现浇柱叠合梁框架节点足尺模型试验研究

现浇柱叠合梁框架节点足尺模型试验研究

0节点试验研究预制混凝土结构与预制混凝土结构相比，具有现场施工操作少、施工速度快、经济效益高、耐久性好等优点。目前，许多欧洲和美国国家已广泛使用这种结构形式。根据预制构件所占比例以及施工方法的不同,预制混凝土结构主要可分为两种结构形式,即全装配式和装配整体式。现浇柱叠合梁框架是装配整体式结构中应用最为广泛的形式之一。节点是钢筋混凝土框架结构中抗震的一个薄弱环节,在预制框架结构中这一问题更加突出。国内外几次大地震(例如1976年的唐山大地震、1988年的亚美尼亚Leninakan地震和1999年的土耳其Marmara地震)的震害调查表明,地震中有大量预制结构梁柱框架节点的核心区遭受破坏。在国外,French等人通过对不同类型的预制预应力混凝土节点的试验得出后张预应力试件的强度和耗能能力与现浇对比试件相近的结论;2006年OnurErtas等人对采用节点区现浇的预制混凝土节点进行了试验研究,得出其强度和耗能指标均能满足要求的结论。在国内,1998年林宗凡对全装配式预制混凝土结构节点进行了试验研究,认为预制混凝土结构的抗震性能受梁柱节点连接构造的影响较大;2005年赵斌等人的研究表明高强预制混凝土结构后浇整体式梁柱组合件与现浇高强混凝土结构梁柱组合件具有相近的抗震能力。目前,国内外关于预制混凝土框架节点研究存在的主要问题为:①已有试验研究主要针对梁、柱均为预制构件的节点,而对于现浇柱叠合梁框架节点的试验研究尚未见相关文献;②已有节点试验大部分为缩尺模型试验,对于足尺试件的试验较少;③目前国内外对于预制混凝土框架节点的研究大都局限于平面节点,而梁-板-柱节点的研究很少,对于考虑板影响的预制混凝土框架节点研究尚未开展;④顶层框架节点的试验研究少且均针对现浇框架节点,对于带有叠合板的混凝土框架顶层节点的试验研究尚属空白;⑤在美国的UBC1997及新西兰的NZS3101∶1995等规范中对预制混凝土框架结构的设计作了一些笼统的规定,没有对该结构形式给出详细的要求。而我国关于这方面的试验研究较少,《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)中尚无对预制混凝土结构在地震区应用的具体规定。与目前常用的现浇柱叠合梁框架节点(图1a)相比,本文所研究的节点(图1b),尽管现场湿作业和支撑模板数量略有增加,但可以使梁内薄弱截面避开最不利位置(弯矩和剪力最大的截面)。鉴于此,在本课题组已完成钢筋混凝土T型叠合梁抗震性能试验研究的基础上,对现浇柱叠合梁框架节点在低周反复荷载作用下的破坏形态、滞回曲线、位移延性、刚度退化、耗能能力、预制梁与预制板之间和预制板与现浇板之间的滑移等进行了较系统的研究。1试验设计1.1节点结构参数的确定以一幢六层现浇柱叠合梁框架实际工程为背景,按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)的要求进行设计,取4种典型的节点形式(即中节点PCJ-1、边节点PCJ-2、平节点PCJ-3、角节点PCJ-4)作为研究对象。考虑到上部结构传下来的竖向荷载,中节点PCJ-1的试验轴压比取为0.4,边节点PCJ-2的试验轴压比取0.3,平节点PCJ-3、角节点PCJ-4由于在实际结构中柱内轴向力较小,故忽略轴向力的影响。为了提高节点的整体性,采取了以下措施:①采用了一种新型混凝土叠合梁(图2),预制板可直接支撑在预制梁上;②在距柱面一倍梁高范围内梁段的混凝土与柱一起浇筑(图1b);③为了保证新旧混凝土之间能协同工作,在预制混凝土梁的端部设置了榫头(图2),且对榫头和预制板的表面做了拉毛处理;④在预制板沿梁长方向上留置凹槽用来放置拉结钢筋以增加其整体性。各试件的几何尺寸和配筋见图3,节点中叠合梁的配筋见文献。文献中试件RCJ-1和RCJ-2的尺寸及配筋分别与试件PCJ-1和PCJ-2相同,可作为对比试件。钢筋的实测力学性能见表1,试验时试件中预制混凝土和现浇混凝土实测力学性能见表2。现浇柱叠合梁框架节点的施工顺序为:①在预制梁端架设支撑;②把预制板按要求支撑在预制梁上;③在预制板上布置现浇板中的钢筋;④绑扎柱中钢筋;⑤支模;⑥浇筑混凝土。1.2梁的横向位移调整4个试件的加载示意图如图4所示。图中所标尺寸为支座反力点间和反力点与加载点之间的距离。试件制作时,考虑到下柱端底部铰支座高度的因素,对上、下柱的长度进行调整。专门设计了用于梁端的滚动支座以实现梁端的水平移动和转动而限制其竖向位移。所有试验均在同济大学建筑结构试验室10000kN多功能试验机上进行,该多功能试验机可以实现竖向荷载对柱端侧移的全自动跟踪以考虑P-Δ效应的影响。底层2个节点均用10000kN的液压千斤顶施加竖向荷载,加至预定试验轴压比后,再在上柱端施加水平低周反复荷载;在施加竖向荷载过程中保持梁端处于自由状态以避免柱身变短在梁内产生附加弯矩。1.3试件荷载位移混合控制试验水平加载按照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101—96)中规定的标准加载方法——荷载位移混合控制的加载方法进行,在试验过程中保持柱顶轴向力的大小不变。试件开裂前以荷载控制进行加载,开裂后以层间侧移NH/200(N=1、2、3……,层高H=2800)进行控制加载,每级位移下循环3次。加载制度如图5所示。1.4节点核心区变形主要量测内容包括:①竖向及水平荷载值;②反复荷载下的柱端(或梁端)位移;③核心区内箍筋应变及梁、柱关键截面纵筋应变;④节点核心区的剪切变形;⑤预制梁与预制板、预制板与现浇板间的相对滑移。采用英国Solartron(SI35951BIMP)Instrument数据采集系统进行数据采集。2试验结果与分析2.1梁端破坏情况试件的最终破坏形态如图6所示。4个节点的破坏过程与破坏形态的主要特点为:①中节点、边节点和平节点的初裂位置均为梁中新旧混凝土界面处,而角节点在加载过程中柱上首先出现弯曲裂缝;②4个节点最终破坏形态均为梁端受弯破坏,具体表现为梁端底部的混凝土压碎剥落、部分梁端底部纵向钢筋拉断;③中节点和平节点中柱两侧梁端裂缝分布基本对称,最终破坏时在柱两侧梁端顶部各形成一条主裂缝;④平节点和角节点的核心区破坏较底层其他2个节点的严重;⑤试验结束后,沿梁端破坏截面把梁截断,在相应的破坏断面上没有发现叠合板中新旧混凝土之间有明显水平裂缝,可见为了增加新旧混凝土之间整体工作性而采取的措施如预制板表面的拉毛处理、预制梁中的预留外伸箍筋等是十分有效的。中节点和边节点的破坏形态分别与文献中试件RCJ-1和RCJ-2的较为一致,均为梁端形成塑性铰破坏,2种类型节点的主要差别在于现浇柱叠合梁框架节点的初裂位置为梁中新旧混凝土界面处,而文献中现浇节点的初裂位置则为柱侧梁端截面。2.2试件结构滑移试验过程中,量测了预制梁与预制板之间、预制板与现浇板之间的滑移,滑移曲线如图7所示。从这些滑移曲线可以看出:(1)预制梁与预制板间和预制板与现浇板间的滑移有随着柱端侧移的增大而增加的趋势。(2)试件屈服(这里所提及的屈服是根据能量法确定的)时,PCJ-1中现浇板与预制板间正、反向的滑移分别为0.001mm和0.069mm;PCJ-2中正、反向的滑移分别为0.085mm和0.097mm;PCJ-3中正、反向的滑移分别为0.011mm和0.068mm;PCJ-4中正、反向的滑移分别为0.001mm和0.002mm。(3)试件屈服时,PCJ-1中预制梁与预制板间正、反向的滑移分别为0.004mm和0.028mm;PCJ-2中正、反向的滑移分别为0.023mm和0.015mm;PCJ-3中正、反向的滑移分别为0.087mm和0.023mm;PCJ-4中正、反向的滑移分别为0.3mm和0.4mm。(4)预制板与现浇板之间和预制梁与预制板之间的滑移在柱侧移增大的过程中有突变,突变发生于层间相对位移为3/200～1/50时,且规律类似,这个突然变化应是中间的预制板与上、下的现浇板和预制梁之间的错动而引起的。2.3滞回特性分析滞回曲线是指结构(或构件)在低周反复荷载下,作用在结构上的力与对应位移之间的关系曲线,它是结构(或构件)抗震性能的综合体现。4个试件的滞回曲线如图8所示。可见:(1)在各节点的滞回曲线上均有4个特征点,即开裂点、屈服点(根据能量法确定)、峰值点和极限点(承载力下降到峰值荷载85%时对应的点)。(2)在梁端钢筋屈服前,4个试件的滞回环均呈梭形,滞回曲线较为饱满,在后期由于梁端及核心区混凝土的开裂,呈现出一定程度的捏拢现象,而相比之下平节点和角节点的滞回曲线捏拢现象较其他2个节点明显,角节点的尤为突出,说明平节点和角节点的耗能性能较其他2个节点的差。(3)随着侧移的增大,梁端塑性铰的形成和发展,各个节点的滞回环所包围的面积随着侧移的增加而增大,表现出耗能能力不断增加。(4)试件PCJ-1和PCJ-2的滞回曲线分别与文献中试件RCJ-1和RCJ-2的较为相似,且均饱满,表明现浇柱叠合梁框架节点与现浇对比试件有相近的耗能能力;对于试件PCJ-2和PCJ-4,由于板对梁负弯矩承载能力的有利影响,两个方向的承载能力相差较大;试件PCJ-4的正向承载能力(承受闭合弯矩)明显高于其负向承载能力(承受张开弯矩)。(5)对于试件PCJ-1和PCJ-2,由于核心区仅有轻度开裂,试件的滞回特性由梁端的转动能力所决定,荷载达到峰值点后逐渐下降主要是由于梁端上下纵筋的屈服和混凝土的软化造成的;对于试件PCJ-3和PCJ-4,核心区及柱身混凝土的开裂较其他2个试件严重,其滞回性能由梁端的转动、核心区以及柱身开裂程度所决定。(6)4个节点的滞回曲线上,在正、反两方向上,分别存在一个较明显的定点。2.4极限剪切变形4个现浇柱叠合梁框架节点的荷载-剪切角骨架曲线如图9所示。由这些骨架曲线可以看出:(1)平节点和角节点核心区的极限剪切变形显著大于其他2个节点的。(2)中节点和边节点试件的核心区剪切变形很小,表明其核心区的破坏较轻微,这与观察到的试验现象十分吻合。(3)角节点核心区剪切变形最大,表明其核心区破坏最为严重,这与观察到的试验现象较为一致。2.5节点的位移延性延性是衡量结构抗震性能的一个重要指标。考察节点延性常用极限位移Δu和屈服位移Δy之比,即位移延性系数μ=Δu/Δy来表示。为了对现浇柱叠合梁框架节点的位移延性准确评定,采用能量法确定屈服节点的屈服位移。各节点的荷载特征值和延性系数见表3。从表中数据可以看出:(1)试件PCJ-1正、反向的位移延性系数分别为5.6和5.8,试件PCJ-2正、反向的位移延性分别为4.1和4.2,文献中试件RCJ-1正、反向的位移延性系数分别为7.2和6.6,试件RCJ-2正、反向的位移延性系数分别为4.4和4.1,说明现浇柱叠合梁框架节点的位移延性略低于现浇混凝土框架节点的,这是由于现浇柱叠合梁框架节点中,柱和节点核心区均未破坏,其整体的位移延性由梁端的转动能力所决定,根据已有的试验结果,该种形式叠合梁的延性略低于对应的现浇对比试件。试件PCJ-1和PCJ-2的承载能力与现浇对比试件的相差在12%以内,说明现浇柱叠合梁框架节点的承载能力与现浇混凝土节点的较为接近。(2)试件PCJ-3正、反向的位移延性系数分别为5.8和4.8,试件PCJ-4正、反向的位移延性系数分别为2.4和2.5,说明角节点与其他节点位移延性相比较,其位移延性最差,在实际工程中应采取措施以提高其位移延性。(3)文献和的研究表明现浇框架平节点的位移延性系数在3.0～5.5之间,而顶层中节点PCJ-3正、反向的位移延性均接近上限值,说明现浇柱叠合梁框架平节点的位移延性不低于现浇混凝土框架平节点的延性。(4)框架中节点的位移延性要好于边节点。(5)中节点的Δy/Δcr比值大于边节点的相应比值,表明中节点开裂后的安全余度较边节点的大。2.6节点的刚度退化刚度退化是指在位移幅值不变的条件下,结构或构件的刚度随反复荷载的次数增加而降低的特性。对于节点,常用环线刚度Kj来表示刚度退化,环线刚度定义如下:Kj=∑i=1nPij/∑i=1nγijΚj=∑i=1nΡji/∑i=1nγji,其中,Pijji为第j级加载时,第i(i=1、2、3)次循环的峰值点荷载值;γijji为第j级加载时,第i次循环的峰值点变形值;n为循环次数。各节点刚度退化见图10。可以看出:(1)4个现浇柱叠合梁框架节点刚度退化特点基本一致。(2)各试件在整个反复加载过程中,刚度退化明显;试件的刚度退化主要发生在开裂后至屈服前的阶段,屈服后阶段发生的刚度退化相对不显著。(3)层间相对位移为1/50时,PCJ-1的环线刚度下降到其开裂刚度的11.0%～12.4%,PCJ-2的环线刚度下降到其开裂刚度的13.1%～16.3%,PCJ-3的环线刚度下降到其开裂刚度的20.1%～21.2%,PCJ-4的环线刚度下降到其开裂刚度的45.1%～52.3%,可看出中节点环线刚度的退化较边节点的严重,平节点的刚度退化较角节点的严重。试件PCJ-1和PCJ-2的刚度退化规律分别与文献中试件RCJ-1和RCJ-2的一致,说明现浇柱叠合梁框架节点的刚度退化规律与现浇混凝土节点是一样的。(4)平节点的刚度大于中节点的刚度,顶层角节点正、反两方向上刚度差别较大。(5)对于初始刚度越大的节点,刚度退化越严重。2.7材料的主要滞回特征恢复力模型是指包括构件(或结构)力与变形关系骨架曲线以及各变形阶段滞回特征的数学模型,它是对结构进行弹塑性时程分析的重要依据。在试验研究的基础上,通过对4个节点试件的P-Δ滞回曲线、骨架曲线以及特征荷载的分析,得到了荷载-柱端位移的四折线型恢复力模型,如图11所示。表4所列数据为节点恢复力模型的归一化特征参数值。其主要滞回特征如下:(1)构件的正反向骨架曲线均简化为四折线,特征点分别为开裂点、屈服点、峰值点和极限点,正反向均考虑下降段。(2)在梁端开裂前,加载段的刚度取初始的弹性刚度K1,在卸载时不考虑刚度退化和残余变形。(3)在开裂点与屈服点之间的区段内,加载刚度取刚度K2,卸载时考虑刚度退化和残余变形的影响。(4)在屈服点与荷载峰值点之间的区段内,加载刚度取屈服后的刚度K3;在荷载峰值点与极限点之间,加载刚度取刚度K4。(5)卸载刚度把初始弹性刚度K1按β值的不同进行折减并指向横轴,卸载后的反向再加载路线为从卸载零点指向反向定点M(或N),然后沿着骨架曲线前进。上述中,K1=Pcr/Δcr;K2=(Py-Pcr)/(Δy-Δcr);K3=(Pmax-Py)/(Δmax-Δy);K4=(Pu-Pmax)/(Δu-Δmax);β=(Δy/Δm)γ,Δy为屈服位移,根据能量法确定,Δm为已经历过的最大位移值,γ为系数,根据试验结果计算确定;Pu为峰值点荷载的85%,Δu为Pu对应的位移值。2.8节点能耗性能基于试件在低周反复荷载下的滞回曲线,可以对试件在弹性及弹塑性变形阶段