預應力裝配式鋼筋混凝土框架結構抗震性能試驗研究

預應力裝配式鋼筋混凝土框架結構抗震性能試驗研究

0預應力裝配式鋼筋混凝土框架預制鋼筋混凝土框架結構是一種新型的裝配結構體系。除了具有一般的拆卸結構的優(yōu)點外，它還具有預制鋼筋混凝土結構的特點。它具有節(jié)約木材、減少重量、高生產效率、高質量、工人勞動強度低等優(yōu)點。環(huán)境保護和全面經(jīng)濟效益的改善。因此，發(fā)展安裝結構是建筑工業(yè)化的唯一途徑。目前,這種結構形式在日本已建成了包括學校、停車場、倉庫及廠房等幾十余棟建筑,表現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性,但我國在這方面的研究尤其是對預應力裝配式整體框架的試驗研究還比較少。預應力裝配式鋼筋混凝土框架是指把預制梁、柱(梁柱中均預留預應力筋孔道)吊裝就位后,將預應力筋穿過梁柱預留孔道(梁端上下部位均設置預應力筋),對其實施預應力張拉,使拼裝節(jié)點和整個結構構成一個受力整體,從而有效地改善了節(jié)點連接。預應力筋既作為施工階段的拼裝手段,又作為使用階段的受力鋼筋承受荷載。本課題組已經(jīng)對這種新型裝配框架的節(jié)點進行了系統(tǒng)研究,本文通過對一榀現(xiàn)澆框架(KJ1)和一榀預應力裝配式框架(KJ2)進行低周反復荷載作用下的試驗,并利用ABAQUS有限元分析軟件對試件建立有限元分析模型,以深入研究預應力裝配式鋼筋混凝土框架結構裂縫分布、破壞形態(tài)、滯回曲線及位移延性等抗震性能。1試驗設計1.1試件結構及錨具設計試驗框架均為兩層兩跨。一榀為目前國內常用的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架(KJ1);另一榀為預應力裝配式框架(KJ2),其中梁、柱均為預制;為了保證KJ2梁端混凝土約束較好,對其框架梁端2倍梁高范圍進行碳纖維布加固。裝配框架試件達到養(yǎng)護條件后就位拼裝,在梁柱預留孔中穿鋼絞線,灌注梁柱接縫,梁柱接縫灌注材料為高強聚合物砂漿,接縫寬度為20mm。養(yǎng)護灌縫高強聚合砂漿達到設計強度75%以上后張拉鋼絞線并錨固。框架的梁、柱、節(jié)點均按“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件”的要求設計?；炷翗颂枮镃50;梁柱縱筋為HRB335鋼筋,箍筋為HPB235鋼筋,柱的配筋率為2.83%,梁的配筋率為1.13%;裝配框架中的預應力鋼筋為?15.2的鋼絞線,錨具采用OVM單孔錨具,張拉控制應力σcon=0.5fptk。制作預應力裝配鋼筋混凝土框架時,在梁的兩端均增設直徑為4mm的螺旋箍筋約束端部混凝土,提高裝配框架梁兩端混凝土的局部抗壓強度,制作完后的兩榀框架如圖1所示。1.2構件加載方法加載方案:試驗水平加載正反向均采用荷載-位移混合控制的加載方法進行,即構件屈服前按荷載控制,分級加載增量相同;構件屈服后采用位移控制。加載方案見圖2。試驗量測的主要內容包括鋼筋應變、節(jié)點裂縫和轉角以及框架整體位移等。2現(xiàn)澆框架的破壞特征從現(xiàn)澆整體框架的破壞特征上看,加載初期,框架柱無變化,在框架梁進入塑性階段后,節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)少量幾條裂縫,中間支座節(jié)點核心區(qū)形成交叉裂縫。整榀框架最后破壞以框架梁兩端和柱根部混凝土被壓壞,整個框架失去繼續(xù)承載能力而告終,符合抗震設計“強柱弱梁”原則。與現(xiàn)澆框架加載方案相同,由于在裝配框架時張拉預應力鋼絞線的原因,在裝配框架完成張拉后,邊柱的一層節(jié)點上柱根部外側有微裂縫出現(xiàn)。從預應力裝配整體框架的破壞特征上看,加載初期,框架梁柱無明顯變化,裂縫出現(xiàn)較晚,整個結構的變形較小,梁柱節(jié)點處的破壞主要集中在梁端。整榀框架最后破壞以框架梁兩端混凝土被壓壞而告終,柱根出現(xiàn)多條裂縫,但柱根受壓區(qū)混凝土沒有較嚴重的壓碎特征。整榀裝配框架符合抗震設計“強柱弱梁”原則。3試驗結果與分析3.1應澆框架與預應力裝配框架的能耗性能對比兩榀框架試件的P-Δ滯回曲線見圖3,其中P為框架頂層施加的水平力,Δ為框架頂部水平位移。從圖3可見:(1)現(xiàn)澆框架試件比預應力裝配框架的滯回曲線較豐滿些,但從整體上看,這兩榀框架都具有良好的耗能能力。(2)由于預應力對框架梁的約束作用,預應力裝配框架試件在荷載較小時呈現(xiàn)出一定的捏攏效應。(3)由于預應力鋼絞線的作用,使得裝配框架的恢復能力要高于現(xiàn)澆框架,這同時導致了裝配框架的滯回環(huán)飽滿程度稍差于現(xiàn)澆框架試件。3.2框架梁的鋼絞線應力預應力裝配式框架結構中,每層框架梁分別在受拉和受壓區(qū)布置一根鋼絞線,兩層框架梁中的四根鋼絞線自上而下編號分別為GJX1～GJX4。由于試件承受水平反復荷載,每層框架梁中的鋼絞線受力特征可近似相同,圖4給出了裝配式框架中頂層框架梁中GJX1和首層框架梁中GJX4的鋼絞線應力變化曲線見。從整個加載過程中看,預應力裝配框架中的鋼絞線在外部荷載較小時,應力變化不大。加載后期,頂層短跨一側梁端混凝土被壓碎,導致GJX1應力降低較大;首層梁端基本完好,GJX4應力表現(xiàn)出隨外部荷載的變化而在一定范圍內規(guī)律變化的特征。3.3結構的延性分析結構、構件或截面的延性是指從屈服開始至達到最大承載能力或達到以后而承載力還沒有顯著下降期間的變形能力。也就是說,延性是反映它們的后期變形能力?！昂笃凇笔侵笍匿摻铋_始屈服進人破壞階段直到最大承載能力(或下降到最大承載能力的85%)時的整個過程。兩榀框架試件的位移延性系數(shù)見表1,可見:(1)從整體框架結構上看,預應力裝配框架試件的位移延性系數(shù)與現(xiàn)澆框架試件相當。這里需要說明的是預應力裝配框架試件的“屈服位移”是一種名義屈服位移,是整個骨架曲線上剛度發(fā)生明顯變化時對應的位移。如何更好地表達這種結構的延性,需進一步探討。(2)由于預應力鋼筋對整個結構的預壓作用,使得預應力裝配框架結構的開裂荷載明顯高于現(xiàn)澆框架結構。(3)在相同荷載在作用下,預應力裝配框架結構的整體位移變形較現(xiàn)澆框架結構小很多。從延性系數(shù)上可見裝配框架要遠好于現(xiàn)澆框架。3.4預應力裝配框架受力分析兩個試件的骨架曲線見圖5。由圖可見:(1)兩榀框架試件在水平低周反復荷載下都經(jīng)歷了彈性、屈服、強化和下降四個階段。(2)在加載前期,由于預應力的預壓作用,使得裝配框架結構在加載初期變形很小,剛度較大;加載后期,由于預應力裝配框架節(jié)點和柱根出現(xiàn)塑性鉸,使得整體框架的剛度開始有所降低,由于梁端加固作用,節(jié)點梁端破壞形式主要反映為連接處一條較大的裂縫。骨架曲線反映出預應力裝配框架試件具有較好的延性。(3)由于裝配框架梁中鋼絞線配置位置距中性軸位置較近,從整體框架的承載力上表現(xiàn)出裝配框架稍低于現(xiàn)澆框架。4試驗結果分析利用ABAQUS建立有限元分析模型,分析模型和計算結果見圖6和圖7,從圖中可見ABAQUS軟件計算的骨架曲線和兩榀框架試驗結果吻合較好。5兩地框架試件性能對比通過對現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架和預應力裝配式鋼筋混凝土框架結構的試驗研究及有限元分析,得出以下結論:(1)兩榀框架試件的破壞機制均為先梁鉸后柱鉸破壞機制。(2)兩榀框架試件的滯回曲線均較豐滿,都具有良好的耗能能力。由于鋼絞線對框架梁的預壓作用,提高了整體框架的恢復能力,相比之下,預應力裝