鋼管混凝土柱蒼びα混凝土梁節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)

1、鋼管混凝土柱蒼a混凝土梁節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)0引言鋼管混凝土柱由于具有優(yōu)良的受力性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益，已在高層與超高層建筑中得到廣泛應(yīng)用12。中國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際工程中大量采用鋼筋混凝土梁鋼管混凝土柱的節(jié)點(diǎn)形式，目前對(duì)于此類節(jié)點(diǎn)已有大量的理論研究和實(shí)際應(yīng)用34。然而，隨著現(xiàn)代建筑的不斷發(fā)展，普通混凝土難以滿足建筑對(duì)裂縫控制、變形控制和跨度等方面的要求，而對(duì)普通混凝土施加預(yù)應(yīng)力則成為解決這一問(wèn)題的一種有效途徑56。目前，中國(guó)有關(guān)鋼管混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)的工程已經(jīng)得到開(kāi)展，并已應(yīng)用和準(zhǔn)備應(yīng)用于一些重載和大跨度結(jié)構(gòu)7，但各國(guó)針對(duì)鋼管混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)及理論研究卻很少8，嚴(yán)重影響了這

2、種結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際工程中的應(yīng)用和推廣。本文以某實(shí)際工程為背景，通過(guò)3個(gè)縮尺節(jié)點(diǎn)試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，對(duì)鋼管混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析，分析不同預(yù)應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。1 試驗(yàn)概況1.1 試件設(shè)計(jì)與制作試件與原型的比例設(shè)計(jì)為1：4。各試件幾何尺寸、配筋及構(gòu)造完全相同，將預(yù)應(yīng)力度作為主要變化參數(shù)，即將3根混凝土梁的預(yù)應(yīng)力度分別設(shè)定為0，0.5fpyk，0.7fpyk（其中，fpyk為預(yù)應(yīng)力筋的極限抗拉強(qiáng)度）。試件的詳細(xì)幾何尺寸、截面配筋及構(gòu)造如圖1所示，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1（其中：b為梁寬度，h為梁高度，D為鋼管柱直徑，t為鋼管厚度）。環(huán)形鋼筋為25，于節(jié)點(diǎn)區(qū)布置3根

3、，間距為100mm栓釘?shù)闹睆綖?9mm長(zhǎng)度為100mm.每層布置6個(gè)；環(huán)形鋼筋與栓釘間隔布置?；炷镰h(huán)梁中縱向鋼筋為10，沿外環(huán)板等間距布置12根，梁端焊接于上下環(huán)板；環(huán)梁的環(huán)向箍筋為10100。預(yù)應(yīng)力筋采用后張法，每個(gè)試件布置4根預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力筋采用直徑為15.2mm,極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa的無(wú)粘結(jié)鋼絞線，試件J1，J2，J3中預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力分別為0，0.5fpyk，0.7fpyk。鋼材力學(xué)性能見(jiàn)表2。所有試件采用C40自密實(shí)混凝土一次性澆筑，澆筑試件同時(shí)澆筑3個(gè)邊長(zhǎng)為150mrm150mrm150mm的立方體試塊，與節(jié)點(diǎn)試件同條件養(yǎng)護(hù)28d，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為4

4、1MPa。1.2 試驗(yàn)裝置與加載方案試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后在梁的2個(gè)端部采用建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼厚度為30mni截面尺寸為325mnm450mm的鋼板，以防止預(yù)應(yīng)力張拉引起混凝土局部壓碎。室溫固化3d后，張拉預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后，對(duì)梁端反復(fù)加載以測(cè)試試件的抗震性能。試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)按照建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程（JGJ10196）的規(guī)定采用荷載變形雙控加載制度，即試件在彈性階段時(shí)用荷載控制加載，屈服以后采用位移控制加載。在對(duì)柱底施加軸壓以及進(jìn)行梁端反復(fù)加載前均對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載。各試件柱底施加的軸向力均為2000kN，在試驗(yàn)中保持恒定。在荷載控制階段，首先對(duì)試件采用開(kāi)裂荷載fcr加載1次，然后依次采

5、用0.25fcr，0.5fcr，0.75fcr，fcr進(jìn)行加載，每級(jí)荷載加載1次，直至試件屈服；屈服后采用位移控制加載，屈服位移作為位移增量，每級(jí)荷載反復(fù)3次，逐級(jí)增大位移，直至試件破壞。試驗(yàn)加載制度如圖3所示。每加載1級(jí)結(jié)束以后，暫停加載并保持荷載15min，同時(shí)觀察梁上裂縫展開(kāi)和節(jié)點(diǎn)的破壞情況。加載至試件接近破壞時(shí)，達(dá)到以下條件之一即停止加載：荷載降低至峰值荷載的85減下；鋼筋拉斷；節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土斷裂或環(huán)板焊縫斷裂；柱出現(xiàn)較大彎曲。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)梁端位移荷載曲線最終確定試件的屈服點(diǎn)。1.3 量測(cè)內(nèi)容與測(cè)點(diǎn)布置抗震性能試驗(yàn)采用低周反復(fù)加載方式施加反對(duì)稱荷載，梁端荷載、柱軸向荷載由力傳感器測(cè)量

6、，梁端位移、跨中位移、柱頂位移、軸側(cè)向變形由位移傳感器測(cè)量，梁中的縱向受力鋼筋應(yīng)變、箍筋應(yīng)變由應(yīng)變片測(cè)量，所有測(cè)量值由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。試驗(yàn)的位移計(jì)和應(yīng)變片布置如圖4所示。每個(gè)循環(huán)結(jié)束后觀察裂縫，用裂縫觀測(cè)儀讀取裂縫寬度值。2 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析2.1 試件受力過(guò)程以非預(yù)應(yīng)力試件J1為例，首先對(duì)鋼管混凝土柱施加2162kN軸力（軸壓比為0.4），然后在左右梁端同時(shí)施加反復(fù)荷載。在荷載控制階段，當(dāng)左邊梁加載端荷載為54kN時(shí)，靠近鋼管梁底受拉區(qū)出現(xiàn)第1條裂縫；當(dāng)荷載為95kN時(shí)，裂縫寬度為0.1mm，梁出現(xiàn)多條平行裂縫。當(dāng)荷載達(dá)到190kN時(shí)，環(huán)梁與混凝土梁之間出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0.1mm

7、,當(dāng)荷載達(dá)到285kN時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到0.25mm；當(dāng)荷載達(dá)到380kN時(shí)，梁底受拉區(qū)裂縫寬度為0.2mm,梁底的1根鋼筋達(dá)到屈服。此后進(jìn)入位移控制階段，以2Ay（Ay為曲服位移）進(jìn)行第1圈正向加載，左側(cè)梁受拉區(qū)最大裂縫寬度為0.35mm,以2Ay進(jìn)行第1圈反向加載時(shí)右側(cè)梁最大裂縫寬度為0.5mm,裂縫不能閉合，環(huán)梁與混凝土梁之間的裂縫進(jìn)一步增大，達(dá)到1.5mm,梁頂環(huán)梁出現(xiàn)裂縫；以3Ay進(jìn)行第1圈正向加載時(shí)右側(cè)梁底混凝土壓酥起皮，以3Ay進(jìn)行第1圈反向加載時(shí)左側(cè)梁混凝土壓碎并脫落，右側(cè)鋼筋拉斷，試驗(yàn)停止。預(yù)應(yīng)力試件J2，J3試驗(yàn)過(guò)程和試件破壞現(xiàn)象與試件J1相似，破壞形態(tài)均是梁根受彎破壞。

8、定義梁頂混凝土受壓時(shí)為正彎矩，相應(yīng)的荷載值為正，梁頂混凝土受拉為負(fù)彎矩，相應(yīng)的荷載值為負(fù)值，并定義左梁位移向上和右梁位移向下為正向加載，反之為負(fù)向加載。破壞大致可以分為以下4個(gè)階段：（1）開(kāi)裂階段。左右梁端荷載緩慢施加，3個(gè)試件的開(kāi)裂位置均在靠近鋼管的梁端位置，裂縫首先從梁下部展開(kāi)。這是由于梁下部鋼筋較上部鋼筋要少，同時(shí)預(yù)應(yīng)力的施加使梁下部有一定的初始拉應(yīng)力。試件J1J3梁下部開(kāi)裂荷載分別為54,50,45kN,梁上部開(kāi)裂荷載分別為62,70,75kN。同樣是由于產(chǎn)生的初始拉應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的施加降低了梁下部受拉區(qū)開(kāi)裂荷載，提高了上部受拉區(qū)開(kāi)裂荷載。（ 2）裂縫展開(kāi)階段。隨著梁端荷載繼續(xù)增加，裂縫

9、隨著荷載不斷增多，環(huán)梁與混凝土梁之間出現(xiàn)新的豎向和斜向裂縫，裂縫由底部向梁側(cè)面和梁底中部發(fā)展。（ 3）屈服階段。梁上第1根縱筋屈服時(shí)節(jié)點(diǎn)區(qū)環(huán)向鋼筋應(yīng)變值均小于1X10-3。梁端與環(huán)梁交接處裂縫基本貫通，斜向裂縫相互交叉，兩側(cè)表面混凝土被局部壓酥。試件J1J3梁端荷載約為290kN時(shí)，梁端豎向位移分別為31.5，30.5，29.8mm，最大裂縫寬度分別為0.28,0.56,0.48mm。在低周反復(fù)荷載作用下，預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)試件的屈服荷載和屈服位移影響均不大，但由于預(yù)應(yīng)力促進(jìn)了梁下部受拉區(qū)裂縫的展開(kāi)，使得屈服時(shí)梁上裂縫的寬度較非預(yù)應(yīng)力試件有一定增加。（ 4）破壞階段。隨著梁端位移加載的增大以及多次

10、往復(fù)作用下的損傷積累，表面保護(hù)層混凝土出現(xiàn)脫落，縱向鋼筋由于混凝土約束的減少開(kāi)始出現(xiàn)壓曲，同時(shí)箍筋鼓出，兩側(cè)保護(hù)層混凝土脫落增多，該階段基本沒(méi)有新裂縫出現(xiàn)，已出現(xiàn)裂縫急劇加寬，最寬處在3mm以上。隨后梁上縱筋達(dá)到極限承載力，承載能力迅速下降，試件破壞。試件破壞形態(tài)如圖5所示，可見(jiàn)鋼筋混凝土梁端裂縫已經(jīng)完全貫通。2.2 滯回曲線試件的梁端荷載位移滯回曲線如圖6所示，其中各試件位移、荷載分別由梁左端伺服作動(dòng)器和1號(hào)位移計(jì)測(cè)得。由圖6可知：在試件達(dá)到最大承載力之前，滯回環(huán)較為飽滿，大致呈紡棰形，表明耗能能力較好；達(dá)到最大承載力之后，滯回曲線中部出現(xiàn)一定捏縮，其原因主要是隨著荷載的加大，當(dāng)梁端荷載卸至

11、0，試件中已存在塑性變形，梁上裂縫以及環(huán)梁與鋼管柱之間的縫隙無(wú)法完全閉合，所以在反向加載時(shí)試件初期的剛度較小，位移增長(zhǎng)迅速，待受壓區(qū)混凝土裂縫以及環(huán)梁與鋼管柱之間縫隙閉合以后試件才能充分發(fā)揮受力作用。由于梁底部鋼筋配置少于上部，相同位移加載下各試件所受荷載正值均比負(fù)值要大。對(duì)比3組滯回曲線，在梁屈服以后，進(jìn)行梁自下往上的位移加載時(shí)，預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)試件J2，J3的承載能力迅速下降。試件J3由于施加的預(yù)應(yīng)力較大，混凝土梁底部鋼筋于正向加載時(shí)較早拉斷，因而在第2次2Ay加載時(shí)承載能力幾乎完全喪失，表明預(yù)應(yīng)力的施加降低了梁自下往上加載時(shí)的受拉承載力。2.3 骨架曲線試件的荷載位移骨架曲線如圖7所示。從圖7可以看出，3個(gè)試件的骨架曲線呈S形狀，表明在低周反復(fù)荷載作用下試件均經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞3個(gè)受力階段。同時(shí)可以看出，在試件屈服之后，預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)梁上部受拉承載力有明顯的提升，降低了梁下部受拉承載力。3 結(jié)語(yǔ)（ 1）在低周反復(fù)荷載下，非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼管混凝土柱均發(fā)生梁端彎曲破壞，鋼管柱和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象。（ 2）預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)梁上初