預應力混凝土框架梁柱節(jié)點抗震性能試驗研究

預應力混凝土框架梁柱節(jié)點抗震性能試驗研究

梁鉸機制的選擇預制混凝土結(jié)構具有便于控制質(zhì)量、施工速度快、施工環(huán)境好、混凝土收縮裂縫少、混凝土更高強度、減少結(jié)構重量等優(yōu)點。預制混凝土結(jié)構體系的發(fā)展有利于促進中國建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化。將預應力與預制技術相結(jié)合則具有更為明顯的優(yōu)勢。預應力混凝土框架結(jié)構有層數(shù)大多不超過五層、跨度大、承受重力荷載大、梁截面尺寸一般比柱大等特點。與普通鋼筋混凝土框架結(jié)構不同,由于是重力荷載起控制作用的大跨度結(jié)構,重力荷載下支座負彎矩比較大,使得地震作用下在柱兩側(cè)的梁端都出現(xiàn)塑性鉸比較困難。此外,預應力混凝土框架梁的預應力筋數(shù)量一般由抗裂度控制。統(tǒng)計分析表明,裂縫控制等級為二級時,僅梁內(nèi)的預應力筋就可滿足各種荷載組合下的受彎承載力要求,并已有較大的富余。若再考慮按規(guī)范要求配置的普通鋼筋以及現(xiàn)澆樓板內(nèi)的鋼筋參與作用,使梁的抗彎能力明顯超強,“強柱弱梁”很難滿足。因此,對于現(xiàn)澆預應力混凝土框架結(jié)構來說,采用框架內(nèi)柱上下端和邊節(jié)點處梁端出鉸的“混合耗能機制”是一種較為合理和經(jīng)濟的選擇。然而,盡管“梁鉸機制”與“混合機制”同屬于整體耗能機制,但前者主要依靠梁端塑性鉸耗散地震能量,而后者同時依靠梁端和柱端的塑性鉸來耗能,對柱端延性也有較高的要求。由于柱端塑性鉸的轉(zhuǎn)角延性不易滿足,因而采用混合耗能機制的框架結(jié)構只能設計成有限延性框架,即通過增加結(jié)構的抗側(cè)能力來降低延性要求。而對于預制的預應力混凝土框架結(jié)構,當施工階段預制梁下不設支撐時,梁的受力分為兩個階段:在施工階段作為簡支梁承擔預制梁、板自重和施工活荷載,張拉預應力筋形成框架后作為框架梁承擔另一部分恒荷載(粉刷、吊頂、面層、墻體自重等)和使用期間的活荷載。這種兩階段受力使得梁在豎向荷載下支座處產(chǎn)生的負彎矩遠遠小于現(xiàn)澆預應力混凝土框架結(jié)構,從而有效減少了預應力筋的用量。因此,它使得大跨度預應力混凝土框架結(jié)構的“梁鉸機制”成為可能。1重視結(jié)構的跨中彎矩和節(jié)點連接本文研究的后張預應力預制混凝土框架結(jié)構形式如圖1所示。梁一般為預制預應力構件,柱可為預應力或非預應力構件。在梁中和梁柱節(jié)點部分預留孔道,通過穿過孔道的后張預應力筋將梁和柱連接在一起形成框架后,再進行孔道灌漿。結(jié)構中的預應力筋分為兩批:第一批為預制梁中曲線或直線形預應力筋,主要承擔施工過程中框架形成之前簡支梁的跨中彎矩;第二批為直線形預應力筋,同時起到拼裝結(jié)構構件和承受彎矩的作用。第二批預應力筋可以為有黏結(jié),也可以在梁柱節(jié)點中及兩側(cè)梁內(nèi)各一定距離設為無黏結(jié),目的是延緩預應力筋的屈服,使預應力筋在罕遇地震下仍保持彈性,從而提高結(jié)構的震后自我恢復能力。當結(jié)構跨度較小時,第二批預應力筋可以通長設置(圖1(a)),當跨度較大時,也可以將上部預應力筋在跨中斷開錨固(圖1(b))。預制柱上設置暗牛腿,其作用是抵抗部分梁端剪力,防止罕遇地震下預應力筋預壓應力大量損失后的梁端剪切破壞,并使施工更為方便。此外,梁端一定長度內(nèi)和柱上暗牛腿內(nèi)設置了加密的焊接鋼筋網(wǎng)片,可以有效約束受壓區(qū)混凝土,提高梁柱連接截面的強度和延性。梁柱連接縫隙中的聚酯纖維砂漿起到連接和找平的作用。加入聚酯纖維的目的是使得砂漿即使在被壓碎后也不會成塊脫落,從而減少預應力筋中的預應力損失。這種通過后張預應力筋將梁柱進行拼接的方式屬于延性連接的范疇,梁柱連接部位的抗彎能力比梁柱構件低,地震作用下彈塑性變形只發(fā)生在連接處,而構件本身保持彈性。2發(fā)表了關于預測預測結(jié)構節(jié)點抗疲勞性能的研究2.1節(jié)點區(qū)黏結(jié)、配筋本文分別對有黏結(jié)(BON組試件)和部分無黏結(jié)(UNB組試件)兩種不同形式的后張預應力預制混凝土框架中節(jié)點進行了低周反復加載試驗。其中UNB組試件在梁柱節(jié)點中及兩側(cè)梁端各一段距離內(nèi)設為無黏結(jié)。試件的基本形式、截面尺寸及配筋如圖2所示。每組中兩個試件截面尺寸及配筋完全相同,僅后張預應力筋的偏心距不同。此外,由于UNB組試件穿過節(jié)點核心區(qū)的預應力筋為無黏結(jié),可以大大降低傳遞給節(jié)點核心區(qū)的剪力,且核心區(qū)傳力主要為斜壓桿機構,即節(jié)點剪力由混凝土承擔,箍筋則主要對混凝土起約束作用,因此UNB組試件節(jié)點區(qū)箍筋數(shù)量較BON組小。試件主要材料力學性能見表1和表2。2.2試驗程序及控制位移的影響試驗加載裝置如圖3所示。首先由柱上端的油壓千斤頂對試件施加軸力至預定的軸壓比值0.2,隨后在左右梁端施加反對稱的低周反復荷載。加載程序采用荷載-變形控制法。考慮到UNB組試件屈服位移較大,按照屈服位移的倍數(shù)為級差控制加載將導致加載級別過少,因此試驗過程中改為每級控制位移取比上一級控制位移增加5mm,并在每級控制位移下循環(huán)兩次,至試件最終承載力下降至最大承載力的85%左右結(jié)束。試驗過程中主要量測梁端的P-Δ曲線,節(jié)點核心區(qū)剪切變形,梁柱縱筋、節(jié)點核心區(qū)箍筋和牛腿縱筋的應變,并觀測各級荷載作用下的裂縫開展與試件破壞情況。2.3試驗對象的壓力過程和破壞形態(tài)2.3.1bon組測試(1)梁柱連接處裂縫試件BON-1和BON-2在荷載較小時均保持彈性,沒有裂縫出現(xiàn)。隨著梁端荷載的增加,首先在左右兩側(cè)梁柱連接截面處出現(xiàn)明顯的彎曲裂縫。該裂縫一出現(xiàn)便迅速向梁的中和軸方向開展,很快就延伸到牛腿的表面附近(約為截面高度的一半位置)。此時裂縫寬度較小,約為0.1mm,且卸載后完全閉合。隨著荷載的增加,梁柱連接處裂縫不斷開展變寬,梁構件上其他相鄰截面幾乎沒有裂縫出現(xiàn)。加載過程中梁柱連接處裂縫開展狀態(tài)如圖4所示。受拉鋼絞線沒有屈服時,卸載后殘余變形仍然較小,殘余裂縫寬度也很小。隨著鋼絞線的屈服,試件的殘余變形不斷加大,但與達到相同位移水平的普通鋼筋混凝土結(jié)構相比仍非常小,恢復能力較好。(2)抗起毛文化試件破壞兩試件梁端轉(zhuǎn)角達到0.02左右時,梁端和暗牛腿內(nèi)受壓區(qū)保護層混凝土均開始剝落。轉(zhuǎn)角達到0.035左右時,均出現(xiàn)了牛腿下部保護層混凝土成塊剝落的現(xiàn)象?；炷帘Ｗo層剝落時試件承載力出現(xiàn)短暫的下降,但由于焊接鋼筋網(wǎng)片的約束作用,核心區(qū)混凝土強度繼續(xù)增加,相應所承受的荷載值也得以繼續(xù)增加。到試件破壞時,保護層剝落范圍大約距梁端200mm~250mm左右,局部剝落范圍較大。隨著受壓核心區(qū)混凝土逐漸被壓碎,試件強度逐漸退化。(3)暗牛視頻的破壞與相鄰梁端相比,牛腿混凝土破壞更為嚴重,這是由于試件制作時存在誤差,導致暗牛腿鋼筋網(wǎng)片較少,約束混凝土強度較低。由于BON-2試件暗牛腿內(nèi)焊接鋼筋網(wǎng)片配箍率較BON-1試件小,暗牛腿的破壞更為嚴重。牛腿和缺口梁的陽角處由于試件轉(zhuǎn)動過程中承受壓力較大,且存在應力集中現(xiàn)象,在較大位移幅值時局部混凝土被壓碎。這兩個部位的破壞在梁端轉(zhuǎn)角小于0.03時并不明顯。建議結(jié)構設計時,宜采取措施適當提高牛腿混凝土強度,并采用較短且較高的暗牛腿,使得暗牛腿頂部陽角位于截面中和軸的上部,遠離截面的受壓區(qū),避免雙向受壓,減少應力集中現(xiàn)象,從而減輕其破壞。(4)節(jié)點核心區(qū)裂縫試件BON-1在梁端位移達到17.5mmm,BON-2在梁端位移達到22mm時,節(jié)點核心區(qū)沿對角線方向分別出現(xiàn)第一條裂縫,此后繼續(xù)加載,原有裂縫逐漸向核心區(qū)角點延伸,只有較少的新裂縫出現(xiàn)。試驗結(jié)束時,核心區(qū)僅產(chǎn)生輕微破壞,裂縫寬度較小。這與試驗設計的目的相符合。2.3.2試驗結(jié)果及破壞情況分析UNB組試件試驗現(xiàn)象與BON組試件比較類似。與BON組試件相比,由于鋼鉸線直到試驗結(jié)束都沒有達到屈服強度,梁端位移角達到0.035時殘余變形仍然很小,表現(xiàn)出良好的恢復性能。兩試件均在梁端轉(zhuǎn)角達到0.02左右時開始出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土保護層剝落現(xiàn)象,到試件破壞時,保護層剝落范圍大約距梁端200mm~250mm左右。試件最終同樣是由于牛腿混凝土被嚴重壓碎而破壞。試件UNB-1梁端位移達到29.7mmm,UNB-2梁端位移達到28.38mm時,節(jié)點核心區(qū)沿對角線方向出現(xiàn)第一條裂縫,繼續(xù)加載則裂縫向核心區(qū)角點延伸,同時伴隨著少量新裂縫的出現(xiàn)。試驗結(jié)束時節(jié)點核心區(qū)同樣只產(chǎn)生輕微的破壞。4榀試件的最終破壞情況見圖5。兩組試件在梁端反復荷載作用下的破壞狀態(tài)基本相同,破壞主要集中在梁柱連接截面附近,塑性范圍較為集中。梁柱構件本身及節(jié)點核心區(qū)破壞較輕微。試驗結(jié)束時,梁柱連接縫隙內(nèi)的砂漿已經(jīng)被壓碎,但由于配置的聚丙烯纖維的作用并沒有成塊脫落,仍然保持原來的形狀。此外,梁柱連接截面沒有發(fā)生垂直方向的相對剪切滑移,抗剪承載力滿足要求。2.4試驗結(jié)果的分析2.4.1返回曲線(1)豎向位移根據(jù)測得梁端荷載、位移值可按下式換算得到梁柱節(jié)點的樓層剪力Q和層間位移角R:式中:QL,QR分別為左右梁端剪力;L、H分別為梁兩個豎向力作用點間的距離和柱兩鉸接點間的距離;DL,DR分別為左右梁端位移傳感器測得豎向位移。計算得到試件BON-1和BON-2樓層剪力-樓層位移角關系滯回曲線如圖6所示。可以看出,兩試件滯回曲線形狀基本一致,位移較小時,預應力筋處于彈性階段,具有較強的恢復力,滯回環(huán)呈S形,滯回耗能很小,殘余變形也很小。鋼鉸線屈服以后,滯回環(huán)面積和殘余變形均有所增大,但與普通鋼筋混凝土結(jié)構相比仍然很小。(2)滯回環(huán)面積大、殘余變形小兩試件樓層剪力-樓層位移角關系曲線如圖8所示。與BON組試件相比,UNB組試件即使在達到較大位移幅值時,滯回環(huán)面積仍然很小,結(jié)構耗能能力較差,但相應的殘余變形也較小,恢復性能較好。此外,與BON組試件類似,兩榀試件的梁端滯回曲線同樣存在不對稱現(xiàn)象,UNB-1向上變形大于向下變形,UNB-2則正好相反。2.4.2unb組試件結(jié)構性能分析兩組試件的樓層剪力-位移角骨架曲線如圖9所示。4榀試件的受力過程均可分為4個階段:荷載較小時,試件處于線彈性階段;隨著荷載的增加,梁柱連接截面出現(xiàn)彎曲裂縫,力-位移關系曲線出現(xiàn)一次明顯的轉(zhuǎn)折,結(jié)構剛度退化,處于非線性彈性階段;繼續(xù)加載,梁柱連接截面裂縫開展至一定高度,裂縫寬度逐漸加大,受壓邊緣保護層混凝土開始剝落,有黏結(jié)試件預應力筋開始屈服,試件剛度進一步退化,進入彈塑性階段;此后繼續(xù)加載,核心區(qū)混凝土逐漸壓碎,試件強度逐漸退化,進入破壞階段。每組兩個試件強度均較接近,表明預應力筋偏心距改變較小時對試件承載力影響不大。UNB組試件由于預應力筋最終沒有達到屈服強度,極限承載力較BON組試件略低。4榀試件最大樓層位移角介于0.359~0.439之間,大于我國抗震規(guī)范規(guī)定的框架結(jié)構最大彈塑性層間位移角限值,具有足夠的變形能力。2.4.3試驗件殘余變形圖10為4個試件殘余變形與對應的位移幅值的關系?？梢钥闯?位移幅值較小時,BON組和UNB組試件殘余變形相差不大。隨著位移的增加,BON組試件由于預應力筋的屈服殘余變形增長較快,而UNB組試件殘余變形增加速度較慢,恢復能力較好。2.4.4割線剛度退化曲線隨著加載位移不斷增加,試件的損傷累積會造成剛度隨循環(huán)周次的增加而逐漸降低。試驗得到兩組試件的割線剛度退化曲線見圖11。由圖中可見,4個試件剛度變化規(guī)律基本一致,梁柱連接截面裂縫開展后試件剛度明顯退化,且UNB組試件剛度退化速度較BON組試件略快。進入彈塑性階段之后試件剛度退化速度逐漸趨慢。2.4.5能耗能力分析采用文獻的計算方法得到兩組試件每級位移下的能量耗散系數(shù),如圖12所示,可見,當位移較小時,兩組試件的耗能系數(shù)均比較小,基本保持在0.3~0.4之間,耗能能力較低。BON組試件隨著梁端位移的增加,尤其是當預應力筋達到屈服強度后,耗能能力有逐漸增加的趨勢。到試件破壞時,耗能系數(shù)更是達到0.6~0.7左右。而UNB組試件由于預應力筋沒有屈服,耗能系數(shù)變化不大,耗能能力較BON組試件差?？傮w來說,兩種結(jié)構的耗能能力均較小,只有普通鋼筋混凝土結(jié)構的1/2左右。3影響暗牛下肢結(jié)構的變形因素本文分別對2榀部分無黏結(jié)和2榀有黏結(jié)后張預應力預制混凝土框架平面中節(jié)點進行了低周反復加載試驗,得到以下主要結(jié)論:(1)4榀試件的破壞模式主要表現(xiàn)為梁柱連接處裂縫的張開以及受壓區(qū)混凝土壓碎,破壞集中在梁柱連接截面附近,塑性區(qū)域范圍較小。梁柱構件本身及節(jié)點核心區(qū)破壞都比較輕微,只產(chǎn)生少量的裂縫。試件梁柱連接截面未發(fā)生剪切滑移破壞。(2)試件暗牛腿的破壞較為嚴重,影響了其變形能力和延性。建議結(jié)構設計時,宜采取措施提高暗牛腿混凝土強度,并采用較短且較高的暗牛腿,使其頂部陽角位于截面中和軸的上部,遠離截面的受壓區(qū),避免雙向受壓,減少應力集中現(xiàn)象,從而減輕其破壞。(3)與普通鋼筋混凝土構件相比,試件滯回環(huán)面積較小,耗能能力較差,但殘余變形較小,恢復性能較好。UNB組試件由于預應力筋在梁柱連接截面附近為無黏結(jié),預應力筋最終沒有屈服,因此耗能較BON組試件更小,恢復性能也更好。(4)4榀試件最大樓層位移角介于0.359~0.4