預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究

預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究

近年來(lái)，中國(guó)建筑材料提出了住宅產(chǎn)業(yè)化和建筑工業(yè)化的目標(biāo)。而現(xiàn)階段我國(guó)建筑行業(yè)大都使用現(xiàn)澆混凝土,其生產(chǎn)效率低、環(huán)境污染重、經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)大。因此,以規(guī)?；⒐S化生產(chǎn)建筑產(chǎn)品為目標(biāo),通過(guò)技術(shù)集成與產(chǎn)品集成,實(shí)現(xiàn)建筑過(guò)程的工廠化,變工地為工廠,大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率是建筑工業(yè)化發(fā)展的必由之路。國(guó)內(nèi)外經(jīng)過(guò)幾十年的研究與推廣,目前預(yù)制及預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的種類繁多?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是住宅建筑中應(yīng)用廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。但由于地震作用等因素的影響,完全的預(yù)制框架結(jié)構(gòu)事實(shí)上目前已經(jīng)很少見(jiàn),實(shí)用的范圍被大大縮減。而作為整體性能介于純預(yù)制與現(xiàn)澆之間的預(yù)制裝配整體式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用近幾十年來(lái)極為廣泛。靜力彈塑性分析方法是一種體現(xiàn)基于性能抗震設(shè)計(jì)思想的結(jié)構(gòu)抗震能力評(píng)估方法。作為結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估一種有效的計(jì)算方法,靜力彈塑性分析(Pushover分析)方法是一種近似方法,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)模型施加按某種方式模擬地震水平慣性力作用的側(cè)向力并逐漸單調(diào)增大,從而可以了解結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)制和薄弱環(huán)節(jié)等。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)pushover分析的具體實(shí)現(xiàn)方式和工程應(yīng)用進(jìn)行了大量研究:如葉燎原等探討了結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析的原理;尹華偉等以及楊博等對(duì)靜力彈塑性分析方法提出了改進(jìn);種訊等以及孫巍巍等分別利用Pushover方法對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全過(guò)程分析;Kalkan等利用靜力彈塑性方法對(duì)建筑物進(jìn)行了抗震評(píng)估。本文在介紹一種預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系的形式及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)三個(gè)預(yù)制框架結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)和對(duì)一榀三層兩跨框架結(jié)構(gòu)的彈塑性靜力分析,研究了這種預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。1世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)在鋼絞線施工世構(gòu)體系(Scope)技術(shù)是南京大地集團(tuán)公司從法國(guó)引進(jìn)的一種預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系,其預(yù)制構(gòu)件包括預(yù)制混凝土柱、預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁、板,屬于采用了整澆節(jié)點(diǎn)的一次受力疊合框架。世構(gòu)體系是集工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)拼裝于一體的框架式結(jié)構(gòu)體系。世構(gòu)體系一般在預(yù)制廠的生產(chǎn)線上根據(jù)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行預(yù)制柱、預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁、板的生產(chǎn),后將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行拼裝,然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行梁疊合層、梁端鍵槽以及節(jié)點(diǎn)的澆筑。有時(shí)世構(gòu)體系的預(yù)制柱也可以改為現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土柱。自從世構(gòu)體系被引進(jìn)以來(lái),已經(jīng)在住宅、大賣場(chǎng)等許多建筑中得到了應(yīng)用。世構(gòu)體系的特殊性就在于它的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式,它的節(jié)點(diǎn)由鍵槽、U形鋼筋和現(xiàn)澆混凝土三部分組成。世構(gòu)體系預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁下部縱向鋼筋(預(yù)應(yīng)力鋼絞線)在鍵槽即梁端的塑性鉸區(qū)實(shí)現(xiàn)搭接連接。U形鋼筋的制作及施工極為重要,它對(duì)于節(jié)點(diǎn)的抗震性能有很大的影響。由于世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)屬于現(xiàn)場(chǎng)澆筑,所以它是一種強(qiáng)連接的框架結(jié)構(gòu)體系。世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及預(yù)制梁端鍵槽如圖1、2所示。世構(gòu)體系除了一般預(yù)制框架結(jié)構(gòu)具有施工速度快、工期短、環(huán)境污染小、質(zhì)量有保證以及經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)外,由于采用了先張預(yù)應(yīng)力技術(shù),減小了構(gòu)件截面,節(jié)省了能源,建筑自重得到了減輕,降低了建筑成本;世構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)施工簡(jiǎn)單方便,且用鋼量較低。2節(jié)點(diǎn)的變形破壞在東南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了三個(gè)世構(gòu)體系中節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)。本試驗(yàn)的三個(gè)試件除了鍵槽的長(zhǎng)度(即U形鋼筋的長(zhǎng)度)不相同外,其余配筋及構(gòu)造情況均相同。為了直觀表示構(gòu)件的差異,根據(jù)鍵槽的長(zhǎng)度將試件命名為:JC40、JC45、JC50。從垂直裂縫的出現(xiàn)和開展上來(lái)看,三個(gè)試件并無(wú)太大的差別,即開裂荷載與鍵槽中鋼筋的搭接長(zhǎng)度的關(guān)系不大。構(gòu)件的屈服荷載以及在屈服前相同荷載級(jí)下的裂縫寬度均相差不大。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)僅在2倍屈服位移時(shí)出現(xiàn)了交叉斜裂縫,后期沒(méi)有發(fā)展?；炷林谡麄€(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的裂縫。構(gòu)件的破壞主要是梁端部混凝土被壓碎,在鍵槽區(qū)形成了塑性鉸。根據(jù)試驗(yàn)得到的梁端荷載和位移數(shù)值,可以得到如圖3、4所示試件的骨架曲線和滯回曲線。通過(guò)試驗(yàn)可知:世構(gòu)體系中節(jié)點(diǎn)的滯回曲線豐滿,節(jié)點(diǎn)的耗能能力比較強(qiáng);世構(gòu)體系梁柱節(jié)點(diǎn)的主要破壞發(fā)生在梁端塑性鉸區(qū),破壞也是以彎曲破壞為主,柱子以及節(jié)點(diǎn)區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞情況。3靜力彈塑性分析為了全面了解世構(gòu)體系整體框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,本文設(shè)計(jì)了一榀三層兩跨的平面框架,并采用面向?qū)ο蟮拈_放式計(jì)算程序OpenSees(OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation)對(duì)其進(jìn)行了靜力彈塑性(pushover)分析。3.1預(yù)應(yīng)力筋pe本文分析算例為一榀二跨三層框架結(jié)構(gòu),底層層高4.5m,二、三層層高為4m?？蚣芰嚎缍葹?m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)在鍵槽部位為C50,其余部分均為C40。預(yù)應(yīng)力筋采用Φj12.7鋼絞線,預(yù)應(yīng)力筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk=1860N/mm2,預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk=1395N/mm2。經(jīng)計(jì)算,預(yù)應(yīng)力損失值約為張拉控制應(yīng)力的20%左右,則有效預(yù)應(yīng)力σpe取為1120N/mm2。普通鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋。分析算例的結(jié)構(gòu)示意圖以及梁、柱的截面和配筋情況如圖5所示。3.2纖維截面的裝配為了簡(jiǎn)單有效的建立分析模型,本文采用了OpenSees中的纖維截面和帶塑性鉸的梁柱單元來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的不同組成部分:(1)纖維截面:纖維截面由具有簡(jiǎn)單且通用形狀的片(Patch)組成,如四邊形、圓形和三角形。另外截面可以通過(guò)層(Layer)指定截面的配筋情況。再根據(jù)精度要求將片細(xì)分為單個(gè)的纖維。箍筋的約束作用對(duì)截面核心區(qū)混凝土受壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變的提高則通過(guò)定義不同的材料屬性賦給纖維,材料屬性的定義見(jiàn)3.3節(jié)。纖維截面可以在計(jì)算的過(guò)程中包含截面彎矩和軸向力的相互耦合作用。典型的纖維截面如圖6所示。(2)含塑性鉸的梁柱單元:該單元由單元兩端的塑性鉸區(qū)和中間的線彈性部分組成。單元的塑性集中發(fā)生在塑性鉸區(qū)。塑性鉸區(qū)使用自定義截面,本文中塑性鉸區(qū)采用上面的纖維截面。對(duì)于框架梁,由于鍵槽部位比較薄弱,所以塑性鉸區(qū)長(zhǎng)度取為鍵槽的長(zhǎng)度;對(duì)于框架柱,取0.5hc,其中hc為彎矩作用方向柱的截面尺寸。3.3確定截面應(yīng)變非預(yù)應(yīng)力筋采用理想彈塑性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,預(yù)應(yīng)力筋采用東南大學(xué)長(zhǎng)期測(cè)試總結(jié)的對(duì)數(shù)模型如圖7所示。對(duì)于預(yù)應(yīng)力筋,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為{σs=Eεs,σs<fpσs=fcu(a+blgε),σs>fp(1){σs=Eεs,σs<fpσs=fcu(a+blgε),σs>fp(1)式(1)中:a=1.254,b=0.083;fp為預(yù)應(yīng)力筋的比例極限點(diǎn),fcu為預(yù)應(yīng)力筋的極限點(diǎn)?；炷恋谋緲?gòu)關(guān)系采用Park模型,如圖8所示。在計(jì)算中采用了以下假定:截面應(yīng)變符合平截面假定;混凝土不考慮受拉區(qū)的拉應(yīng)力;不考慮構(gòu)件剪切變形的影響;不考慮混凝土收縮、徐變的影響。3.4結(jié)構(gòu)基底剪力-目標(biāo)點(diǎn)位移關(guān)系由于本文主要研究預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架的抗震性能評(píng)估,層數(shù)較少,結(jié)構(gòu)形狀較規(guī)則,質(zhì)量與剛度分布較均勻,所以忽略高階振型的影響,采用倒三角分布的側(cè)向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆,并假定側(cè)向力分布在整個(gè)加載過(guò)程中保持不變。模型建立之后,先將豎向重力荷載施加在結(jié)構(gòu)上,然后施加水平荷載對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性靜力(pushover)分析。加載過(guò)程采用位移控制,控制節(jié)點(diǎn)為頂層的中柱頂節(jié)點(diǎn),加載步長(zhǎng)為0.001m,分析直到頂點(diǎn)位移達(dá)到0.25m,即樓層位移角為0.02時(shí)結(jié)束。分析得到結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線如圖9所示。圖中標(biāo)出了柱端和梁端塑性鉸的出現(xiàn)的順序和大致時(shí)刻。從圖9可以看出,荷載較小時(shí),結(jié)構(gòu)基底剪力-目標(biāo)點(diǎn)位移曲線呈線性關(guān)系;隨著荷載的加大,結(jié)構(gòu)的剛度出現(xiàn)明顯的降低,基底剪力-目標(biāo)點(diǎn)位移曲線逐漸變得平緩。剛度降低的原因主要由兩部分因素導(dǎo)致:其一是梁柱混凝土出現(xiàn)裂縫,構(gòu)件剛度降低;其二是兩端出現(xiàn)塑性鉸。隨著梁端塑性鉸的增加,鋼筋不斷屈服,結(jié)構(gòu)剛度不斷減小,結(jié)構(gòu)基底剪力-目標(biāo)點(diǎn)位移曲線變得更為平緩;但由于鋼筋屈服后,截面仍可承受一定程度的彎矩增量,結(jié)構(gòu)仍存在較小的正剛度,因此仍可繼續(xù)增加水平力。但當(dāng)?shù)讓涌蚣苤霈F(xiàn)塑性鉸后,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)剛度;力-位移曲線開始出現(xiàn)下降段。框架塑性鉸出現(xiàn)位置和順序如圖10所示。采用等能量原理,近似得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的最大頂點(diǎn)位移為0.105m。由圖8可知,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移達(dá)到目標(biāo)位移時(shí),只有梁端出現(xiàn)塑性鉸,柱端未出鉸,與設(shè)計(jì)目的相符合。此外,達(dá)到最大頂點(diǎn)位移時(shí),梁端和柱端產(chǎn)生塑性轉(zhuǎn)角均不大,梁端采用加密箍筋的方法后完全能夠滿足轉(zhuǎn)角延性的要求。由圖9可知,本結(jié)構(gòu)體系耗能方式為梁端耗能機(jī)制?？梢?jiàn),經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu),具有良好的抗震性能,能夠滿足抗震設(shè)防的要求。4節(jié)點(diǎn)和混凝土柱的破壞本文對(duì)一種預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系及其中節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究,可以得到如下結(jié)論:(1)梁柱中節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)荷載作用下,混凝土的