高强混凝土梁柱组合件抗震性能足尺模型试验研究

高强混凝土梁柱组合件抗震性能足尺模型试验研究

梁柱节点连接构造预制钢筋混凝土结构是一种常见的建筑结构体系。目前，预制混凝土结构已成为欧洲和美国的主要建筑形式。预制混凝土结构可分为装配整体式(后浇整体式)和全装配式两种形式。在一般情况下,装配整体式预制混凝土结构可以达到现浇混凝土结构相同或近似相同的抗震性能,而对于全装配式预制混凝土结构,其抗震性能将在很大程度上取决于梁柱节点的连接构造。本文完成了一组现浇高强混凝土梁柱组合件、预制混凝土结构高强混凝土后浇整体式梁柱组合件和高强预制混凝土结构全装配式梁柱组合件足尺模型抗震性能对比试验,研究结果对于预制混凝土结构的工程应用具有较好的参考价值。1试验设计1.1对称配筋设计本文梁柱组合件试验模型按足尺寸设计,试件总计4个,分别为现浇高强混凝土梁柱组合件CCBC、预制混凝土结构高强混凝土后浇整体式梁柱组合件PCBC、高强预制混凝土结构全装配式梁柱组合件FABC1和FABC2。梁截面尺寸为200mm×500mm,柱截面尺寸为300mm×400mm。混凝土强度等级为C60,梁柱受力纵筋及箍筋均采用新三级钢筋HRB400。试件梁柱采用对称配筋,纵筋直径为16mm,箍筋直径为6mm,柱的设计轴压比为0.15。试件的几何尺寸、配筋及其详细施工图见图1,混凝土和钢筋的实测力学性能指标见表1和表2。高强混凝土后浇整体式梁柱组合件PCBC节点核心区的箍筋尺寸和间距与现浇梁柱组合件CCBC节点区的箍筋尺寸和间距相同。为了确保预制构件与后浇混凝土之间的良好结合,在预制梁柱端头设置了剪力键。高强预制混凝土结构全装配式梁柱组合件FABC1和FABC2的连接方式如图2所示,在柱节点位置预埋螺杆,梁端部设置有连接端板的工字形短梁接头,端板通过节点支座、垫板和螺帽与柱实现半刚性连接。试件FABC1和FABC2之间的区别在于:试件FABC1所采用的节点支座如图3(a)所示,含两层厚度为8mm的橡胶片(标称硬度为40的天然橡胶),变形能力较大,在受到外力作用时试件的梁端变形全部由支座变形提供,工字形短梁接头上下翼缘钢板的应力始终保持在弹性范围内;试件FABC2所采用的节点支座如图3(b)所示,含一层厚度为8mm的橡胶片,其变形能力相对较小,在试件变形较小时梁端变形由支座变形提供,同时在工字形短梁接头上下翼缘板和腹板开孔,使得当试件的变形较大,节点支座达到极限变形后,工字形短梁接头上下翼缘板屈服产生塑性变形。1.2测试内容试验测试内容包括:试件P-Δ滞回特性曲线、节点核心区剪切变形、梁端塑性铰弯曲变形和柱端弯曲变形以及试件的开裂破坏特征等。1.3横向荷载施加采用如图4所示的几何可变平行机构试验架进行试验加载。在试验之前一次性施加竖向荷载至试件预定的轴压力415kN,并使其保持恒定,然后采用SCHENCK电液伺服加载器在柱端施加低周反复水平荷载。1.4试验加载制度水平荷载的施加采用位移控制加载法,在弹性阶段,按照5mm级差进行逐级单次往复循环加载。试件进入塑性变形阶段后,以15mm级差进行加载,每级进行3次往复循环加载。试件CCBC和PCBC在出现最大荷载之后,随变形增加荷载下降至最大荷载的80%时试验终止。试件FABC1和FABC2的加载采用与试件CCBC和PCBC相同的加载步骤和加载位移。2节点核心区裂缝的发生和发展在低周反复荷载作用下试件CCBC和PCBC的破坏形态属于梁端弯曲破坏,试件开裂破坏过程与特征基本相似,主要经历了如下3个阶段:阶段1,靠近节点核心区附近的梁端首先出现垂直裂缝,随着荷载的不断增加,裂缝的数量逐渐增多,分布范围逐渐向远离节点方向发展,并向倾斜方向延伸,裂缝长度和宽度不断增大;阶段2,节点核心区出现斜裂缝,随着荷载的增加,形成交叉斜裂缝,斜裂缝的数量、长度和宽度不断增大;伴随交叉斜裂缝的出现,节点核心区梁上下表面位置出现水平开裂;阶段3,节点核心区裂缝的发展趋于稳定,梁端裂缝迅速发展,混凝土保护层剥落,钢筋屈服,梁端混凝土压酥,承载力下降。试件FABC1和FABC2在达到试件CCBC和PCBC相同的极限位移时,试件的承载力仍处于上升阶段,试件开裂破坏过程的前两个阶段与试件CCBC和PCBC基本相同,但在阶段3,由于试件的承载力随着加载位移的增加持续增加,节点核心区裂缝迅速发展,并出现混凝土局部剥落。试件CCBC节点核心区的第1条裂缝出现在Δ=30mm时,当Δ=42mm时核心区出现交叉主斜裂缝,随着荷载的增加,核心区形成较多的大致平行于主裂缝的斜裂缝,核心区中心部位的混凝土轻微剥落,最大的裂缝宽度大约1mm～2mm。试件PCBC节点核心区在Δ=30mm时出现第1条斜向裂缝,Δ=45mm时核心区出现交叉的主斜裂缝,裂缝宽度较小,随着荷载的增加裂缝的长度和宽度有所增加,最大宽度约为1mm,裂缝宽度及裂缝数量都较CCBC节点少,节点核心区混凝土无剥落现象。试件FABC1和FABC2节点核心区在Δ≈43mm时出现第1条裂缝,随着荷载的增加,初始斜裂缝逐步发展,当Δ≈59mm时,在靠近核心区部位出现交叉裂缝,随着继续加载,裂缝数量逐渐增多,长度和宽度不断增大,到试验结束时,最大裂缝宽度约3mm～4mm,混凝土局部剥落。4个试件在试验终止时的最终破坏情况如图5所示。3试验结果与分析3.1滞回曲线特征本文4个试件柱顶水平荷载P与柱顶水平位移Δ表示的滞回曲线如图6所示。其中试件CCBC和PCBC滞回曲线的形状、大小及其演变过程均极其相似,梁端屈服以前试件的滞回曲线均呈明显的尖梭形,梁端塑性铰破坏以后,滞回曲线逐渐产生捏缩而趋于弓形。试件FABC1和FABC2的滞回曲线形状相似,均呈反S形。3.2fabc1和fabc2发展规律比较4个试件的骨架曲线如图7所示,其中试件CCBC和PCBC表现出了较好的一致性,试件FABC1和FABC2同样表现出了相近的发展规律。从图中还可以看出:试件FABC1和FABC2随加载位移的增加,承载力持续增加,对于相同的极限加载位移,试件FABC1和FABC2的极限承载力明显大于试件CCBC和PCBC。3.3各试件能量耗散系数与加载位移的关系对于如图8所示的试件加载滞回环,试件的能量耗散系数E可以定义为:E=Area(ABCD)Area(ΔΟFC+ΔΟEA)(1)E=Area(ABCD)Area(ΔOFC+ΔOEA)(1)根据试件各试验阶段的滞回环,可以计算出各试件的能量耗散系数随加载位移变化的情况如图9所示。从图中可以看出:试件CCBC、PCBC的耗能指标基本接近,试件FABC1、FABC2的耗能能力总体小于试件CCBC和PCBC。另外,试件CCBC、PCBC的耗能指标随着加载位移的增加表现出了先不断增加然后逐渐下降的变化趋势,试件FABC1、FABC2在加载位移达到一定数值后,耗能指标基本保持恒定,只是在节点核心区裂缝迅速发展后才略有增加。3.4强度、刚度退化试验随着加载位移不断增加,试件的强度和刚度将随循环周次的增加而逐渐减小。为了定量反映相同加载位移不同加载循环时试件的强度退化和刚度退化程度,特定义强度退化系数μQi和刚度退化系数μki如下:μQi=QjiQji-1,μki=kjikji-1(2)μQi=QjiQji−1,μki=kjikji−1(2)式中,Qjiji、kjiji为第j级位移加载第i次加载循环的强度和割线刚度;Qji-1ji−1,kji-1为第j级位移加载第i-1次加载循环的强度和割线刚度(i=2,3)。图10和图11分别给出了4个试件随加载位移增加时的强度退化和刚度退化情况。从图中可以看出:试件CCBC和PCBC随位移增加,其强度退化和刚度退化总体呈逐渐增大的趋势,在加载位移Δ=28mm附近,梁端开裂破坏加剧,试件强度退化程度显著,但试件刚度退化程度的变化相对较小。试件FABC1和FABC2在试验初期强度退化和刚度退化较明显,在试验中后期强度退化和刚度退化系数基本保持不变。另外,试件FABC1的2次加载的强度退化和刚度退化程度比试件FABC2显著,但两个试件的3次加载强度退化和刚度退化系数基本相同。3.5节点核心区剪切变形梁柱组合件节点区域在水平剪力的作用下产生剪切变形。如图12所示,利用节点区域对角线方向布置电子千分表测量对角测点的相对位移,可以得出其剪切变形为:γ=12(Δ1+Δ2+Δ3+Δ4)√a2+b2ab(3)图13给出了4个试件节点核心区的剪切变形随水平加载位移增加的变化情况。从图中可以看出:试件CCBC和PCBC节点核心区的剪切变形较小,试件FABC1和FABC2节点核心区的剪切变形在试验前期与试件CCBC和PCBC接近,但随着节点核心区裂缝的迅速发展,其剪切变形也迅速增大。3.6梁端转角和工字形短梁接头变形产生的梁端转角试件梁端转角随加载位移变化的情况如图14所示,图中BC1(B)、BC1(S)、BC2(B)、BC2(S)分别表示试件FABC1和FABC2节点支座变形产生的梁端转角和工字形短梁接头变形产生的梁端转角。从图中可以看出:试件PCBC的梁端转角最大,试件FABC2最小;试件FABC1和FABC2的梁端转角的组成中,FABC2工字形短梁接头变形产生的梁端转角所占的比例明显大于FABC1。试件柱端转角随加载位移变化的情况如图15所示。从图中可以看出:试件CCBC和PCBC的柱端转角在达到峰值荷载之前不断增大,然后逐渐变小;试件FABC1和FABC2的柱端转角则随加载位移的增加不断增加。4不同结构的组合件(1)预制混凝土结构高强混凝土后浇整体式梁柱组合件的抗震性能和主要抗震性能指标与现浇高强混凝土梁柱组合件基本接近,表明高强预制混凝土结构后浇整体式框架与现浇高强混凝土框架结构具有相同或相近的抗震能力。(2)两个全装配式半刚性节点预制混凝土梁柱组合件的抗震性能和主要抗震性能指标基本接近,但与现浇高强混凝土梁柱组合件和预制混凝土结构高强混凝土后浇整体式梁柱组合件的抗震性能和主要抗震性能指标具有明显的差异。(3)与现浇