韓建強，齊鳳，王印會，劉洋

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

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預(yù)壓裝配節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點抗震性能試驗

韓建強1，2，齊鳳1，王印會1，劉洋1

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)；節(jié)點；抗震性能

通過對梁柱節(jié)點附加阻尼器和現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點進行進行低周反復(fù)荷載試驗，研究其滯回曲線、骨架曲線、剛度退化曲線、耗能能力曲線及殘余變形等抗震性能。結(jié)果表明：附加阻尼器的預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點在變形恢復(fù)能力、耗能等性能優(yōu)于現(xiàn)澆框架節(jié)點，附加適當(dāng)?shù)淖枘岷哪艽胧⒃陬A(yù)制裝配構(gòu)件中得到肯定，并將得到廣泛應(yīng)用。

0 引言

目前，我國建筑行業(yè)主要以現(xiàn)場泵送混凝土為主，施工建造的時間長，需要大量勞動力，建筑過程中會產(chǎn)生大量的垃圾以及一些建筑材料的浪費；在城市中，大量施工設(shè)備機械的使用會產(chǎn)生許多噪音，影響附近居民的生活[1]。針對這些缺點，研究人員提出預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，它可以減少勞動量，減少勞動力的投入，提高機械設(shè)備的使用，加快施工速度，現(xiàn)場無濕作業(yè)，還可有效地節(jié)省能源，可降低施工設(shè)備產(chǎn)生的噪音對周圍的影響，并可降低施工中留下的鋼筋、混凝土、鐵絲、木板等垃圾。但是由于預(yù)制構(gòu)件節(jié)點連接不牢固，在地震作用下會發(fā)生破壞。根據(jù)許多地震后的勘測，對于預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的損壞主要體現(xiàn)在節(jié)點處[2]。所以，預(yù)制構(gòu)件節(jié)點的受力性能必須要高度重視。國內(nèi)許多學(xué)者們對預(yù)制結(jié)構(gòu)進行了大量研究[3-5]，例如王冬雁等人[6-7]通過對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配梁試件進行低周反復(fù)荷載載試驗，結(jié)果表明：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配梁抗震性能良好，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)作比較，裝配試件的耗能性能差，但其位移延性優(yōu)于現(xiàn)澆，試件殘余變形??；預(yù)應(yīng)力筋在加載初期對試件承載力影響比較大，隨著位移的增大，預(yù)應(yīng)力筋對試件的影響降低。韓建強等人[8]通過對一榀預(yù)應(yīng)力裝配式加固混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了低周反復(fù)加載試驗并進行有限元分析，得到了預(yù)應(yīng)力裝配式框架破壞方式、滯回曲線、骨架曲線及耗能曲線等。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力裝配加固混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力；開裂荷載較大，位移延性由于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，變形恢復(fù)能力強，殘余變形小。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗設(shè)計

本次試驗按照1：1梁柱節(jié)點進行現(xiàn)場裝配，設(shè)計現(xiàn)澆中節(jié)點1個如圖1所示(試件XJZ-1)，附加阻尼器的中節(jié)點2個如圖2所示(試件ZPZ-2，試件ZPZ-3)，配筋同現(xiàn)澆，對于2個裝配試件來說，試件由達到強度的預(yù)制梁、預(yù)制柱通過在預(yù)制梁柱中預(yù)留的孔洞穿鋼絞線組合在一起。在梁柱的結(jié)合處，灌注大約10 mm左右的高強砂漿，養(yǎng)護結(jié)合處的高強砂漿達到設(shè)計強度的75%以上。對鋼絞線進行張拉錨固，預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力分別取0.2fpy、0.3fpy，3個試件的梁截面尺寸均為200 mm×400 mm，柱截面尺寸均為 400 mm×400 mm，混凝土采用C40，所有鋼筋采用 HRB400熱軋鋼筋。

圖1 試件XJZ-1截面尺寸及配筋

圖2 試件ZPZ-2、ZPZ-3 截面尺寸

1.2 試驗方案

試驗在一個類似門式的鋼架下進行加載試驗。施加水平低周反復(fù)荷載的位置在柱頂?shù)膫?cè)面，柱子底部放在可以轉(zhuǎn)動的鉸支座的柱帽內(nèi)，四周用鋼板固定。梁端放在可以水平移動的上下2個鋼滾輪內(nèi)并加以固定，在柱頂用千斤頂施加恒定的軸力，軸力大小為781 kN,柱頂側(cè)面的水平反復(fù)荷載由 MTS 電液伺服作用器施加。加載裝置如圖 3所示。

試驗采用荷載-位移正反2個方向的加載方式進行[9]。加載初期，采用正反荷載控制的加載方式，等構(gòu)件出現(xiàn)屈服后，采用正反位移控制的加載方式進行加載，直至構(gòu)件完全破壞為止。加載方案如圖4所示。

圖3 加載裝置

圖4 加載方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 滯回曲線

滯回曲線在正反荷載位移加載作用下，得到節(jié)點的荷載-位移曲線。從滯回曲線中可以看出節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的耗能、變形等情況，滯回曲線是結(jié)構(gòu)抗震性能的依據(jù)。

如圖5為3個試件的滯回曲線。

圖5 滯回曲線

從圖5的滯回曲線可得：

(1) 在加載初期，現(xiàn)澆梁柱節(jié)點的滯回曲線形狀較飽滿，但隨著位移的增加，附加阻尼器的滯回曲線逐漸加大，所以在地震作用下，附加阻尼器的構(gòu)件將消耗更多的能量；

(2)不同預(yù)壓力相同配筋率滯回曲線的面積不同，預(yù)壓力為0.3fpy的試件ZPZ-2的滯回曲線的面積大于預(yù)壓力為0.2fpy的試件ZPZ-3；

(3)由于在試件ZPZ-2、ZPZ-3放入了預(yù)應(yīng)力鋼絞線，對梁存在約束作用，捏攏效應(yīng)相對于現(xiàn)澆試件XJZ-1比較明顯；

(4)由于摩擦阻尼器的使用，試件ZPZ-2、ZPZ-3變形恢復(fù)能力、承載力高于現(xiàn)澆試件XJZ-1，并且試件ZPZ-2的承載能力高于試件ZPZ-3。

2.2 骨架曲線

骨架曲線是每次正反2個方向加載到最大值的一條軌跡線。從骨架曲線中，得到節(jié)點在不同的變形的峰值點，是確定恢復(fù)力模型中特征點的重要依據(jù)。

如圖6為3個試件的骨架曲線。

圖6 骨架曲線

從圖6的骨架曲線可得：

(1)現(xiàn)澆節(jié)點XJZ-1經(jīng)歷了彈性、屈服、強化3個階段，直到加載結(jié)束基本保持水平直線，而預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點ZPZ-2、ZPZ-3在加載初期，基本保持彈性狀態(tài)，隨著荷載的增加，不斷上升，直到最后加載結(jié)束，骨架曲線仍呈上升趨勢，由此可知，預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點承載力高于現(xiàn)澆節(jié)點；

(2)依據(jù)圖中正向加載所示，位移在10 mm前，3個試件骨架曲線大致相近，位移在10 mm后，預(yù)應(yīng)力較大的裝配節(jié)點ZPZ-2的曲線斜率大于預(yù)應(yīng)力較小的裝配節(jié)點ZPZ-3的曲線斜率，試件ZPZ-2的荷載峰值點高于試件ZPZ-3，由此可得，在相同配筋率不同預(yù)應(yīng)力下試件ZPZ-2的承載能力高于試件ZPZ-3；圖中反向加載可以看出，現(xiàn)澆節(jié)點出現(xiàn)了屈服荷載，而2個預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點沒有出現(xiàn)，由此可得，預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點的極限荷載遠遠大于現(xiàn)澆節(jié)點。

2.3 剛度退化曲線

剛度退化是在正反荷載的作用下，最大值保持一樣時，最大值位移會隨著往復(fù)次數(shù)增加而增加的現(xiàn)象。

如圖7為3個試件的剛度退化曲線。

圖7 剛度退化曲線

從圖7的剛度退化曲線可得：

正向與反向得到的剛度退化曲線大致對稱；現(xiàn)澆節(jié)點XJZ-1的初始剛度高于2個裝配節(jié)點ZPZ-2、ZPZ-3，由于阻尼器的使用，現(xiàn)澆節(jié)點剛度退化的速度快于2個裝配節(jié)點。

2.4 耗能能力

耗能能力可以作為抗震性能的一個參數(shù)指標。耗能能力依據(jù)滯回曲線的面積來表示其大小，滯回曲線的面積越大，耗能能力越強，滯回曲線的面積越小，耗能能力越弱。

試驗的3個試件的正向加載耗能能力曲線如圖8所示。

圖8 耗能能力曲線

從圖8的耗能曲線可得：

正向加載位移為15 mm前，3個試件耗能能力差不多，隨著位移的不斷增加，預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點耗能高于現(xiàn)澆節(jié)點，位移越大，預(yù)壓力大的裝配節(jié)點耗能能力強于預(yù)壓力小的裝配節(jié)點。

2.5 殘余變形

結(jié)構(gòu)承受外荷載作用，變形達到最大，卸荷至零后，結(jié)構(gòu)的變形慢慢恢復(fù)，結(jié)構(gòu)未能恢復(fù)的變形稱為結(jié)構(gòu)的殘余變形。殘余變形大的結(jié)構(gòu)，不利于結(jié)構(gòu)的修復(fù)。裝配試件的"捏攏"現(xiàn)象較明顯，說明裝配試件的變形恢復(fù)能力優(yōu)于現(xiàn)澆試件。

試驗按荷載-位移分級加載的方式進行，通過StrainBook 動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)，可以得到每級加載卸荷后的位移，即得到結(jié)構(gòu)的殘余變形如圖9所示。由于加載初期，試件變形小，殘余變形曲線從位移加載開始。試驗也采集到了試件破壞時的最大位移及卸荷后的殘余變形位移，即得到殘余變形率，如下所示)。

圖9 殘余位移曲線

從圖9的殘余位移曲線可得：

(1)由殘余位移曲線可知，現(xiàn)澆試件的殘余位移大于裝配試件。位移加載初期，各個試件處于彈性階段，殘余位移均很小，隨著位移的增大，各試件的殘余位移逐漸增大。

(2)對于裝配試件，相同配筋率下，正向加載初期，預(yù)應(yīng)力大的試件ZJZ-2的殘余變形小于預(yù)應(yīng)力小的，加載結(jié)束時，二者相差不大。反向加載時，預(yù)應(yīng)力小的試件ZJZ-3的殘余變形明顯大于預(yù)應(yīng)力大的試件，施加預(yù)應(yīng)力可以提高試件的變形恢復(fù)能力。

表1 實測試件殘余位移匯總

從表1實測試件殘余位移匯總可得：

現(xiàn)澆試件的殘余變形率為0.82～0.87，裝配試件的殘余變形率為0.42～0.54，現(xiàn)澆試件的殘余變形率最大的約為裝配試件殘余變形率最小的2倍?，F(xiàn)澆試件在低周反復(fù)荷載作用下，梁端負彎矩增大，梁上部鋼筋屈服，屈服殘余變形較大，卸載后，不容易恢復(fù)。裝配試件由于預(yù)應(yīng)力筋的存在，抵抗了梁端負彎矩，使梁內(nèi)鋼筋殘余變形小，卸載后容易恢復(fù)。

3 結(jié)論

(1)不同預(yù)壓力相同配筋率的滯回曲線的面積不同，預(yù)壓力大的裝配節(jié)點ZPZ-2滯回曲線的面積大于預(yù)壓力小的裝配節(jié)點ZPZ-3；隨著位移的增加，裝配節(jié)點的滯回環(huán)大于現(xiàn)澆節(jié)點。

(2)由于鋼絞線對梁的約束作用，明顯提高了裝配節(jié)點的屈服荷載，卸載后裝配節(jié)點可以恢復(fù)變形。因此，預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點變形能力強于現(xiàn)澆節(jié)點。

(3)由于阻尼器的使用，現(xiàn)澆節(jié)點剛度退化的速度快于2個裝配節(jié)點。

(4)大位移下，預(yù)壓力大的裝配節(jié)點耗能能力強于預(yù)壓力小的裝配節(jié)點；隨著位移的不斷增加，預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點耗能高于現(xiàn)澆節(jié)點。

(5)位移加載初期，各試件的殘余變形均很小，隨著位移的增大，裝配試件表現(xiàn)出很好的變形恢復(fù)力，殘余變形小于現(xiàn)澆試件?，F(xiàn)澆試件在低周反復(fù)荷載作用下，梁端負彎矩增大，梁上部鋼筋屈服，屈服殘余變形較大，卸載后不容易恢復(fù)。裝配試件由于預(yù)應(yīng)力筋的存在，抵抗了梁端負彎矩，使梁內(nèi)鋼筋殘余變形小，卸載后容易恢復(fù)。

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Experiment on Seismic Performance of Prestress Assembled Node and Cast Node

HAN Jian-qiang1,2,QI Feng1,WANG Yin-hui1,LIU Yang1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China;2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,Tangshan Hebei 063210,China)

the prestress assembled frame structure; node; seismic performance

Through additional damper beam-column joints and pouring concrete frame beam-column node low cyclic loading test,the seismic behavior of hysteresis curves,skeleton curves,energy dissipation ,stiffness degradation curve curves and residual deformation were studied.The results show that precast concrete frame structure nodes additional damper deformation resilience,energy and other properties are better than cast frame joints,additional appropriate damping energy measures would be certainly affirmed in prefabricated members,and will be widely applied.

2095-2716(2017)03-0032-06

2016-12-02

2017-04-20

國家自然科學(xué)基金項目資助(51208171)，河北省科技支撐計劃項目(13273809)，河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項目(ZD2014021)。

TU378

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