预制装配式钢筋混凝土框架结构节点连接性能研究

预制装配式钢筋混凝土框架结构节点连接性能研究

1875年，威廉h.拉科斯提出了一种新的预制钢筋混凝土结构体系，这是预制钢筋混凝土结构体系的起源标志。然而,从19世纪下半叶到20世纪上半叶,由于机械起吊能力的限制,预制钢筋混凝土结构的研究和应用发展缓慢。20世纪下半叶以来,随着大型起吊机械、钢模板、自动化生产系统的出现,预制钢筋混凝土结构在欧洲、美国、日本、新西兰等地得到了迅速发展。在国内,由于传统的预制钢筋混凝土结构在地震中破坏严重,社会大众对预制钢筋混凝土结构抗震性能的信心不足,预制钢筋混凝土结构的应用和发展受到了很大的限制。21世纪以来,人们对建筑节能、建筑环保提出了新的要求,建筑工业化发展是当前世界建筑技术发展趋势之一。预制钢筋混凝土结构具有如下优点:1)预制钢筋混凝土结构符合建筑产业化、建筑工业化和建筑业精确制造的特点。2)预制钢筋混凝土结构构件的标准化预制,提高了预制混凝土构件的质量。3)预制混凝土构件生产的自动化和产业化,加快了预制混凝土构件生产的速度。1结构破坏情况1994年美国北岭(Northridge)地震的震害调查表明:大跨度预制钢筋混凝土框架结构破坏较严重,主要表现为预制混凝土构件间的连接破坏,进而导致整体结构的离散、倒塌。2010年智利8.8级地震的震害调查表明:后张拉预应力预制混凝土结构以及装有耗能减震元件的预制钢筋混凝土结构在地震中表现良好,破坏较小;而其他预制钢筋混凝土结构则破坏较严重。2011年新西兰6.3级地震的震害调查表明:根据NES3101《新西兰混凝土结构设计规范》设计的预制钢筋混凝土结构表现良好,其中无黏结后张拉预制预应力混凝土结构破坏较小,残余变形较小。2011年日本9.0级东北(Tohoku)地震的震害调查表明:预制钢筋混凝土结构表现良好,结构仅遭受小范围的损伤,建筑物并没有整体倒塌。2预制钢筋混凝土框架结构节点预制钢筋混凝土框架结构中,预制柱、预制梁、预制板的连接方式是预制钢筋混凝土结构与现浇混凝土结构的主要区别,也是区分各类预制钢筋混凝土框架结构的主要依据。预制钢筋混凝土结构的节点可以分为等效现浇(emulationmonolithic)节点和装配式(jointedprecast)节点。其中,等效现浇节点包括预应力拼接节点和后浇整体式连接节点,装配式节点包括螺栓连接节点和焊接连接节点。2.1关于预连接节点的研究2.1.1节点的积能量耗散能力1987年,为了探索预制钢筋混凝土结构的抗震性能,美国国家标准与科学技术协会(NIST)启动了一项关于新型预制钢筋混凝土梁柱节点的研究计划,涉及其抗震能力、施工工艺及经济性等多个方面。在NIST研究计划第一阶段中,Cheok和Lew对有黏结预制预应力混凝土框架梁柱节点试件进行了试验研究。如图1a所示,预制梁柱构件通过后张的预应力钢筋结合在一起,预制梁柱结合面和预应力孔道在预应力钢筋张拉后均进行灌浆。研究表明:该类型节点在强度和延性方面均与现浇梁柱节点相当,但是该节点的单周和累积能量耗散能力均较弱。在NIST研究计划第二阶段中,Choek和Lew将有黏结预应力钢筋布置在更接近梁中轴线的位置,通过这种措施,减少了梁端预应力钢筋在梁柱构件发生相对转动时的应变和预应力的损失;试验结束后,预应力钢筋布置在更接近梁中轴线位置的节点梁端混凝土的破损更严重,但节点的能量耗散能力得到了提高。在NIST研究计划的第三阶段中,Choek和Lew将预应力筋由全黏结形式改为部分黏结形式,如图1b所示,在柱区域和靠近柱的部分梁区域内的预应力筋改为无黏结形式,其他部位的预应力筋为完全黏结形式。由于采用这种措施,在无黏结段的预应力钢筋应变将会分布均匀,在大层间位移下预应力钢筋能够基本保持在弹性阶段。在NIST研究计划的第四阶段中,StoneW等在无黏结预制预应力梁柱节点中加入耗能软钢来提高节点的耗能能力。这种新型的节点形式称为“混合”预制预应力混凝土梁柱节点,如图2a所示,预应力筋穿过在梁纵向中轴线位置预留好的预应力筋孔道将预制混凝土梁柱连接在一起,预应力筋部分黏结或全无黏结。耗能软钢筋通过在梁上下纵筋位置预留的孔道穿过柱子,并在现场灌浆,为了不过早屈服,耗能软钢筋在部分区段无黏结。如图2b所示,当柱子在地震中产生侧移的时候,耗能软钢筋就可以伸长以吸收地震能量,而预应力筋则可以将框架柱和梁在地震后拉回到原来的中心位置。1993年,Cheok和Lew进行了无黏结后张拉预应力连接节点的低周期反复加载试验研究。试验表明:无黏结后张拉预应力节点破坏过程为:1)预应力钢筋屈服;2)梁端受压混凝土压碎;3)预制梁柱拼接界面开裂。预应力钢筋的种类、黏结或非黏结关系对预制梁柱拼接界面的开裂宽度影响不大,但预应力钢筋位置对裂缝宽度影响较大。2.1.2节点层间位移角的影响20世纪90年代,美国和日本联合进行了一项预制钢筋混凝土结构的抗震性能研究项目PrecastSeismicStructuralSystemResearchProgram(简称为PRESSS)。作为PRESSS项目的一部分,20世纪90年代,明尼苏达(Minnesota)大学进行了部分无黏结预应力连接的研究,研究表明:该节点在层间位移角2%以内时预应力筋保持弹性,在节点大变形时强度损失很小,残余变形也很小。德克萨斯(Texas)大学进行了部分无黏结预应力连接节点研究,研究表明:该节点层间位移角在2%以内时表现出低残余变形、低耗能和高残余刚度的特性,层间位移角超过2%以后耗能有所增加。Priestley和Tao进行了部分无黏结预应力梁柱节点的低周反复加载试验研究。Priestley指出由于预应力筋的夹持作用,连接节点的抗剪能力和恢复力得到了提高。动力弹塑性分析表明:对于周期较长的结构和地震位移反应较大的结构,采用部分无黏结预应力结构可以取得较好的抗震性能。地震作用后,部分无黏结预应力拼接节点残余变形小,刚度损失也小,节点复原能力强,具有很大的侧向水平位移能力,具有自恢复中心能力。Priestley和MacRae对后张拉无黏结预应力混凝土节点的抗震性能进行了试验研究,对缩尺比例为2/3的一个中节点和一个边节点分别进行了低周反复加载试验。根据试验结果,两个节点在试验过程中都没有产生大的强度和刚度退化、残余变形很小、单周能量耗散能力较弱。Priestley和MacRae指出,经过适当设计的无黏结预应力节点是适合应用于抗震结构体系中的。2.1.3无黏结预应力节点锚固性能Nishiyama等进行了7个部分无黏结后张拉预应力拼接梁柱节点的低周反复加载试验。研究表明:预应力筋的锚固长度越长,节点的极限承载能力越高,预应力筋锚固长度的增加有助于减小荷载作用下节点的变形。装配式梁柱节点的破坏形式、极限承载能力的退化与预应力筋的锚固性能密切相关。Thinh进行了设置有销钉抗剪键和倒U型抗剪键的无黏结后张拉预应力拼接节点低周反复加载试验,销钉抗剪键和倒U型抗剪键主要作用为减小后张拉预应力结构在荷载作用下的位移,提高节点的耗能能力,保证梁柱在地震荷载作用下不受损伤。研究表明:设置有销钉抗剪键和倒U型抗剪键的无黏结后张拉预应力拼接节点在荷载作用下具有良好的自恢复中心能力,梁柱结合面仅有很小的滑动位移,节点处仅有微小的开裂裂缝。Kaya对无黏结后张拉预应力拼接节点进行了试验研究和数值模拟,研究了后张拉预应力筋的直径对后张拉预应力节点性能的影响。研究表明:随着预应力筋直径的增加,无黏结后张拉预应力节点的强度逐渐增大,耗能能力也逐渐增大,无黏结后张拉预应力拼接节点的强度与现浇节点相差不多,但其耗能能力远低于现浇节点。2.2节点受力性能针对无黏结后张拉预应力拼接节点耗能能力较差的特点,Morgen提出了在无黏结后张拉预应力拼接节点处安装摩擦阻尼器的改进方案。研究表明:安装有摩擦阻尼器的节点具有很好的耗能能力;同时由于后张拉预应力的作用,该节点又具有良好的自恢复中心能力,节点残余变形很小。Ozden研究了配置不同比例的耗能软钢对预应力拼接节点受力性能的影响。研究表明:随着耗能软钢比例的增加,预应力拼接节点的性能逐渐接近于现浇节点。当耗能软钢对梁抗弯刚度的贡献达到30%时,预应力拼接节点的抗震性能达到最优。HuiQian采用形状记忆合金作为预制梁和预制柱的连接件,通过低周反复加载试验研究了设置不同直径的NiTi形状记忆合金连接节点的受力性能。研究表明:节点连接件为形状记忆合金的预应力拼接节点具有较好的耗能能力、足够的承载力和良好的自恢复中心能力。节点连接件采用直径为0.5mm的形状记忆合金的性能优于直径为1.2、2.0mm的形状记忆合金的性能。郭彤等提出腹板摩擦式后张拉预应力混凝土框架节点形式,进行了理论分析和低周反复加载试验研究。试验表明:该节点具有良好的震后复位能力和明确的耗能机制,结构在设计地震下可实现基本无损。2.3节点节点连接设置的必要性Nakaki提出设置延性连接器的预制混凝土梁柱节点(简称DDC节点)。DDC节点为在预制柱内预埋高延性的合金连杆,预制梁通过螺栓、合金连杆与连接块相连。地震作用下利用合金连杆的低屈服和高耗能特性提高梁柱节点的耗能性能。Englekirk进行了DDC连接节点的反复加载试验。试验表明:DDC连接节点具有良好的变形能力和耗能性能,在层间位移角达到3.5%的情况下,节点仍无明显破坏。新西兰的Restrepo进行了后浇整体式预制混凝土框架节点的反复加载试验研究。该试验中,预制构件先在梁中进行搭接连接或焊接连接,尔后浇混凝土。试验表明:梁中节点连接的具体构造对试件的整体受力性能影响不大;不同构造的试件在强度、耗能和延性等方面都表现良好。Vasconez进行了钢纤维预制混凝土节点的低周反复加载试验研究。研究表明:梁柱节点采用后浇钢纤维混凝土可以增强钢筋与混凝土的黏结强度,提高节点的延性和抗剪强度;与普通后浇节点相比,钢纤维混凝土节点的强度、耗能和变形能力分别增加约30%、35%、65%;使用钢纤维体积含量为3%的混凝土可以使节点区箍筋用量减少50%,并获得更好的抗震性能。Khoo提出改进的装配式结构的构造方案,该方案中节点连接设置在梁中1/3跨长处,这种节点连接构造措施避免了在地震荷载作用下梁的塑性铰和梁柱节点连接处于同一位置。拟动力试验表明:改进的装配式结构构造方案提高了结构的抗震性能。窦祖融等进行了短剪跨比和普通剪跨比边节点的低周反复荷载下的足尺模型试验。研究表明:低周反复荷载作用下,短剪跨比边节点的破坏形态为梁端剪切破坏,普通剪跨比边节点的破坏形态为梁端弯曲破坏,普通剪跨比边节点的耗能能力优于短剪跨比边节点。2.4节点的延性及抗拉力学性能Ersoy进行了梁中焊接连接节点的试验研究。研究表明:连接侧板对焊接节点至关重要,没有设置连接侧板的焊接连接节点,承载能力将会迅速下降,变形也会显著增加。同时具有顶板、底板和侧板的焊接连接节点,其强度、刚度、耗能均与现浇节点相当。李忠献等对装配整体式型钢混凝土框架节点进行了低周反复加载试验研究。试验中,梁柱节点附近梁端工字钢翼缘采取狗骨形削弱。试验表明:节点试件的位移延性系数为5.10~7.27,符合抗震设计的延性要求;在最大荷载时,试件的等效黏滞阻尼系数为0.19~0.34,耗能能力强。YuntianWu进行了两个大比例尺寸的预制柱钢梁组合结构试验研究,试验中,钢梁和预制混凝土柱通过高强螺栓进行连接。研究表明:预制柱钢梁组合结构具有较好的强度和屈服后变形能力,在延性系数达到5之后,结构仍然具有良好的强度和刚度。土耳其的Ertas进行了预制混凝土梁柱节点的低周反复加载试验研究。试验表明:后浇整体式节点、螺栓连接节点、焊接连接节点与现浇节点都表现出良好的抗震性能,而螺栓连接节点在强度、耗能、延性和方便施工等方面表现出更大的优势,适合在实际工程中推广应用。Ousalem完成了预制高强混凝土结构的低周反复加载试验,预制梁在跨中进行螺栓拼接连接,预制梁在梁端与柱采用套筒灌浆连接。研究表明:低周反复荷载作用下,梁端出现塑性铰,螺栓连接拼接板处有足够的强度和刚度,没有出现塑性铰。焊接连接节点需在施工现场进行焊接作业,由于焊接作业的特点,焊接连接节点具有较大的局限性。螺栓连接节点跟焊接连接节点相比具有施工速度快,不受施工现场场地限制,天气等因素的影响,因此螺栓连接节点更适合于装配式结构。2.5节点计算模型1预应力混凝土结构体系Priestley和Tao对具有不同初始周期和滞回模型的单自由度体系进行了时程分析,所采用的四种滞回模型分别为:a.线弹性模型(代表具有无限强度的线弹性体系);b.双线性弹性模型(代表无黏结预应力结构体系);c.双线性弹塑性模型(代表现浇钢筋混凝土结构体系);d.双线性退化模型(代表有黏结预应力结构体系,其在卸载后期刚度退化接近于零)。Priestley和Tao的研究表明:无黏结预应力混凝土结构的延性需求不大于完全黏结预应力混凝土结构;对于中长周期结构,无黏结预应力混凝土结构的延性需求要稍大于现浇钢筋混凝土结构。El-Sheikh等采用有限元软件OpenSEES对后张拉无黏结预应力混凝土框架的抗震性能进行了数值模拟研究。图3为无黏结预制预应力混凝土梁柱节点数值模型,其中预应力钢筋沿着梁的中轴线对称布置,在梁的大部分长度范围内采用无黏结形式。采用纤维梁柱单元(nonlinearBeamColumnelement)来模拟混凝土梁柱,无黏结预应力筋采用桁架单元(trusselement)模拟,节点核心区的剪切变形采用一个零长度转动弹簧单元(Zero-Lengthelement)模拟。2节点材料和结构节点的刚度对框架结构抗震性能的影响Debs通过数值模拟研究了节点的强度和刚度对结构受力性能的影响。研究表明:半刚性节点能够有效评估节点的连接强度。尽管节点刚度具有不确定性,但节点刚度的变化对柱角的弯矩和顶点位移影响不大。Hawileh建立三维混合连接节点的有限元模型,模拟其在低周反复加载作用下的受力性能。数值模拟中,利用实体单元和接触单元模拟梁柱接触表面,考虑预应力的作用以及钢筋混凝土的材料非线性。研究表明:数值模拟结果和试验结果比较接近;在整个试验过程中,预应力钢筋的应力远低于屈服应力;最终由于耗能软钢的断裂导致整个节点的破坏。Sucuoglu研究了装配式结构节点的半刚性对其结构抗震性能的影响。研究表明:当节点固接系数p>0.8时,预制混凝土框架结构与现浇混凝土框架结构的抗震性能差别不大;当节点固接系数p<0.8时,节点的半刚性对结构整体抗震性能的影响较大。蔡建国研究了节点刚度对预制框架结构受力性能的影响。研究表明:当梁的线刚度与节点转动刚度的比值α>5,结构受力性能与节点铰接时相近,而当α<0.04时,节点连接可视为刚接。3节点连接分类欧洲混凝土结构设计规范EC2主要将其预制混凝土节点连接分为受压型节点连接、受拉型节点连接和剪切型节点连接。其中受压型节点连接方式主要用于柱的连接,剪切型连接主要用于剪力墙墙板的连接,受拉型节点连接主要用于吊装时的节点连接。按照美国NEHRP(NationalEarthquakeHazardsReductionProgram)2000规范,预制混凝土框架连接可以分为等效现浇连接和装配式连接,等效现浇连接要求达到或超过现浇混凝土连接的抗震性能,装配式连接和现浇混凝土连接力学性能不同,NEHRP另行给出抗震规定。常用的等效现浇节点有后浇整体式和预应力拼接式,常用的装配式节点有焊接节点和螺栓连接节点。新西兰混凝土结构设计规范NZS3101将预制混凝土结构的节点分为有限延性连接、铰接延性连接和混合延性连接。其中铰接延性连接的连接钢筋主要为后张拉预应力筋,混合延性连接的连接钢筋包括后张拉预应力钢筋,低屈服点钢筋和其他相应的耗能元件。国内,CECS43—92《钢筋混凝土装配整体式框架节点与连接设计规程》介绍了柱与柱的连接方式、柱与梁的连接方式。江苏省工程建设推荐性技术规程JG/T034—2009《预制混凝土装配整体式框架(润泰体系)技术规程》和上海市建筑产品推荐性应用标准DBJ/CT082—2010《润泰预制装配式混凝土房屋结构体系