预应力装配式钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究

预应力装配式钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究

0预应力装配式钢筋混凝土框架预制钢筋混凝土框架结构是一种新型的装配结构体系。除了具有一般的拆卸结构的优点外，它还具有预制钢筋混凝土结构的特点。它具有节约木材、减少重量、高生产效率、高质量、工人劳动强度低等优点。环境保护和全面经济效益的改善。因此，发展安装结构是建筑工业化的唯一途径。目前,这种结构形式在日本已建成了包括学校、停车场、仓库及厂房等几十余栋建筑,表现出其独特的优越性,但我国在这方面的研究尤其是对预应力装配式整体框架的试验研究还比较少。预应力装配式钢筋混凝土框架是指把预制梁、柱(梁柱中均预留预应力筋孔道)吊装就位后,将预应力筋穿过梁柱预留孔道(梁端上下部位均设置预应力筋),对其实施预应力张拉,使拼装节点和整个结构构成一个受力整体,从而有效地改善了节点连接。预应力筋既作为施工阶段的拼装手段,又作为使用阶段的受力钢筋承受荷载。本课题组已经对这种新型装配框架的节点进行了系统研究,本文通过对一榀现浇框架(KJ1)和一榀预应力装配式框架(KJ2)进行低周反复荷载作用下的试验,并利用ABAQUS有限元分析软件对试件建立有限元分析模型,以深入研究预应力装配式钢筋混凝土框架结构裂缝分布、破坏形态、滞回曲线及位移延性等抗震性能。1试验设计1.1试件结构及锚具设计试验框架均为两层两跨。一榀为目前国内常用的现浇钢筋混凝土框架(KJ1);另一榀为预应力装配式框架(KJ2),其中梁、柱均为预制;为了保证KJ2梁端混凝土约束较好,对其框架梁端2倍梁高范围进行碳纤维布加固。装配框架试件达到养护条件后就位拼装,在梁柱预留孔中穿钢绞线,灌注梁柱接缝,梁柱接缝灌注材料为高强聚合物砂浆,接缝宽度为20mm。养护灌缝高强聚合砂浆达到设计强度75%以上后张拉钢绞线并锚固。框架的梁、柱、节点均按“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的要求设计。混凝土标号为C50;梁柱纵筋为HRB335钢筋,箍筋为HPB235钢筋,柱的配筋率为2.83%,梁的配筋率为1.13%;装配框架中的预应力钢筋为ϕ15.2的钢绞线,锚具采用OVM单孔锚具,张拉控制应力σcon=0.5fptk。制作预应力装配钢筋混凝土框架时,在梁的两端均增设直径为4mm的螺旋箍筋约束端部混凝土,提高装配框架梁两端混凝土的局部抗压强度,制作完后的两榀框架如图1所示。1.2构件加载方法加载方案:试验水平加载正反向均采用荷载-位移混合控制的加载方法进行,即构件屈服前按荷载控制,分级加载增量相同;构件屈服后采用位移控制。加载方案见图2。试验量测的主要内容包括钢筋应变、节点裂缝和转角以及框架整体位移等。2现浇框架的破坏特征从现浇整体框架的破坏特征上看,加载初期,框架柱无变化,在框架梁进入塑性阶段后,节点核心区出现少量几条裂缝,中间支座节点核心区形成交叉裂缝。整榀框架最后破坏以框架梁两端和柱根部混凝土被压坏,整个框架失去继续承载能力而告终,符合抗震设计“强柱弱梁”原则。与现浇框架加载方案相同,由于在装配框架时张拉预应力钢绞线的原因,在装配框架完成张拉后,边柱的一层节点上柱根部外侧有微裂缝出现。从预应力装配整体框架的破坏特征上看,加载初期,框架梁柱无明显变化,裂缝出现较晚,整个结构的变形较小,梁柱节点处的破坏主要集中在梁端。整榀框架最后破坏以框架梁两端混凝土被压坏而告终,柱根出现多条裂缝,但柱根受压区混凝土没有较严重的压碎特征。整榀装配框架符合抗震设计“强柱弱梁”原则。3试验结果与分析3.1应浇框架与预应力装配框架的能耗性能对比两榀框架试件的P-Δ滞回曲线见图3,其中P为框架顶层施加的水平力,Δ为框架顶部水平位移。从图3可见:(1)现浇框架试件比预应力装配框架的滞回曲线较丰满些,但从整体上看,这两榀框架都具有良好的耗能能力。(2)由于预应力对框架梁的约束作用,预应力装配框架试件在荷载较小时呈现出一定的捏拢效应。(3)由于预应力钢绞线的作用,使得装配框架的恢复能力要高于现浇框架,这同时导致了装配框架的滞回环饱满程度稍差于现浇框架试件。3.2框架梁的钢绞线应力预应力装配式框架结构中,每层框架梁分别在受拉和受压区布置一根钢绞线,两层框架梁中的四根钢绞线自上而下编号分别为GJX1～GJX4。由于试件承受水平反复荷载,每层框架梁中的钢绞线受力特征可近似相同,图4给出了装配式框架中顶层框架梁中GJX1和首层框架梁中GJX4的钢绞线应力变化曲线见。从整个加载过程中看,预应力装配框架中的钢绞线在外部荷载较小时,应力变化不大。加载后期,顶层短跨一侧梁端混凝土被压碎,导致GJX1应力降低较大;首层梁端基本完好,GJX4应力表现出随外部荷载的变化而在一定范围内规律变化的特征。3.3结构的延性分析结构、构件或截面的延性是指从屈服开始至达到最大承载能力或达到以后而承载力还没有显著下降期间的变形能力。也就是说,延性是反映它们的后期变形能力。“后期”是指从钢筋开始屈服进人破坏阶段直到最大承载能力(或下降到最大承载能力的85%)时的整个过程。两榀框架试件的位移延性系数见表1,可见:(1)从整体框架结构上看,预应力装配框架试件的位移延性系数与现浇框架试件相当。这里需要说明的是预应力装配框架试件的“屈服位移”是一种名义屈服位移,是整个骨架曲线上刚度发生明显变化时对应的位移。如何更好地表达这种结构的延性,需进一步探讨。(2)由于预应力钢筋对整个结构的预压作用,使得预应力装配框架结构的开裂荷载明显高于现浇框架结构。(3)在相同荷载在作用下,预应力装配框架结构的整体位移变形较现浇框架结构小很多。从延性系数上可见装配框架要远好于现浇框架。3.4预应力装配框架受力分析两个试件的骨架曲线见图5。由图可见:(1)两榀框架试件在水平低周反复荷载下都经历了弹性、屈服、强化和下降四个阶段。(2)在加载前期,由于预应力的预压作用,使得装配框架结构在加载初期变形很小,刚度较大;加载后期,由于预应力装配框架节点和柱根出现塑性铰,使得整体框架的刚度开始有所降低,由于梁端加固作用,节点梁端破坏形式主要反映为连接处一条较大的裂缝。骨架曲线反映出预应力装配框架试件具有较好的延性。(3)由于装配框架梁中钢绞线配置位置距中性轴位置较近,从整体框架的承载力上表现出装配框架稍低于现浇框架。4试验结果分析利用ABAQUS建立有限元分析模型,分析模型和计算结果见图6和图7,从图中可见ABAQUS软件计算的骨架曲线和两榀框架试验结果吻合较好。5两地框架试件性能对比通过对现浇钢筋混凝土框架和预应力装配式钢筋混凝土框架结构的试验研究及有限元分析,得出以下结论:(1)两榀框架试件的破坏机制均为先梁铰后柱铰破坏机制。(2)两榀框架试件的滞回曲线均较丰满,都具有良好的耗能能力。由于钢绞线对框架梁的预压作用,提高了整体框架的恢复能力,相比之下,预应力装