低周反復(fù)荷載作用下兩兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究

低周反復(fù)荷載作用下兩兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究

0預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)體系預(yù)壓預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)是指將預(yù)安裝梁和柱安裝在牢固位置后，將預(yù)安裝鋼筋引入梁柱預(yù)備孔，并根據(jù)張拉預(yù)安裝鋼筋形成整體安裝混凝土結(jié)構(gòu)。預(yù)制筋不僅用于施工階段的加固防護(hù)，也用于使用階段的受力鋼筋的承受負(fù)荷。由安裝節(jié)點(diǎn)組成支撐整體，有效改善節(jié)點(diǎn)連接性能。目前,這種結(jié)構(gòu)形式在日本已建成了包括學(xué)校、停車(chē)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、廠房等的幾十余棟建筑。從建筑業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,工廠化生產(chǎn)、裝配程度提高、預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)建筑現(xiàn)代化的重要途徑。我國(guó)在20世紀(jì)70年代開(kāi)展了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的研究,曾推行工廠化、裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化的營(yíng)造方式,建造了一批預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)。但由于裝配式框架節(jié)點(diǎn)連接可靠性差,難以滿足反復(fù)荷載下的受力要求,在地震區(qū)的使用受到限制。日本在20世紀(jì)90年代研究開(kāi)發(fā)了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)“壓著工法”施工技術(shù),在預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點(diǎn)兩側(cè)穿連預(yù)應(yīng)力鋼筋,實(shí)施張拉預(yù)壓,解決了裝配式框架梁端抗彎能力弱和節(jié)點(diǎn)整體性差的缺陷。美國(guó)學(xué)者近年來(lái)研究的裝配式框架壓力摩擦節(jié)點(diǎn)和雙肢剪力墻連梁后張預(yù)壓連接方式,改善了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)抗震性能。為了探討預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)體系的受力性能和延性特征,本文通過(guò)兩榀兩跨預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn),研究了預(yù)壓裝配式框架的承載能力、滯回性能、截面延性及耗能能力等抗震性能。試驗(yàn)研究結(jié)果表明:僅配有預(yù)應(yīng)力筋的梁端截面,滯回曲線呈弓形,預(yù)應(yīng)力筋屈服后滯回曲線較為豐滿,具有良好的耗能能力;截面曲率延性系數(shù)達(dá)4時(shí),截面承載力無(wú)明顯降低,可滿足框架彎矩調(diào)幅要求;卸載后殘余變形較小,截面屈服后仍具有變形恢復(fù)能力;對(duì)稱和反對(duì)稱兩種加載方式對(duì)跨中和梁端受力性能和延性無(wú)明顯影響,僅對(duì)中柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架具有良好的抗震性能。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1預(yù)應(yīng)力筋張拉和錨具安裝本次試驗(yàn)的框架采用單層兩跨預(yù)制框架,框架梁、柱均在工廠預(yù)制,運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安裝,梁柱配筋及拼裝就位后的框架見(jiàn)圖1?？蚣馨惭b就位后,將預(yù)應(yīng)力筋穿過(guò)梁柱預(yù)留孔道,梁柱節(jié)點(diǎn)處拼裝縫用環(huán)氧樹(shù)脂水泥漿密封后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉,張拉采用應(yīng)力、應(yīng)變雙控,應(yīng)力通過(guò)油壓表讀數(shù)控制,同時(shí)校核預(yù)應(yīng)力筋實(shí)際伸長(zhǎng)值。鋼筋張拉完畢后實(shí)施孔道壓力灌漿。試件實(shí)測(cè)混凝土立方抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=39N/mm2;預(yù)應(yīng)力鋼筋每孔采用1束7j15,預(yù)應(yīng)力筋屈服強(qiáng)度f(wàn)py=1779N/mm2,極限強(qiáng)度f(wàn)pt=1891N/mm2,延伸率為5.2%。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fpt,錨具采用OVM單孔錨具。在制作試件時(shí),張拉端均增設(shè)了箍筋約束該處混凝土使其處于三向受壓狀態(tài),避免錨固區(qū)局部受壓破壞。1.2試驗(yàn)加載方式試驗(yàn)時(shí)先由設(shè)置在柱頂?shù)囊簤呵Ы镯攲?duì)柱施加軸壓力(軸壓比取為0.2),然后利用梁跨中上下設(shè)置的4個(gè)液壓千斤頂對(duì)梁施加豎向反復(fù)荷載,在一次加載過(guò)程中,同時(shí)控制兩個(gè)加載點(diǎn)。兩榀框架采用了兩種不同的加載方式,KJ-1的加載方法為同向反復(fù)加載,即同時(shí)施加向下荷載P1(正向荷載)或向上荷載P2(反向荷載),見(jiàn)圖2a加載示意圖;KJ-2的加載方法為反向反復(fù)加載,即同時(shí)施加左梁向下荷載和右梁向上荷載P3,或右梁向下荷載和左梁向上荷載P4,見(jiàn)圖2b加載示意圖。試驗(yàn)加載采用荷載、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,屈服后按跨中位移控制,每級(jí)荷載循環(huán)時(shí)間保持相同的時(shí)間間隔。在進(jìn)行反向加載時(shí)梁跨中僅配置了非預(yù)應(yīng)力筋,反向加載時(shí)的荷載小于正向加載,但采用位移控制后,正反向加載的位移量取值基本一致。圖3為試驗(yàn)加載裝置。1.3梁端轉(zhuǎn)角測(cè)量試驗(yàn)主要測(cè)量以下幾項(xiàng)內(nèi)容:(1)采用位移傳感器測(cè)量框架梁跨中位移;(2)在梁端上下設(shè)置位移傳感器測(cè)量梁端轉(zhuǎn)角;(3)在節(jié)點(diǎn)和跨中預(yù)應(yīng)力筋上布置了應(yīng)變片,量測(cè)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變;(4)在梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土布置應(yīng)變片,測(cè)量節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土應(yīng)變。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成,試驗(yàn)時(shí)可以連續(xù)測(cè)量和自動(dòng)記錄。2試驗(yàn)過(guò)程2.1框架破壞過(guò)程和裂縫分布兩榀框架在整個(gè)試驗(yàn)中表現(xiàn)出的試驗(yàn)特性有很多相近之處,均經(jīng)歷了彈性階段、開(kāi)裂階段、屈服階段和破壞階段。(1)框架梁的破壞過(guò)程正向加載至極限荷載的45%左右,負(fù)向加載至極限荷載的25%左右時(shí),荷載-位移曲線斜率大致呈直線變化,滯回環(huán)所包圍的面積很小;卸載時(shí)變形完全恢復(fù),剛度無(wú)變化,試件無(wú)裂縫出現(xiàn)。隨著荷載的增加,正向加載至極限荷載的55%左右時(shí),框架梁端及跨中出現(xiàn)裂縫,剛度開(kāi)始退化,卸載后,裂縫閉合良好。反向加載至極限荷載的30%左右時(shí),在梁跨中上部出現(xiàn)微小裂縫。繼續(xù)加載,裂縫的數(shù)量增加,已有裂縫寬度不斷加大。正向加載至極限荷載的80%左右時(shí),支座接縫處被拉裂,縱向預(yù)應(yīng)力筋開(kāi)始屈服,框架梁端轉(zhuǎn)角加大,卸載后,裂縫不再閉合。進(jìn)入屈服階段后,加載方式改為按位移控制。繼續(xù)加載,牛腿處出現(xiàn)裂縫,這主要是因?yàn)樵诤奢d的作用下,預(yù)制梁與牛腿的拼接節(jié)點(diǎn)處由組合截面承受梁端彎矩,使得與框架梁接觸的牛腿上部受拉,下部受壓,產(chǎn)生斜拉裂縫。同時(shí),框架梁的變形逐漸增大,并且隨著荷載的增加,殘余變形也不斷增加。最后破壞時(shí),梁跨中上部受壓區(qū)混凝土被壓壞,兩端牛腿底部混凝土被壓碎并剝落,此時(shí),邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)僅出現(xiàn)少量微裂縫,中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未出現(xiàn)裂縫。卸載后,框架梁變形部分恢復(fù)。圖4為試件KJ-1中節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)。(2)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)在整個(gè)加載過(guò)程中,試件KJ-2梁跨中及梁端拼接節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂、屈服直至破壞的規(guī)律基本同試件KJ-1。不同之處在于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力狀態(tài),框架邊節(jié)點(diǎn)核心區(qū)仍出現(xiàn)少量微裂縫,受力狀態(tài)沒(méi)有大的改變;但在框架中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)形成交叉裂縫,這是由于KJ-2的反對(duì)稱加載方式,使得中節(jié)點(diǎn)受到梁端同號(hào)彎矩作用,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力增大所致。從試驗(yàn)可以看出,兩榀框架最后都以框架梁跨中或支座預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服、混凝土壓壞而失去繼續(xù)承載能力。對(duì)稱和反對(duì)稱兩種加載方式對(duì)跨中和梁端受力性能和延性無(wú)明顯影響,兩種不同的加載方式,導(dǎo)致了中柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力狀態(tài)產(chǎn)生較大差異。對(duì)稱荷載作用下,中柱兩側(cè)受到異號(hào)彎矩作用,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力很小,處于彈性工作狀態(tài);反對(duì)稱荷載作用下,中柱兩側(cè)受到同號(hào)彎矩作用,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生很大剪力,處于剪壓復(fù)合應(yīng)力狀態(tài),在循環(huán)交替荷載作用下,節(jié)點(diǎn)形成交叉裂縫。2.2加載梁端變形和殘余變形試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得在每一級(jí)荷載下的梁跨中位移和梁端轉(zhuǎn)角變形,試件KJ-1施加反復(fù)荷載P1、P2,試件KJ-2施加反復(fù)荷載P3、P4,兩榀框架荷載-跨中位移滯回曲線和荷載-梁端曲率滯回曲線,如圖5和圖6所示。從圖中可以看出滯回曲線均呈弓形,預(yù)應(yīng)力筋屈服后的滯回環(huán)較豐滿,說(shuō)明高荷載下試件仍具有較強(qiáng)的耗能能力。同時(shí)滯回環(huán)有明顯的捏攏現(xiàn)象,此現(xiàn)象分兩階段產(chǎn)生,在預(yù)應(yīng)力筋屈服后的前幾個(gè)循環(huán),截面受壓區(qū)混凝土尚未產(chǎn)生損傷,卸載后殘余變形很小,變形恢復(fù)較好,滯回曲線向原點(diǎn)靠攏;在截面壓區(qū)混凝土出現(xiàn)損傷后,滯回曲線捏攏是由于殘余變形積累和剛度不斷下降所致。加載的前幾個(gè)循環(huán)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài),構(gòu)件開(kāi)裂后曲線偏離原來(lái)的直線,倒向變形軸,呈現(xiàn)曲線形態(tài)。每一次加載過(guò)程中,曲線的斜率隨荷載的增大而減小,且減小的程度逐漸加快,說(shuō)明了反復(fù)荷載下框架梁的剛度不斷退化。比較各次卸載曲線,剛加載時(shí)曲線陡峭,殘余變形很小,剛度退化甚微;隨反復(fù)卸載次數(shù)增多,曲線的斜率減小,殘余變形增大,表明構(gòu)件卸載剛度不斷退化。比較兩榀框架的荷載-跨中位移曲線和荷載-梁端曲率曲線,可發(fā)現(xiàn)在荷載-位移曲線中,正向加載的滯回環(huán)與反向加載的滯回環(huán)的飽滿程度相當(dāng),而在荷載-梁端曲率圖中,正向加載的滯回環(huán)比反向加載滯回環(huán)飽滿,這是因?yàn)榉聪蚣虞d荷載值是按跨中受力控制,荷載小于正向荷載,梁端下部預(yù)應(yīng)力筋未能充分屈服。試件的耗能能力與鋼筋屈服程度和截面損傷密切相關(guān),反向加載梁端下部鋼筋未能充分屈服,上部混凝土亦未壓壞,致使滯回曲線不夠豐滿。并不說(shuō)明梁端組合截面正向加載耗能能力大于反向加載。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1骨架曲線變化骨架曲線是指連接各次循環(huán)加荷峰值(正向或反向)點(diǎn)的曲線。圖8和圖9是試驗(yàn)得到的荷載-跨中位移骨架曲線和荷載-梁端曲率骨架曲線。骨架曲線在荷載未達(dá)到開(kāi)裂荷載前為直線,試件的變形基本上呈現(xiàn)彈性,在試件開(kāi)裂后,骨架曲線開(kāi)始彎曲,曲線開(kāi)始向位移軸偏移,荷載增速趨緩,這一階段一直持續(xù)到試件屈服,此時(shí)骨架曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn),試件剛度進(jìn)一步降低,變形加快,直到達(dá)到最大荷載點(diǎn),從圖中可以看出,曲線峰值點(diǎn)大約在第10循環(huán)附近。持續(xù)加載,位移繼續(xù)增加,荷載卻不斷下降,最后破壞荷載約為峰值荷載的90%左右。3.2殘余變形和殘余轉(zhuǎn)化率變形恢復(fù)能力好的結(jié)構(gòu)在遭受地震作用后,能夠基本恢復(fù)地震中產(chǎn)生的變形,從而有利于震后修復(fù)工作。試驗(yàn)表明:預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁具有很好的變形恢復(fù)能力,加載至屈服仍有較強(qiáng)的變形恢復(fù)能力,殘余變形相對(duì)較小。試驗(yàn)中測(cè)得框架梁跨中在破壞時(shí)的最大位移以及卸載后的殘余變形,以及梁端在破壞時(shí)的最大曲率以及卸載后的殘余曲率。表1為實(shí)測(cè)梁跨中的殘余變形值和殘余變形率。表中正向荷載作用下框架梁的殘余變形率在0.243～0.373之間,反向荷載作用下框架梁的殘余變形率在0.405～0.557之間,就正反向加載比較而言,正向加載恢復(fù)能力好于反向加載,因?yàn)檎蚣虞d時(shí),由梁底預(yù)應(yīng)力筋受力,卸載后預(yù)應(yīng)力筋有較強(qiáng)的變形恢復(fù)能力;而反向加載時(shí),梁面僅配置了非預(yù)應(yīng)力筋,非預(yù)應(yīng)力筋有明顯的屈服平臺(tái),一旦屈服殘余應(yīng)變大,卸載后很難恢復(fù)。試驗(yàn)中同時(shí)得到框架梁端破壞時(shí)最大曲率值和卸載后殘余曲率值,表2為實(shí)測(cè)殘余曲率值和殘余曲率率。表中正向加載最大曲率值均大于反向加載,因?yàn)樵囼?yàn)框架為超靜定結(jié)構(gòu),在豎向荷載作用下,按彈性方法計(jì)算的支座彎矩大于跨中彎矩。試驗(yàn)過(guò)程中支座截面先屈服,然后將彎矩調(diào)幅至跨中。反向加載需調(diào)至跨中的彎矩量值較小,其支座轉(zhuǎn)動(dòng)小于正向加載。表中數(shù)據(jù)還可看出反向加載支座的殘余曲率率略小于正向加載,由于支座上下均配置了等量預(yù)應(yīng)力筋,兩者相差不大。反向加載恢復(fù)能力好于正向加載,是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)反向加載未使截面充分屈服,截面損傷程度亦輕于正向加載。3.3加載延性系數(shù)結(jié)構(gòu)的延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承載力沒(méi)有顯著降低的情況下經(jīng)歷變形的能力,可取延性系數(shù)作為度量指標(biāo)。表1列出了框架梁跨中實(shí)測(cè)位移延性系數(shù),正向加載預(yù)應(yīng)力筋發(fā)揮作用,其延性系數(shù)小于反向加載非預(yù)應(yīng)力筋發(fā)揮作用時(shí)的延性系數(shù),但仍可達(dá)4左右。表2列出了框架梁端實(shí)測(cè)曲率延性系數(shù),支座上下配置了等量預(yù)應(yīng)力筋,具有相同的抗彎能力,由于反向加載值小于正向加載,反向加載若干梁端截面尚未達(dá)極限狀態(tài);而正向加載除個(gè)別截面外均達(dá)極限曲率,因而正向加載曲率延性系數(shù)普遍大于反向加載。以上屈服位移和屈服曲率采用能量等值法確定。無(wú)論跨中截面還是梁端截面延性系數(shù)達(dá)到4時(shí)承載力均沒(méi)有明顯下降,說(shuō)明預(yù)壓裝配式混凝土框架具有良好的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力,可滿足彎矩調(diào)幅的要求。3.4裂縫發(fā)生階段原因兩榀框架剛度隨跨中位移的變化曲線見(jiàn)圖9。從圖中可看出,試件的剛度隨著位移的增加而降低,前幾個(gè)加載循環(huán),剛度退化不明顯,裂縫產(chǎn)生后,剛度退化增加,進(jìn)入屈服階段以后,曲線明顯偏向位移軸,剛度退化加快,主要是由于裂縫的開(kāi)展加快使得開(kāi)裂后的混凝土逐漸退出工作,梁有效截面高度不斷降低造成的。兩榀框架梁端的剛度退化曲線見(jiàn)圖10。剛度退化主要發(fā)生在截面開(kāi)裂至屈服這一階段,正向加載剛度退化速度緩于反向加載。3.5加載循環(huán)方案h耗能能力是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)的耗能能力大小可用荷載-位移滯回環(huán)所包圍的面積來(lái)衡量,圖11是兩榀框架荷載-梁端曲率滯回曲線的包絡(luò)圖,圖中可以看出滯回曲線的包絡(luò)線呈弓形,其形狀及豐滿程度與加載方向有關(guān),正向加載滯回曲線較反向加載豐滿,但并不意味著構(gòu)件正向加載耗能能力大于反向加載。結(jié)構(gòu)的耗能能力與結(jié)構(gòu)的損傷程度有關(guān),梁端截面上下配有等量預(yù)應(yīng)力筋,具有相同抗彎能力。由于正向加載值大于反向加載,梁端預(yù)應(yīng)力筋充分屈服,壓區(qū)混凝土產(chǎn)生損傷;而反向加載截面未見(jiàn)損傷,耗能能力尚未充分發(fā)揮。結(jié)構(gòu)耗能能力還可以用等效粘滯阻尼系數(shù)he表示,he按式(1)計(jì)算(圖12)。he=12πS(ABC+CDA)S(OBE+ODF)(1)he=12πS(ABC+CDA)S(ΟBE+ΟDF)(1)表1、表2列出了兩榀框架跨中和梁端最后一個(gè)加載循環(huán)的等效粘滯阻尼系數(shù)he,隨著加載的繼續(xù),等效粘滯阻尼系數(shù)he不斷變化,觀察各循環(huán)的he值,反向加載值大多大于正向加載值?？蚣芰洪_(kāi)裂后各加載循環(huán)的he呈現(xiàn)減小現(xiàn)象,這與滯回環(huán)的形狀有關(guān),在開(kāi)裂后加載的過(guò)程中,承載力的增加較大,但是由于此階段構(gòu)件仍未屈服,變形不大,滯回環(huán)較窄造成he值減小。框架梁屈服后,he不斷增加,最后發(fā)生破壞時(shí)梁端的等效粘滯阻尼系數(shù)he在0.095～0.208之間,說(shuō)明預(yù)應(yīng)力度PPR=1的截面仍具有良好的耗能能力。4節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的變形特性通過(guò)兩榀兩跨預(yù)壓裝配式預(yù)