裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)研究

裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)足尺試驗(yàn)研究

這種形狀的異柱結(jié)構(gòu)柱不強(qiáng)調(diào)并適用于內(nèi)部的形狀。它可以實(shí)現(xiàn)更好的建筑功能，減少結(jié)構(gòu)本身的重量。關(guān)于T型、L型及十字型等異形柱構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的靜力與抗震性能已取得諸多成果為此，本文作者以真實(shí)工程為背景，設(shè)計(jì)并制作二層二跨裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)足尺模型，對(duì)其進(jìn)行低周往復(fù)荷載試驗(yàn)并開(kāi)展靜力彈塑性分析簡(jiǎn)化方法研究，旨在為裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的推廣尤其是在新民居體系中的應(yīng)用提供參考依據(jù)和方法支持。1試驗(yàn)總結(jié)1.1截面模型明網(wǎng)預(yù)制構(gòu)件以裝配式新民居的研發(fā)與示范工程建設(shè)為背景，選取進(jìn)深方向二層二跨足尺單榀框架開(kāi)展低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，研究裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。模型設(shè)計(jì)與拆分方案如圖1所示。進(jìn)深方向上部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)7.1m(左右兩跨凈跨分別為3.7m和2.0m)，兩端和中間分別為T(mén)型和I型截面柱。在加載方向，其截面高度分別為500mm和400mm，肢厚為200mm，端部T型柱翼緣寬為600mm；一、二層層高分別為3.26m和3.00m，框架梁高均為400mm。模型采用“漿錨連接+節(jié)點(diǎn)后澆”方案，分層拆分包括T型截面柱4根(C-ST1,C-NT1,C-ST2和C-NT2)、I型截面柱2根(C-MI1和C-MI2)及梁2根，共8個(gè)預(yù)制構(gòu)件。梁柱截面配筋如圖2所示，縱筋均采用HRB400、箍筋為HPB300，預(yù)制構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，節(jié)點(diǎn)采用C35強(qiáng)度等級(jí)的細(xì)石混凝土。下側(cè)墊梁長(zhǎng)為9.0m，截面長(zhǎng)×寬為800mm×450mm，預(yù)留出筋長(zhǎng)度為700mm(預(yù)留鋼筋直徑的35倍)。1.2構(gòu)件的裝配與裝配框架梁、框架柱均在天齊明達(dá)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)園預(yù)制，預(yù)制柱鋼筋籠下端綁扎700mm長(zhǎng)金屬波紋管作為漿錨連接搭接孔道，澆筑混凝土前在各預(yù)制構(gòu)件內(nèi)按圖2所示方案預(yù)埋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)；構(gòu)件采用室內(nèi)灑水自然養(yǎng)護(hù)28d后，吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)至結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳與同期預(yù)制的墊梁裝配成整體。圖3所示為二層二跨裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的裝配流程，首先將一層預(yù)制T型和I型截面柱裝配至墊梁上，并采用斜撐調(diào)直固定后對(duì)柱根部區(qū)域封邊，待封邊24h即封邊料滿足強(qiáng)度要求時(shí)，采用壓力注漿注入水泥基灌漿料，待各預(yù)留注漿孔都均勻流出注漿料并完成封堵，待一層注漿24h時(shí)吊裝一層框架梁，節(jié)點(diǎn)區(qū)采用C35細(xì)石混凝土澆筑；之后，按照與一層裝配相同的方法裝配二層預(yù)制柱、預(yù)制梁。裝配完成后的模型如圖3(c)所示，待節(jié)點(diǎn)區(qū)后澆混凝土回彈與同條件留樣強(qiáng)度均達(dá)到C35后進(jìn)行加載。1.3動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變分析在一、二層框架梁對(duì)應(yīng)高度處分別采用MTS加載系統(tǒng)控制作動(dòng)器按倒三角形施加低周往復(fù)荷載加載期間主要采集抗側(cè)承載力、側(cè)向變形、鋼筋與混凝土的應(yīng)變、裂縫演化等，其中MTS作動(dòng)器可全程自行采集出力與變形信息。如圖1所示，通過(guò)沿框架高度方向布置的位移傳感器采集框架側(cè)向變形；在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)、漿錨連接區(qū)對(duì)應(yīng)縱筋、箍筋及混凝土構(gòu)件的表面布置大量應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，部分應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置位置如圖2所示。應(yīng)變與位移傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)UT8516動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變采集分析系統(tǒng)同步采集。安排多人分區(qū)全程觀察并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，主要包括裂縫出現(xiàn)、發(fā)展情況及混凝土壓碎、節(jié)點(diǎn)區(qū)出鉸信息等，縫寬通過(guò)ZBL-F103裂縫寬度觀測(cè)儀測(cè)試。2試驗(yàn)現(xiàn)象和失敗2.1確定分層位移角由于加載試件為二層二跨足尺模型，為清晰描述試驗(yàn)現(xiàn)象，定義各層層間位移角θ式中：i為樓層號(hào)，i=1或2；Δ在試驗(yàn)伊始力加載階段，當(dāng)θ位移加載階段，當(dāng)θ2.2“拉-壓綜合塑性鉸”物理長(zhǎng)度分布圖6所示為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)應(yīng)塑性鉸出鉸順序與位置，整體破壞以梁鉸破壞機(jī)制為主，符合“強(qiáng)柱弱梁”抗震設(shè)計(jì)理念，呈延性破壞。圖7所示為各節(jié)點(diǎn)區(qū)的失效破壞狀態(tài)與“拉-壓綜合塑性鉸”物理長(zhǎng)度從圖7可知：中間節(jié)點(diǎn)M-J1和M-J2為推拉復(fù)合受力區(qū)，呈“X”型剪切裂縫破壞特征，對(duì)應(yīng)梁端塑性鉸平均長(zhǎng)度分別為63mm和49mm；一、二層梁體外圍端部節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)梁端彎曲破壞，對(duì)應(yīng)塑性鉸長(zhǎng)度分別為200mm和220mm，分別包括節(jié)點(diǎn)S-J1,N-J1,S-J2和N-J2；一層柱根部區(qū)域表現(xiàn)為柱腳混凝土壓碎破壞，其中外圍T型柱(C-NT和C-ST)壓碎比中部I型柱(C-MI)壓碎的早，平均塑性鉸長(zhǎng)度為154mm。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1滯回曲線特征采用雙作動(dòng)器按倒三角形規(guī)則對(duì)模型進(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)加載，不僅可以直接得到圖8(a)和(b)所示各層對(duì)應(yīng)的滯回曲線，而且可以依據(jù)合力矩定理得到兩加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的合力大小與作用位置，并依據(jù)線性內(nèi)插法求得合力點(diǎn)處的側(cè)向變形，從而可得到圖8(c)所示整體模型的荷載-變形滯回曲線。從圖8(a)可知：一層滯回曲線整體呈“Z”形且存在滑移段，對(duì)稱性相對(duì)較差，同種側(cè)向變形對(duì)應(yīng)的抗側(cè)承載力正向外推顯著大于負(fù)向內(nèi)收，負(fù)向無(wú)明顯下降段；與一層不同，圖8(b)所示為二層滯回曲線整體呈“弓”形且對(duì)稱性較好，中間捏攏與M-J2等節(jié)點(diǎn)剪切變形試驗(yàn)現(xiàn)象相符，正負(fù)向均存在顯著下降段，但同種側(cè)向變形對(duì)應(yīng)的正向抗側(cè)承載力小于負(fù)向抗側(cè)承載力，與一層呈互補(bǔ)之勢(shì)，這也是雙作動(dòng)器同步加載的優(yōu)勢(shì)，能使模型在低周往復(fù)加載過(guò)程中的內(nèi)力重分布得到體現(xiàn)。從圖8(c)可知：整體模型的滯回曲線對(duì)稱性較好，呈反“S”型，相同側(cè)移對(duì)應(yīng)的正向外推抗側(cè)力大于負(fù)向內(nèi)收抗側(cè)力，以峰值荷載為例，正向較負(fù)向大15.2%；伴隨側(cè)移增加，剛度退化均勻且緩慢，曲線雙向均具有明顯下降段，且屈服后同級(jí)側(cè)移重復(fù)加載剛度和承載力下降不明顯；存在輕微滑移現(xiàn)象，與裝配式結(jié)構(gòu)梁端與后澆區(qū)存在連接界面有關(guān)。3.2骨架曲線圖9(a)和(b)所示分別為試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗蛹罢w對(duì)應(yīng)的骨架曲線，其中，P為試件加載端出力，P3.3失效破壞點(diǎn)的確定開(kāi)裂點(diǎn)依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象確定，峰值點(diǎn)依據(jù)圖9所示骨架曲線確定，失效破壞點(diǎn)取下降至峰值荷載85%對(duì)應(yīng)的位置，屈服點(diǎn)則依據(jù)幾何作圖法結(jié)構(gòu)的延性通過(guò)延性系數(shù)μ即極限變形Δ3.4橫向內(nèi)推加載時(shí)承載力依據(jù)JGJ/T101—2015“建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程”式中：λ圖10所示為試件各層及整體在各加載步對(duì)應(yīng)的承載力退化系數(shù)。從圖10可知：當(dāng)一層正向外推加載時(shí)，伴隨側(cè)移增加，承載力退化系數(shù)整體呈減小趨勢(shì)，負(fù)向未見(jiàn)明顯退化，與圖8(a)所示滯回曲線特征相吻合；對(duì)于二層及整體模型對(duì)應(yīng)的承載力退化系數(shù)，正負(fù)向?qū)ΨQ性較好且退化不顯著，最小值為0.937，該二層二跨裝配式異形柱框架結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的承載穩(wěn)定性。3.5加載幅值對(duì)催化強(qiáng)度的影響采用同一級(jí)幅值加載下的環(huán)比剛度表示試件剛度退化規(guī)律，計(jì)算公式為式中：K圖11所示為試件各層及整體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的退化曲線。從圖11可知：隨著加載幅值增加，試件不斷損傷，剛度逐漸下降，以試件開(kāi)裂為界呈先快后慢退化規(guī)律；同級(jí)加載先外推后內(nèi)收，故正向剛度均大于負(fù)向剛度；至加載后期，試件各層及整體剛度退化緩慢且趨于穩(wěn)定，一層有效剩余剛度比二層的大，該裝配式框架延性較好。3.6能源能源耗能能力是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一，依據(jù)各循環(huán)加載階段荷載-位移滯回曲線所包圍的面積，通過(guò)能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)ξ3.7荷載-應(yīng)變關(guān)系由圖1可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拓Q向構(gòu)件采用漿錨連接，這里選取代表性測(cè)點(diǎn)開(kāi)展受力分析。圖13(a)所示為T(mén)型柱漿錨連接區(qū)預(yù)制柱內(nèi)部縱筋與搭接波紋管內(nèi)部縱筋在同一高度處(中部)的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖13(a)可看出二者在加載全過(guò)程受力協(xié)調(diào)、變形一致。圖13(b)和(c)所示分別為一、二層I型預(yù)制柱內(nèi)與搭接波紋管內(nèi)的縱筋在同一高度處(上部注/出漿口)的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線，其中注漿飽滿的圖13(c)中二者縱筋應(yīng)變近似相等、變化趨勢(shì)相同，而由圖13(b)中可知因注漿封堵時(shí)漿料回流，頂部注漿口高度處灌漿不密實(shí)對(duì)應(yīng)的波紋管內(nèi)部縱筋應(yīng)變近似為0。綜上可知，漿錨連接區(qū)在灌漿質(zhì)量得到保證的情況下，預(yù)制柱內(nèi)縱筋與搭接波紋管內(nèi)縱筋對(duì)應(yīng)的受力一致，可全程有效傳遞荷載；同時(shí)，要注意封堵注漿口時(shí)漿液短時(shí)回流所導(dǎo)致的有效搭接長(zhǎng)度縮短問(wèn)題，宜通過(guò)及時(shí)補(bǔ)漿等手段保證漿錨搭接區(qū)的有效長(zhǎng)度。4基于等代換的靜力彈性分析4.1截面配筋分析由于異形柱框架結(jié)構(gòu)配筋較為復(fù)雜，在進(jìn)行靜力彈塑性分析時(shí)，截面配筋等信息難以直接輸入至當(dāng)前普遍應(yīng)用的設(shè)計(jì)分析軟件中。本文基于截面和雙向彎曲慣性矩等效原則，將混凝土異形柱原位等效代換為矩形柱4.1.1等效代換公式假設(shè)任意截面異形柱的截面積A是由m個(gè)有限的規(guī)則單元面積A聯(lián)立式(4)～(6)，可求解出任意截面異形柱的等效代換矩形截面邊長(zhǎng)的解析計(jì)算表達(dá)式，即將本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚑型截面異形柱的截面參數(shù)代入式(7)和式(8)，可分別求得代換矩形截面的邊長(zhǎng)分別為：b4.1.2等效代換原則為獲得高質(zhì)量的等效代換模型，采用截面特性修正系數(shù)(異形柱截面特性與修正后的矩形柱截面特性之比)進(jìn)行修正，修正系數(shù)根據(jù)SAP2000分析原理手冊(cè)計(jì)算。由上述等效代換原則可知，圍繞X和Y軸的慣性矩修正系數(shù)為1；異形柱與矩形柱的質(zhì)量、自身重力不變，因此，質(zhì)量與自身重力修正系數(shù)亦為1；橫截(軸向)面積和扭轉(zhuǎn)常數(shù)修正系數(shù)分別為0.758和0.315；加載與垂直于加載方向?qū)?yīng)抗剪面積修正系數(shù)均為0.505。4.2自適應(yīng)的塑性鉸設(shè)置通過(guò)將T型柱等效代換為矩形截面柱，在SAP2000分析平臺(tái)建立模型開(kāi)展靜力彈塑性分析。除等效代換外，材料性能、截面配筋等其他建模參數(shù)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤?；在進(jìn)行推覆分析時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)自重影響，對(duì)柱底節(jié)點(diǎn)施加固結(jié)約束。塑性鉸通過(guò)自定義鉸屬性設(shè)置，對(duì)于框架梁?jiǎn)卧紤]由彎矩屈服產(chǎn)生的塑性鉸，即采用彎矩鉸(M鉸)；對(duì)于框架柱，考慮軸力與雙向彎矩相互作用產(chǎn)生的塑性鉸即軸力彎矩鉸(P-M-M鉸)。塑性鉸長(zhǎng)度依據(jù)圖7所示試驗(yàn)結(jié)果實(shí)測(cè)確定，并取混凝土受拉開(kāi)裂區(qū)和受壓破碎區(qū)的平均長(zhǎng)度，然后，根據(jù)SAP2000規(guī)定的鉸屬性定義方法在建模時(shí)設(shè)置。模型確認(rèn)無(wú)誤后，通過(guò)Pushover對(duì)異形柱框架開(kāi)展靜力彈塑性分析。4.3靜力彈塑性分析的數(shù)學(xué)模型本文開(kāi)展靜力彈塑性分析的目的是：基于等效代換思想為等同現(xiàn)澆裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析提供可靠的簡(jiǎn)便分析模型；因物理試驗(yàn)為足尺試驗(yàn)，二層新民居試驗(yàn)原型對(duì)應(yīng)的軸壓比較小(南、北兩側(cè)T型柱及中間I型柱對(duì)應(yīng)軸壓比分別為0.14,0.12和0.31)，加之受加載條件限制，在試驗(yàn)時(shí)未考慮軸壓比影響，故通過(guò)驗(yàn)證后的數(shù)值模型分析軸壓比的影響。4.3.1試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖14所示為基于模擬得到的模型頂點(diǎn)側(cè)移-基底剪力抗力曲線。從圖14可知：因模擬采用的加載制度與試驗(yàn)不同；屈服前，推覆分析所得抗側(cè)剛度明顯大于試驗(yàn)值，這與低周往復(fù)加載所致?lián)p傷累積有關(guān)；屈服后，模擬所得抗力曲線呈現(xiàn)平緩的下降段，最終模擬所得極限荷載、破壞荷載與實(shí)測(cè)結(jié)果相比誤差分別為33.37kN和28.36kN。考慮柱頂軸壓荷載時(shí)，極限荷載提高17.49%，極限變形能力下降，抗力曲線整體外包無(wú)軸壓工況。4.3.2無(wú)軸壓工況下的極限位移基于圖14所示抗力曲線，根據(jù)彈性階段結(jié)束點(diǎn)對(duì)應(yīng)變形確定開(kāi)裂位移模擬值為8.13mm(實(shí)測(cè)值為7.22mm)，根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞荷載對(duì)應(yīng)變形確定模型各層極限位移。經(jīng)分析可知，在與試驗(yàn)工況等同的無(wú)軸壓工況下，其一、二層極限位移分別為107.79mm和111.28mm，對(duì)應(yīng)層間極限位移角分別為1/28.4和1/27.0；考慮軸壓后，對(duì)應(yīng)模型的開(kāi)裂位移提前至5.68mm，各層極限位移角分別降至1/32.7和1/30.0。綜上可知，因未考慮三板體系，加之結(jié)構(gòu)為裝配式，故模型與試驗(yàn)試件均存在過(guò)早開(kāi)裂現(xiàn)象；而極限位移角均可滿足規(guī)范限值，模擬結(jié)果與表1所示試驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好。4.3.3認(rèn)定破壞模式圖15所示為基于等效代換的靜力彈塑性分析所得塑性鉸發(fā)展情況。由圖15(a)可知：在推覆過(guò)程中，2種模擬工況的塑性鉸均率先產(chǎn)生于一層加載點(diǎn)梁端，呈梁鉸失效特征；之后，一層梁鉸繼續(xù)開(kāi)展，二層梁鉸出現(xiàn)，中間十字節(jié)點(diǎn)的柱鉸與梁鉸先后產(chǎn)生，最后底層柱腳縱筋屈服并產(chǎn)生塑性鉸，整體呈“梁柱鉸混合屈服機(jī)制”破壞模式，如圖15(b)和(c)所示。因推覆分析無(wú)法考慮往復(fù)加載所致?lián)p傷累積，故在十字節(jié)點(diǎn)復(fù)合受力區(qū)塑性鉸開(kāi)展順序與圖6所示結(jié)果有一定差異，但最終失效破壞狀態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。綜上可知，基于等效代換的靜力彈塑性分析方法所得到的抗力曲線、層間位移角、塑性鉸等與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，特別是在抗震設(shè)計(jì)控制性指標(biāo)方面吻合度更高，其作為一種簡(jiǎn)化分析方法用于等同現(xiàn)澆裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析是可行的。5裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究1)“漿錨連接+節(jié)點(diǎn)后澆”方案用于裝配式混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)安全可靠；試驗(yàn)?zāi)Ｐ统省傲恒q”失效破壞特征，梁端裂縫發(fā)展范圍約為跨度的1/3，符合“強(qiáng)柱弱梁”破壞特征；中間十字節(jié)點(diǎn)呈“X”型剪切裂縫，局部損壞較為嚴(yán)重，宜通過(guò)增設(shè)斜筋、采用高延性混凝土等措施改善。2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂休^強(qiáng)的承載變形與耗能能力，滿足延性框架要求；具