装配式混凝土框架边节点抗震性能足尺模型试验研究

装配式混凝土框架边节点抗震性能足尺模型试验研究

装配式混凝土节点梁柱节点主要是指连接框架梁和框架柱的节点中心和附近功能区附近的梁端和柱端，起到传递和分配力的作用，确保结构的完整性。装配式混凝土梁柱节点是混凝土梁柱节点按施工方法分类中的一种,由于其具有缩短工期、保证施工质量、有利于保护环境等优点,被欧洲、美国、加拿大、日本等国家广泛应用。但与混凝土现浇节点相比具有以下缺点:整体性差、设计难度较大、运输安装问题、初期设备投资大、经济指标优势不明显,且在世界各大地震中装配式混凝土节点的破环很严重,是框架结构中的薄弱坏节。目前装配式混凝土节点的研究主要集中在对各种不同梁柱连接形式的抗震性能的研究,对于考虑预制梁、柱、楼板的节点整体性能研究较少。针对这种现象作者进行了高轴压、大尺寸的预制梁-柱-叠合板边节点试件的抗震性能试验研究,通过进行足尺后浇套筒连接边节点构件的拟静力加载试验,以验证此连接方式对高轴压、大尺寸整体节点抗震性能的影响及施工的安全可靠性,从而解决此类结构的抗震、延性等问题。1试验设计1.1节点钢结构设计本试验原型取自某住宅楼的边节点,为了使试验具有典型性和代表性,选择底层柱截面最大、轴压比最大的节点,同时为了准确验证原型节点性能,采用足尺模型试验方法。设计2个边节点试件,1个为后浇套筒拼装预制节点试件,另1个为现浇节点对比试件。2个节点试件柱构件长度均取层高的一半,即1.5m(自节点中心至柱端侧向约束点的距离),柱轴压比取0.6。实际结构中,梁净跨为4800～5400mm,2个节点梁端加载点至柱边距离取梁高的2.5倍,均为1500mm。试件中包括部分叠合板,作为梁的上翼缘。叠合板宽均取梁跨的1/4,即1.5m。为了构件安装和加载的需要,在试件柱和梁的顶部均设置方形加载头。柱子和节点区混凝土强度为C60,主筋为HRB400,箍筋为HRB400。梁板部分的混凝土强度为C30,主筋为HRB400,箍筋为HRB335。节点构件规格如表1所示,节点受力及配筋如表2所示。试件的制作过程为首先预制梁、柱构件,然后安装底柱、预制梁以及预制板,绑扎节点钢筋、梁上层钢筋、板钢筋,然后现浇梁上层、板现浇层及节点区,然后灌浆法安装上柱,如图1、图2所示。试验前对混凝土、钢筋以及灌浆的材料性能进行了材料性能试验,灌浆的抗压强度均值为81MPa,其他具体的材性试验结果这里不进行赘述。1.2试验加载和加载本试验采用北京工业大学40000kN多功能电液伺服加载系统,试验前,先在节点的梁端施加5kN的竖向荷载,并循环一次以检测所有试验设备是否工作正常,待一切正常之后,方可进入正式的试验。正式试验时,柱端一次施加10560kN轴向荷载,并在试验中保持恒定。梁端荷载分级施加,第一级施加试件的开裂荷载,循环一次然后按屈服荷载的25%分级施加,每级荷载循环一次;试件屈服后,改用位移控制加载,每级位移增量为试件屈服时的位移的1倍,每级荷载循环三次,加载和位移计布置如图3所示,其中梁核心区的变形通过一对交叉布置的位移计进行测量。梁端荷载加载制度如图4所示。2试验过程和现象2.1混凝土支架节点的当前节点2.1.1梁的两侧竖向裂缝梁端荷载为F=+49.2kN(拉7.5t,梁底部受拉),梁柱交汇处开始出现竖向微小裂缝。梁端荷载为F=+98.4kN(拉15t,梁底部受拉),梁底部和侧面靠近节点附近首次出现1条L形裂缝,梁的两侧也出现多条竖向裂缝。随着荷载的增加裂缝的数量、长度、宽度、分布范围都在发展。当加载位移D=-6.3mm时,梁的上部主筋达到屈服,梁的侧面和底部裂缝贯通形成U形裂缝。当加载位移D=+4.2mm时,梁的下部主筋达到屈服,梁的侧面出现人字形裂缝。随着荷载的增加节点裂缝继续发展并有较多条X形裂缝。D=-31.5mm(5倍的屈服位移)时,梁柱交汇的竖向裂缝混凝土开始脱落,板和柱脱开。D=+25.2mm(6倍的屈服位移)节点破环。2.1.2心区斜裂缝当加载位移D=+12.6mm即3倍的屈服荷载时核心区在板底柱中处有一条斜裂缝。当加载位移D=-31.5mm即5倍的屈服荷载时核心区在板底柱角处有一条斜裂缝,宽2mm,并有保护层混凝土脱落。2.1.3柱连接和疾病加载位移D=-31.5mm即5倍的屈服荷载时上柱与下柱相应位置有一条斜裂缝,宽3mm。如图5、图6所示。2.2采用混合法制备混凝土梁柱边缘节点2.2.1梁和板、梁柱的裂缝与荷载梁端荷载为F=+52.47kN(拉8t,梁底部受拉),梁底部靠近节点附近首次出现2条水平裂缝,梁柱交汇处和梁两个侧面均出现竖向微小裂缝。梁端荷载为F=-151kN(压23t,梁底部受压),梁的两侧面出现数条微小斜裂缝。随着梁端荷载继续增加,梁和板的原有裂缝有所发展并伴有新裂缝产生,并产生人字形状裂缝。当加载位移D=-5.5mm(梁底部受压)时,梁顶纵向钢筋屈服,梁侧面竖向裂缝明显增加。当加载位移D=-6.2mm(梁底部受拉)时,梁底纵向钢筋屈服。随荷载增加除了原有裂缝继续发展外,梁侧面斜裂缝显著增加,梁出现贯通的U形裂缝。当加载位移D=+18.6mm即3倍的屈服荷载时,梁柱交汇处竖向裂缝宽度达到4mm。当加载位移D=-22mm即4倍的屈服荷载时,上表面两根根部裂缝达到2.5mm。灌浆时所用的套圈崩开。当加载位移D=+24.8mm即4倍的屈服荷载时,梁柱交汇处竖向裂缝宽度达到7mm。当加载位移D=27.5mm即5倍的屈服荷载时,板柱脱开,混凝土压酥,保护层剥落。到达6倍屈服荷载时构件破环。2.2.2中心区域的裂缝发育当加载位移D=-16.5mm即3倍的屈服荷载时核心区在板底柱角处有一条斜裂缝并随荷载的增大继续发展,无保护层脱落现象。2.2.3斜裂缝二通道比降当加载位移D=-22mm即4倍的屈服荷载时上柱靠近板的柱的侧面出现一条斜裂缝。试验现象表明:装配节点出现裂缝的时间要比现浇节点晚,但裂缝要比现浇结点的宽,装配节点的正负屈服位移相加要比现浇节点节点的略大一些,两节点均在6倍屈服位移时破坏。如图7、图8所示。3试验结果3.1节点的拉滞回曲线图9和图10是两节点的梁端力和梁端变形的关系,两种类型的滞回曲线形状大致形同,且滞回曲线都很饱满,说明两类节点的耗能能力强,具有良好的抗震性能。试验表明:①两类节点在开裂前滞回曲线的斜率无明显变化,构件的残余变形很小,滞回曲线均呈尖梭形。但是现浇节点开裂前后曲线的斜率有明显变小的现象,而拼装节点的斜率变化不大,说明在开裂前后现浇结点的刚度衰减要比拼装节点的大。从开裂到屈服由于出现裂缝,滞回曲线的形状介于梭行和反S行之间。破环时梁上部钢筋产生较大的滑移,滞回曲线呈Z形状,而由于梁的下部主筋滑移相对较小,节点的受拉滞回曲线为反S形。②在整个加载过程中由于T形梁(叠合板相当于T形梁翼缘)的不对称配筋使得梁端受拉和受压的滞回曲线不对称。3.2节点的抗压强度节点的能量耗散能力应以荷载-变形滞回曲线所包围的面积来衡量,能量耗散系数E应按式(1)计算。等效黏滞阻尼系数he表示耗散能量与等效弹性体产生相同位移时输入的能量之比,即式(2)E=S(ABC+CDA)S(OBE+ODF)E=S(ABC+CDA)S(ΟBE+ΟDF)(1)he=12π⋅A(ABC+CDA)A(OBE+ODF)he=12π⋅A(ABC+CDA)A(ΟBE+ΟDF)(2)能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数he越大说明结构的耗能能力越强即结构的抗震性能越好。式中面积如图11所示。①从图12和图13可以看出装配式边节点和现浇边节点相比无论是耗能和累计耗能都要好。加载初期由于塑性铰还没有形成两个节点的耗能能力比较小,随着加荷的增大装配式节点耗能斜率增大的要比现浇节点早,这种现象说明拼装节点的塑性铰出现的要比现浇节点的早。从加载到破坏两节点的耗能能力均没有下降趋势,说明在节点破坏时梁端塑性铰没有明显破坏,钢筋滑移量也不是很大,加载最后现浇节点的耗能斜率有变小的现象,结构结构耗能增长变慢,而拼装节点没下降,充分说明拼装节点的耗能能力要比现浇节点强,具有更好的抗震性能。②从图14和图15看出拼装节点的耗能系数和等效阻尼都要比现浇结点的大,说明拼装节点比现浇节点具有更好的抗震性能。3.3-九．第i次峰值点荷载节点的刚度可以用割线刚度来表示,割线刚度Ki应按下式计算:Ki=|+Fi|+|−Fi||+Xi|+|−Xi|Κi=|+Fi|+|-Fi||+Xi|+|-Xi|(3)式中:Fi为第i次峰值点荷载值;Xi为第i次峰值点位移值。最后求出每级加载位移下三个循环的平均值作为结构的等效刚度,如下图16所示。从图中可以看出:①两个节点退化趋势基本相同;②现浇节点的刚度要比装配节点刚度大,但退化的要快。刚度退化快,说明节点的抗震能力越差。进而说明装配式节点具有更好的抗震性能。③现浇节点的刚度要比装配节点刚度大一些,说明现浇节点的整体性能要比装配节点好一些,但加载后期两节点的刚度一样,说明装配节点刚度退化慢些。3.4抗震研究中的应用延性是反映结构、构件或材料塑性变形能力的一个重要指标,在结构抗震研究中具有重要意义。延性系数:μ=DuDyμ=DuDy由图17和表3看出:构件破坏时梁底部受拉荷载无明显下降段,主要是由于叠合板与梁组成的T形梁受力特性和梁的上下配筋不对称引起的。3.5加载位移对构件承载力的影响梁端部拼缝的影响是本次试验研究的一个重要内容,因此试验过程中对拼缝处梁端的位移进行了测量。加载位移同梁端位移以及同转角的变化曲线如图18、图19所示。由图18可知,在加载位移较小时,PC-J2试件拼缝处梁端位移与PC-J1试件的非常接近,而加载位移增大到约20mm后,PC-J2试件拼缝处梁端位移逐渐偏离,对比图17所示的强度骨架曲线,此时,PC-J2试件的强度开始明显低于PC-J1试件,可见,随着加载位移的增大,拼缝不仅导致拼缝处梁端位移逐渐增大,也导致了构件的承载力的下降。另外,根据测量结果,图19表示了梁根部相对柱子的转角随加载位移的变化,由图可知两者的转角比较接近,拼缝对转角的影响不大。4滞回曲线与现浇控制试验结果对比,见表2(1)预制混凝土结构梁柱叠合板边节点构件在低周反复荷载作用下的开裂破坏过程和现浇节点相似,但