装配式预制混凝土框架结构抗震性能试验研究

装配式预制混凝土框架结构抗震性能试验研究

0国内预制混凝土结构抗震性能研究预制混凝土具有生产能力高、产量好、对环境影响小等优点。现在它在世界各国得到了广泛应用。预制混凝土结构的抗震研究始于20世纪70年代,国外已经进行了很多试验和理论研究:1990年开始的美日合作研究项目“PRESSS”进行了预制混凝土节点和预制混凝土结构抗震试验研究;欧洲ELSA实验室的Negro等在1995年进行了带填充墙的足尺预制混凝土框架拟动力试验,研究了填充墙对预制框架整体抗震性能的影响;Rodriguez等在2004年采用低周反复试验研究了1/2缩尺的两层预制框架结构抗震性能;Khoo等进行了预制混凝土结构与现浇混凝土结构的对比试验,这些研究结果表明:通过合理的设计和施工,预制混凝土结构可以达到与现浇混凝土结构相当的抗震性能。在我国,预制混凝土的应用始于20世纪50年代,以工业厂房和住宅为主,至80年代达到鼎盛,90年代后逐渐衰落。在试验研究方面,国内对预制混凝土结构抗震性能进行的试验研究主要集中在构件和节点的研究,对整体结构进行的抗震试验研究很少。由于缺乏试验的支撑,对预制混凝土结构抗震性能认识不足,使预制混凝土结构在地震区的应用受到限制。目前,我国预制混凝土结构的研究和工程应用与国外先进水平相比还有明显差距,迫切需要展开对预制混凝土结构抗震性能的系统研究。同济大学土木工程防灾国家重点实验室依托欧盟第五框架项目、科技部重点国际合作项目“预制混凝土结构抗震研究”,于2004年进行了预制混凝土框架梁柱节点抗震试验研究,本文是该研究项目的第二部分,介绍了一个单层、单跨、三榀、铺屋面板的装配式预制混凝土框架结构1/2缩尺模型的抗震拟动力试验,并对此类结构的抗震性能进行了分析总结。1试验设计1.1梁柱节点材料和结构试验原型结构是在欧洲和中国广泛应用的装配式预制混凝土单层工业厂房。经过简化,试件设计为一个1/2缩尺的单层、单跨、三榀、铺屋面板的预制混凝土框架结构模型,柱距3m,跨度4m,柱高4.2m,见图1。各构件全部为预制,现场装配。柱插入杯口基础后用细石混凝土灌实;梁柱节点采用加橡胶垫的螺栓连接,这是欧洲常用的预制混凝土梁柱连接方式;屋面板四角预埋角钢焊接在梁顶面的预埋铁件上。节点构造见图2,试件总体情况见图3。模型按动力相似要求设计。试件采用强度等级C40的混凝土,实测的混凝土材性参数见表1。受力纵筋采用HRB335钢筋,箍筋采用直径4mm的冷拔钢丝,实测的钢筋和钢丝的材性参数见表2。梁柱节点的橡胶垫为厚度8mm的天然橡胶板,邵氏硬度为65。试件柱断面尺寸为200mm×300mm,纵筋为10(As=628mm2),配筋率ρ=1.05%,箍筋为4@50/100复合箍筋,边柱轴压比为0.04,中柱为0.06;梁断面尺寸为200mm×500mm。柱、梁配筋见图4。为满足柱轴压比的相似要求,在屋面施加附加质量,总附加质量ΔM=4600kg,质量块在屋面上均匀布置。1.2设计反应谱的比较加载地震波选用Tolmezzo地震波,该地震波的反应谱与Eurocode8中1B类场地的设计反应谱接近。图6是该地震波归一化的加速度时程记录及其反应谱与Eurocode8相应的设计反应谱的对比。试验时根据动力相似要求,地震波时间步长压缩到原记录的0.707倍。试验工况按地震波幅值分为6级:0.05g,0.1g,0.2g,0.4g,0.6g,0.8g。1.3位移和应变片试验布置了32个位移计和22个应变片。位移计用于测量框架的整体位移、柱底部应变和梁柱节点夹角变化(见图7),应变片用于测量柱内纵筋和箍筋的应变(见图8)。2g单自由度加载工况试验结果分析在0.05g加载工况中,柱顶最大位移达8.3mm,柱上未见可见裂缝,梁板连接部位完好。0.1g加载工况中,柱顶最大位移达16.4mm,柱底部出现可见裂缝,荷载卸除后裂缝完全闭合,梁板及连接部位完好。0.2g加载工况中,柱顶最大位移达到38.4mm,柱底部出现大量可见裂缝,裂缝分布的范围达到柱底以上800mm,裂缝最大宽度达到0.7mm,荷载卸除后部分裂缝不能够完全闭合,梁、板及连接部位灌缝混凝土出现裂缝。在0.4g加载工况中,试验进行到地震波时程2.71s时,大部分屋面板与梁的连接破坏,部分屋面板出现严重滑移,最大滑移量100mm(图9),为防止屋面板塌落,试验被迫终止。由于屋面板滑移错位,卸载后三榀框架不能恢复到试验初始位置,最大残余变形28mm。为获得0.4g工况下的完整试验数据,将3个作动器位移锁定为同步,改为单自由度加载,重新进行试验,此工况下,柱顶最大位移达91.2mm,柱底部出现大量裂缝,裂缝分布的范围达到柱底以上1600mm。裂缝最大宽度1.2mm,试验结束后最大残余变形30mm。0.6g单自由度加载工况中,柱顶最大位移达112.9mm,柱裂缝分布的范围达到柱底以上1800mm,裂缝最大宽度1.5mm,试验过程中梁柱节点间的橡胶垫被挤出(图10),但梁柱间未产生滑移,试验结束后梁底和柱头无损坏。0.8g单自由度加载工况中,柱顶最大位移达173.2mm,柱裂缝分布的范围达到柱底以上1800mm,裂缝最大宽度2.0mm,试验结束时框架最大残余变形40mm。由于0.8g单自由度加载工况结束后作动器行程已经接近极限,因此,整个试验结束。试验结束后柱破坏情况见图11,12。3试验结果与分析3.1一般位移各工况下屋面梁端的最大位移和层间位移角见表3,部分工况位移时程曲线见图13,屋面最大位移与加载地震波幅值的关系见图14。3.2结构滞回—滞回与耗能对两自由度加载工况,采用结构总恢复力P1+P2和屋面平均位移D1+D22D1+D22来绘制滞回曲线近似代表结构整体滞回性能。对单自由度加载工况,采用结构整体恢复力和屋面位移绘制滞回曲线。各工况结构恢复力-位移滞回曲线见图15。在计算结构滞回耗能时,可以根据结构恢复力-位移滞回曲线计算,这种计算方法只考虑了框架耗能,而忽略了楼板耗能,计算出的滞回耗能将略小于结构真实耗能。由滞回曲线计算的各工况滞回耗能见图16。分析结构滞回曲线和耗能特点,可以得到以下结论:(1)0.05g至0.1g的两个工况滞回曲线基本呈直线型,说明在0.1g工况以前结构基本处于弹性范围,结合钢筋应变数据可知柱内纵筋未达到屈服,此时结构耗能很小;0.4g工况下耗能增大,0.4g至0.8g的后3个工况滞回曲线均呈尖梭形,由钢筋应变数据可知在0.4g工况下柱内纵筋屈服,由于钢筋屈服致使结构耗能能力明显增大。(2)0.4g至0.8g的后3个工况滞回曲线相对形状饱满,在达到0.8g工况时,虽然滞回曲线略有捏缩,但仍比较饱满,说明此时结构仍有一定的耗能和承载潜力。(3)耗能与加载地震波幅值呈高次的非线性关系。随加载地震波幅值的增加,结构耗能呈急剧上升趋势。3.3g工况下的稳定性根据滞回曲线的数据可以计算结构骨架曲线和割线刚度(见表4,图17)。由骨架曲线可看出:随结构变形增加,结构最大恢复力也在增加,但增加幅度逐渐减小;在0.8g工况下结构最大层间位移角达到1/24,骨架曲线仍未进入下降段,结构仍有较高的承载能力。受加载设备的限制,试验未能继续进行下去,可以近似认为在0.8g工况下结构达到强度极限。分析结构割线刚度可以看出:在加载初期(0.2g工况以前),随着混凝土开裂,结构刚度迅速降低,进入塑性阶段(0.4g工况)以后,结构刚度的衰减速率减缓。3.4柱底部纵筋受力分析柱内的钢筋应变分为纵筋应变和箍筋应变。以S1纵筋应变片为例绘出各工况应变时程曲线如图18所示。对钢筋应变数据的分析可知:柱底部纵筋大部分在0.2g工况达到屈服;所有箍筋应变在整个试验过程中都没有屈服;同一根纵筋靠近柱根部的位置应变较大,远离柱根部位置应变较小,这与柱中弯矩分布的宏观规律吻合。柱中纵筋屈服而箍筋未屈服,这与试验后柱的破坏情况只有水平弯曲裂缝、没有交叉斜裂缝的宏观现象一致,试件达到“强剪弱弯”的设计预期的目标。4节点连接与加载设计结构层间位移角达到1/24时承载力无明显下降,滞回曲线较饱满,具有较好的抗倒塌能力和耗能潜力;以上结果说明装配式预制混凝土框架结构具有较好的抗震性能,通过合理的设计和施工可以满足地震区的抗震要求。试验证明这种梁柱节点在地震作用下工作安全可靠,可以在抗震框架中采用。但应注意橡胶垫应具有适当的厚度,防止橡胶垫过薄造成大变形下梁柱端直接挤压破坏,或橡胶垫过厚造成梁柱节点变形过大。节点连接螺栓应具有一定强度并在柱内锚固良好,螺栓应具有足够的预紧力,防止梁柱间产生滑移。在地震作用下屋面板具有协调各榀框架变形的作用,这将在屋面内引起很大的水平剪力,易导致屋面板或板梁连接的破坏。根据试验结果,屋面板与屋面梁采用四角焊接连接时,焊接节点首先发生破坏,屋面板塌落先于结构整体倒塌发生。建议工程设计时对板梁连接进行加强或采用柔性连接方式。试验加载设计参考ELSA实验室的做法及本实验室现有条件,采用3台作动器在三榀框架梁端加载,3台作动器编号分别为1,2,3(见图1)。根据结构的对称性,不考虑扭转,按简化的二自由度体系加载。1,2号作动器的位移保持一致,作为第一自由度,3号作动器的位移作为第二自由度。当屋面板严重破坏后,为避免屋面板塌落,1,2,3号作动器的位移锁定保持一致,按单自由度加载。试件力学模型如图5所示。两自由度模型刚度矩阵为,单自由度模型刚度为K=k1+k2,其中,k1为两边框架抗侧刚度之和;k