂縫出現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),核心區(qū)僅產(chǎn)生輕微破壞,裂縫寬度較小。這與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的相符合。2.3.2試驗(yàn)結(jié)果及破壞情況分析UNB組試件試驗(yàn)現(xiàn)象與BON組試件比較類似。與BON組試件相比,由于鋼鉸線直到試驗(yàn)結(jié)束都沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度,梁端位移角達(dá)到0.035時(shí)殘余變形仍然很小,表現(xiàn)出良好的恢復(fù)性能。兩試件均在梁端轉(zhuǎn)角達(dá)到0.02左右時(shí)開始出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土保護(hù)層剝落現(xiàn)象,到試件破壞時(shí),保護(hù)層剝落范圍大約距梁端200mm~250mm左右。試件最終同樣是由于牛腿混凝土被嚴(yán)重壓碎而破壞。試件UNB-1梁端位移達(dá)到29.7mmm,UNB-2梁端位移達(dá)到28.38mm時(shí),節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沿對(duì)角線方向出現(xiàn)第一條裂縫,繼續(xù)加載則裂縫向核心區(qū)角點(diǎn)延伸,同時(shí)伴隨著少量新裂縫的出現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)同樣只產(chǎn)生輕微的破壞。4榀試件的最終破壞情況見圖5。兩組試件在梁端反復(fù)荷載作用下的破壞狀態(tài)基本相同,破壞主要集中在梁柱連接截面附近,塑性范圍較為集中。梁柱構(gòu)件本身及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞較輕微。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),梁柱連接縫隙內(nèi)的砂漿已經(jīng)被壓碎,但由于配置的聚丙烯纖維的作用并沒有成塊脫落,仍然保持原來的形狀。此外,梁柱連接截面沒有發(fā)生垂直方向的相對(duì)剪切滑移,抗剪承載力滿足要求。2.4試驗(yàn)結(jié)果的分析2.4.1返回曲線(1)豎向位移根據(jù)測得梁端荷載、位移值可按下式換算得到梁柱節(jié)點(diǎn)的樓層剪力Q和層間位移角R:式中:QL,QR分別為左右梁端剪力;L、H分別為梁兩個(gè)豎向力作用點(diǎn)間的距離和柱兩鉸接點(diǎn)間的距離;DL,DR分別為左右梁端位移傳感器測得豎向位移。計(jì)算得到試件BON-1和BON-2樓層剪力-樓層位移角關(guān)系滯回曲線如圖6所示?？梢钥闯?兩試件滯回曲線形狀基本一致,位移較小時(shí),預(yù)應(yīng)力筋處于彈性階段,具有較強(qiáng)的恢復(fù)力,滯回環(huán)呈S形,滯回耗能很小,殘余變形也很小。鋼鉸線屈服以后,滯回環(huán)面積和殘余變形均有所增大,但與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比仍然很小。(2)滯回環(huán)面積大、殘余變形小兩試件樓層剪力-樓層位移角關(guān)系曲線如圖8所示。與BON組試件相比,UNB組試件即使在達(dá)到較大位移幅值時(shí),滯回環(huán)面積仍然很小,結(jié)構(gòu)耗能能力較差,但相應(yīng)的殘余變形也較小,恢復(fù)性能較好。此外,與BON組試件類似,兩榀試件的梁端滯回曲線同樣存在不對(duì)稱現(xiàn)象,UNB-1向上變形大于向下變形,UNB-2則正好相反。2.4.2unb組試件結(jié)構(gòu)性能分析兩組試件的樓層剪力-位移角骨架曲線如圖9所示。4榀試件的受力過程均可分為4個(gè)階段:荷載較小時(shí),試件處于線彈性階段;隨著荷載的增加,梁柱連接截面出現(xiàn)彎曲裂縫,力-位移關(guān)系曲線出現(xiàn)一次明顯的轉(zhuǎn)折,結(jié)構(gòu)剛度退化,處于非線性彈性階段;繼續(xù)加載,梁柱連接截面裂縫開展至一定高度,裂縫寬度逐漸加大,受壓邊緣保護(hù)層混凝土開始剝落,有黏結(jié)試件預(yù)應(yīng)力筋開始屈服,試件剛度進(jìn)一步退化,進(jìn)入彈塑性階段;此后繼續(xù)加載,核心區(qū)混凝土逐漸壓碎,試件強(qiáng)度逐漸退化,進(jìn)入破壞階段。每組兩個(gè)試件強(qiáng)度均較接近,表明預(yù)應(yīng)力筋偏心距改變較小時(shí)對(duì)試件承載力影響不大。UNB組試件由于預(yù)應(yīng)力筋最終沒有達(dá)到屈服強(qiáng)度,極限承載力較BON組試件略低。4榀試件最大樓層位移角介于0.359~0.439之間,大于我國抗震規(guī)范規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角限值,具有足夠的變形能力。2.4.3試驗(yàn)件殘余變形圖10為4個(gè)試件殘余變形與對(duì)應(yīng)的位移幅值的關(guān)系?？梢钥闯?位移幅值較小時(shí),BON組和UNB組試件殘余變形相差不大。隨著位移的增加,BON組試件由于預(yù)應(yīng)力筋的屈服殘余變形增長較快,而UNB組試件殘余變形增加速度較慢,恢復(fù)能力較好。2.4.4割線剛度退化曲線隨著加載位移不斷增加,試件的損傷累積會(huì)造成剛度隨循環(huán)周次的增加而逐漸降低。試驗(yàn)得到兩組試件的割線剛度退化曲線見圖11。由圖中可見,4個(gè)試件剛度變化規(guī)律基本一致,梁柱連接截面裂縫開展后試件剛度明顯退化,且UNB組試件剛度退化速度較BON組試件略快。進(jìn)入彈塑性階段之后試件剛度退化速度逐漸趨慢。2.4.5能耗能力分析采用文獻(xiàn)的計(jì)算方法得到兩組試件每級(jí)位移下的能量耗散系數(shù),如圖12所示,可見,當(dāng)位移較小時(shí),兩組試件的耗能系數(shù)均比較小,基本保持在0.3~0.4之間,耗能能力較低。BON組試件隨著梁端位移的增加,尤其是當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋達(dá)到屈服強(qiáng)度后,耗能能力有逐漸增加的趨勢(shì)。到試件破壞時(shí),耗能系數(shù)更是達(dá)到0.6~0.7左右。而UNB組試件由于預(yù)應(yīng)力筋沒有屈服,耗能系數(shù)變化不大,耗能能力較BON組試件差?？傮w來說,兩種結(jié)構(gòu)的耗能能力均較小,只有普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/2左右。3影響暗牛下肢結(jié)構(gòu)的變形因素本文分別對(duì)2榀部分無黏結(jié)和2榀有黏結(jié)后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土框架平面中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn),得到以下主要結(jié)論:(1)4榀試件的破壞模式主要表現(xiàn)為梁柱連接處裂縫的張開以及受壓區(qū)混凝土壓碎,破壞集中在梁柱連接截面附近,塑性區(qū)域范圍較小。梁柱構(gòu)件本身及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞都比較輕微,只產(chǎn)生少量的裂縫。試件梁柱連接截面未發(fā)生剪切滑移破壞。(2)試件暗牛腿的破壞較為嚴(yán)重,影響了其變形能力和延性。建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),宜采取措施提高暗牛腿混凝土強(qiáng)度,并采用較短且較高的暗牛腿,使其頂部陽角位于截面中和軸的上部,遠(yuǎn)離截面的受壓區(qū),避免雙向受壓,減少應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而減輕其破壞。(3)與普通鋼筋混凝土構(gòu)件相比,試件滯回環(huán)面積較小,耗能能力較差,但殘余變形較小,恢復(fù)性能較好。UNB組試件由于預(yù)應(yīng)力筋在梁柱連接截面附近為無黏結(jié),預(yù)應(yīng)力筋最終沒有屈服,因此耗能較BON組試件更小,恢復(fù)性能也更好。(4)4榀試件最大樓層位移角介于0.359~0.4