預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究

預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究

0預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種新型的裝配結(jié)構(gòu)體系。除了具有一般的拆卸結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，它還具有預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。它具有節(jié)約木材、減少重量、高生產(chǎn)效率、高質(zhì)量、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)境保護(hù)和全面經(jīng)濟(jì)效益的改善。因此，發(fā)展安裝結(jié)構(gòu)是建筑工業(yè)化的唯一途徑。目前,這種結(jié)構(gòu)形式在日本已建成了包括學(xué)校、停車場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)及廠房等幾十余棟建筑,表現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)越性,但我國(guó)在這方面的研究尤其是對(duì)預(yù)應(yīng)力裝配式整體框架的試驗(yàn)研究還比較少。預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架是指把預(yù)制梁、柱(梁柱中均預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋孔道)吊裝就位后,將預(yù)應(yīng)力筋穿過梁柱預(yù)留孔道(梁端上下部位均設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋),對(duì)其實(shí)施預(yù)應(yīng)力張拉,使拼裝節(jié)點(diǎn)和整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)受力整體,從而有效地改善了節(jié)點(diǎn)連接。預(yù)應(yīng)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(duì)這種新型裝配框架的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,本文通過對(duì)一榀現(xiàn)澆框架(KJ1)和一榀預(yù)應(yīng)力裝配式框架(KJ2)進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn),并利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)試件建立有限元分析模型,以深入研究預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)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(yàn)設(shè)計(jì)1.1試件結(jié)構(gòu)及錨具設(shè)計(jì)試驗(yàn)框架均為兩層兩跨。一榀為目前國(guó)內(nèi)常用的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架(KJ1);另一榀為預(yù)應(yīng)力裝配式框架(KJ2),其中梁、柱均為預(yù)制;為了保證KJ2梁端混凝土約束較好,對(duì)其框架梁端2倍梁高范圍進(jìn)行碳纖維布加固。裝配框架試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)條件后就位拼裝,在梁柱預(yù)留孔中穿鋼絞線,灌注梁柱接縫,梁柱接縫灌注材料為高強(qiáng)聚合物砂漿,接縫寬度為20mm。養(yǎng)護(hù)灌縫高強(qiáng)聚合砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%以上后張拉鋼絞線并錨固?？蚣艿牧骸⒅?、節(jié)點(diǎn)均按“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求設(shè)計(jì)?；炷翗?biāo)號(hào)為C50;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(yù)應(yīng)力鋼筋為?15.2的鋼絞線,錨具采用OVM單孔錨具,張拉控制應(yīng)力σcon=0.5fptk。制作預(yù)應(yīng)力裝配鋼筋混凝土框架時(shí),在梁的兩端均增設(shè)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(qiáng)度,制作完后的兩榀框架如圖1所示。1.2構(gòu)件加載方法加載方案:試驗(yàn)水平加載正反向均采用荷載-位移混合控制的加載方法進(jìn)行,即構(gòu)件屈服前按荷載控制,分級(jí)加載增量相同;構(gòu)件屈服后采用位移控制。加載方案見圖2。試驗(yàn)量測(cè)的主要內(nèi)容包括鋼筋應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)裂縫和轉(zhuǎn)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(wú)變化,在框架梁進(jìn)入塑性階段后,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)少量幾條裂縫,中間支座節(jié)點(diǎn)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(gè)框架失去繼續(xù)承載能力而告終,符合抗震設(shè)計(jì)“強(qiáng)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(shí)張拉預(yù)應(yīng)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(diǎn)上柱根部外側(cè)有微裂縫出現(xiàn)。從預(yù)應(yīng)力裝配整體框架的破壞特征上看,加載初期,框架梁柱無(wú)明顯變化,裂縫出現(xiàn)較晚,整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形較小,梁柱節(jié)點(diǎn)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(yán)重的壓碎特征。整榀裝配框架符合抗震設(shè)計(jì)“強(qiáng)柱弱梁”原則。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1應(yīng)澆框架與預(yù)應(yīng)力裝配框架的能耗性能對(duì)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力對(duì)框架梁的約束作用,預(yù)應(yīng)力裝配框架試件在荷載較小時(shí)呈現(xiàn)出一定的捏攏效應(yīng)。(3)由于預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用,使得裝配框架的恢復(fù)能力要高于現(xiàn)澆框架,這同時(shí)導(dǎo)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(yīng)力預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)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(hào)分別為GJX1～GJX4。由于試件承受水平反復(fù)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(yīng)力變化曲線見。從整個(gè)加載過程中看,預(yù)應(yīng)力裝配框架中的鋼絞線在外部荷載較小時(shí),應(yīng)力變化不大。加載后期,頂層短跨一側(cè)梁端混凝土被壓碎,導(dǎo)致GJX1應(yīng)力降低較大;首層梁端基本完好,GJX4應(yīng)力表現(xiàn)出隨外部荷載的變化而在一定范圍內(nèi)規(guī)律變化的特征。3.3結(jié)構(gòu)的延性分析結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的延性是指從屈服開始至達(dá)到最大承載能力或達(dá)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(jìn)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(shí)的整個(gè)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(jié)構(gòu)上看,預(yù)應(yīng)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(dāng)。這里需要說明的是預(yù)應(yīng)力裝配框架試件的“屈服位移”是一種名義屈服位移,是整個(gè)骨架曲線上剛度發(fā)生明顯變化時(shí)對(duì)應(yīng)的位移。如何更好地表達(dá)這種結(jié)構(gòu)的延性,需進(jìn)一步探討。(2)由于預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的預(yù)壓作用,使得預(yù)應(yīng)力裝配框架結(jié)構(gòu)的開裂荷載明顯高于現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。(3)在相同荷載在作用下,預(yù)應(yīng)力裝配框架結(jié)構(gòu)的整體位移變形較現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)小很多。從延性系數(shù)上可見裝配框架要遠(yuǎn)好于現(xiàn)澆框架。3.4預(yù)應(yīng)力裝配框架受力分析兩個(gè)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(fù)荷載下都經(jīng)歷了彈性、屈服、強(qiáng)化和下降四個(gè)階段。(2)在加載前期,由于預(yù)應(yīng)力的預(yù)壓作用,使得裝配框架結(jié)構(gòu)在加載初期變形很小,剛度較大;加載后期,由于預(yù)應(yīng)力裝配框架節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yù)應(yīng)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(yàn)結(jié)果分析利用ABAQUS建立有限元分析模型,分析模型和計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7,從圖中可見ABAQUS軟件計(jì)算的骨架曲線和兩榀框架試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。5兩地框架試件性能對(duì)比通過對(duì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架和預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究及有限元分析,得出以下結(jié)論:(1)兩榀框架試件的破壞機(jī)制均為先梁鉸后柱鉸破壞機(jī)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(duì)框架梁的預(yù)壓作用,提高了整體框架的恢復(fù)能力,相比之下,預(yù)應(yīng)力裝