肖松濤 云南工商學(xué)院

1 引言

預(yù)制裝配式的混凝土建筑結(jié)構(gòu)憑借其自身的施工便捷性優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域當(dāng)中全面推廣開來，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)施工力學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)研究，能夠進(jìn)一步掌握和了解其在不同施工狀態(tài)下的承受能力，提高施工安全性。

2 研究背景

結(jié)合施工建造方式的差異，混凝土建筑結(jié)構(gòu)主要可以分成現(xiàn)澆式和裝配式兩種施工方式。其中現(xiàn)澆式混凝土施工主要是實(shí)施混凝土澆筑、綁筋、養(yǎng)護(hù)，在其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度要求后，針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆模工作。其主要優(yōu)勢(shì)為整體性較好、抗震性良好，其主要缺陷是施工工序較為復(fù)雜、施工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)需要開展大量的濕作業(yè)。而選擇裝配式混凝土施工能夠有效克服相關(guān)難題。其主要操作原理便是合理劃分混凝土結(jié)構(gòu)，將其分成數(shù)個(gè)單元，并在預(yù)制構(gòu)件廠以及預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)開展?jié)仓鳂I(yè)，促進(jìn)構(gòu)件初步成型，隨后將其轉(zhuǎn)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，開展吊裝作業(yè)，把不同配件連接到一起形成裝配結(jié)構(gòu)。

在建筑工業(yè)化發(fā)展背景下，對(duì)于預(yù)制裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)來說，相關(guān)節(jié)點(diǎn)技術(shù)主要發(fā)展方向?yàn)榱己每拐鹦阅?、較高的裝配度、簡(jiǎn)單快速的施工操作。選擇裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，還可以降低施工中的各種資源材料消耗浪費(fèi)，縮減建筑垃圾。裝配式結(jié)構(gòu)中，混凝土結(jié)構(gòu)框架擁有良好的整體性和結(jié)構(gòu)性，是建筑領(lǐng)域中應(yīng)用較為頻繁的一種結(jié)構(gòu)形式。在工業(yè)化生產(chǎn)以及模塊化生產(chǎn)過程中，結(jié)合混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)，能夠?qū)こ探ㄔO(shè)質(zhì)量進(jìn)行合理控制。本文將混凝土建筑框架結(jié)構(gòu)作為研究目標(biāo)，對(duì)于相關(guān)施工力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)中針對(duì)預(yù)制裝配式的混凝土建筑結(jié)構(gòu)受力狀況實(shí)施系統(tǒng)分析，并在低周反復(fù)荷載條件下針對(duì)混凝土框架的整理受力特征、恢復(fù)特點(diǎn)以及滯回性能、耗能能力等特征實(shí)施全面分析。和整澆形式的混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)施對(duì)比分析，全面掌握預(yù)制裝配式框架的結(jié)構(gòu)受力狀況。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了開展對(duì)比試驗(yàn)，此次試驗(yàn)中需要制作預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)框架和整澆的框架結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中所選擇的模型上1:3 比例的單跨平面框架，所有的模型全部都是兩層形式，整體跨度是2.46m，首層高度是1.03m，二層高度是0.93m。兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袥]有結(jié)合樓板貢獻(xiàn)進(jìn)行綜合考慮。針對(duì)兩個(gè)框架試件開展編號(hào)操作，分別是A1、A2，其中的A1是整澆的混凝土結(jié)構(gòu)，而A2 為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)框架。試驗(yàn)臺(tái)中，為了促進(jìn)試件的正常嵌固。試件設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)該適當(dāng)增加地梁，地梁整體高度是405mm，寬度是305mm。此外還應(yīng)該于地梁中預(yù)留吊環(huán)，如此才能方便吊裝工作的順利展開。針對(duì)試件開展設(shè)計(jì)工作中，針對(duì)二層梁的端部增加水平荷載，設(shè)置柱面突出梁頭，此外還需要增設(shè)承壓埋件，避免加載操作中破壞局部試件。于兩個(gè)框架柱子試件頂端設(shè)置承壓鋼板，并施加相應(yīng)的豎向荷載，避免壓壞局部試件。

按照計(jì)算結(jié)果分析，應(yīng)該在反彎點(diǎn)附近，針對(duì)A2預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)試件開展拆分拼接，保證連接板的均勻受力。針對(duì)二層柱子相關(guān)拼接位置，可以參考第二層柱凈高中間實(shí)施合理選擇。一層柱子在選擇拼接位置時(shí)，可以按照柱子凈高度的百分之三位置選擇。同樣的工程背景下，同步制作試件，兩個(gè)試件所應(yīng)用的混凝土和養(yǎng)護(hù)條件相同。

3.2 試件設(shè)計(jì)

為了開展試驗(yàn)對(duì)比，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)以及預(yù)制節(jié)點(diǎn)尺寸相關(guān)梁柱尺寸需要維持相同標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)縱筋鋼筋和受力箍筋也應(yīng)該維持相同長(zhǎng)度。其中柱的高度是1805mm，梁截面尺寸是455mm×255mm，梁的長(zhǎng)度是4050mm，柱截面尺寸是405mm×305mm。梁柱都是對(duì)稱配筋，梁內(nèi)上下，分別配置2Φ16 的縱筋，配置12Φ22的柱，其中梁柱混凝土是C45的強(qiáng)度等級(jí)，梁柱中的縱向受力鋼筋全部都設(shè)置為HRB335級(jí)的鋼筋，而將鋼板設(shè)置為Q235等級(jí)，將箍筋設(shè)置為HPB235等級(jí)。

3.3 材料力學(xué)性能

結(jié)合材料性能試驗(yàn)可以得到鋼材與混凝土強(qiáng)度，材料性能試驗(yàn)中的鋼筋與試件都屬于相同批次的鋼材，針對(duì)試件進(jìn)行澆筑工作的過程中，應(yīng)該同時(shí)針對(duì)混凝土立方實(shí)施澆搗處理。連接鋼板主要是選擇Q235 鋼材，縱筋和箍筋主要選擇HRB400 級(jí)鋼筋。鋼板和鋼材相關(guān)材料性能試驗(yàn)主要是利用電腦萬能拉力機(jī)實(shí)施相關(guān)操作。

試驗(yàn)中的混凝土材料全部選擇C35 型號(hào)混凝土，結(jié)束28天的養(yǎng)護(hù)工作后，繼續(xù)開展試驗(yàn)操作，試驗(yàn)中，需要針對(duì)立方體試件開展材料性能測(cè)試。

針對(duì)框架施加水平荷載的條件下，框架整體變?yōu)閺澕羰芰π问健榱四軌蚋鼮檎鎸?shí)地模擬框架底部結(jié)構(gòu)，應(yīng)該施加相應(yīng)的軸壓力，并于軸壓比之下開展框架試驗(yàn)，同時(shí)在水平荷載下模擬試件邊界條件。低周反復(fù)加載中試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 加載裝置

在反力墻中，主要是由500kN級(jí)別的液壓固定伺服助動(dòng)器施加水平荷載，通過鋼板以及預(yù)埋拉桿和頂層框架梁進(jìn)行有效連接，并向結(jié)構(gòu)施加低周反復(fù)水平荷載。通過反力架中支撐的兩個(gè)液壓千斤頂，通過人工操縱方式施加縱向壓力，并設(shè)置橫向水平滑車，如此能夠有效減少框架側(cè)移中所產(chǎn)生的摩擦力，模擬構(gòu)件的邊界條件。模型底部位置，應(yīng)該在試驗(yàn)室內(nèi)預(yù)埋槽道中通過螺栓實(shí)施固定錨固處理，并在反力墻和地梁端增加設(shè)置支撐鋼墊塊，如此能夠有效預(yù)防反力墻出現(xiàn)滑移問題。試件另一端和框架平面鋼梁之間呈現(xiàn)出垂直狀態(tài)，結(jié)合錨固反長(zhǎng)拉桿能夠有效避免試件出現(xiàn)滑移問題。該種加載操作較為簡(jiǎn)單，但卻忽略了柱頂側(cè)移過程中所形成的彎曲效應(yīng)。此次研究對(duì)象為相關(guān)軸壓比下兩層底部框架，受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)相同，是彎剪型受力形式，適合加載要求。試驗(yàn)中，結(jié)合梁柱上層液壓千斤頂，為試件施加軸向壓力，將軸壓力比值控制在0.21左右，并設(shè)置穩(wěn)壓設(shè)備。試驗(yàn)操作中，使豎向荷載維持不變狀態(tài)，施加水平荷載時(shí)，需要等待水平變形問題徹底恢復(fù)后再次實(shí)施。

彈性環(huán)節(jié)，結(jié)合荷載實(shí)施有效控制，其對(duì)于發(fā)現(xiàn)、確定結(jié)構(gòu)屈服荷載具有積極作用，提取10.5kN 并對(duì)荷載進(jìn)行有效的分級(jí)處理，逐級(jí)增加，各級(jí)需要進(jìn)行一次反復(fù)。在梁端力以及位移關(guān)系出現(xiàn)明顯的非線性點(diǎn)條件下，可以將其定義成屈服荷載。首次達(dá)到屈服條件下，可以聯(lián)系位移針對(duì)結(jié)構(gòu)循環(huán)實(shí)施加載控制，梁端屈服的條件下，可以按照位移倍數(shù)開展逐級(jí)加載操作，基于各級(jí)位移量條件下，應(yīng)該開展2 到3 次的循環(huán)操作，并在試件承載力降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被破壞的條件下，應(yīng)該立刻停止試驗(yàn)。

3.4 測(cè)量設(shè)備和測(cè)量對(duì)象

此次試驗(yàn)中，除了可以直接讀取千分表，以及針對(duì)柱頂施加軸壓力千斤頂按照油表顯示讀取數(shù)據(jù)之外，剩下的測(cè)試內(nèi)容都結(jié)合電子儀表開展測(cè)量工作。按照千斤頂相關(guān)油表顯示讀書，柱頂軸力把主軸壓比控制在0.21 左右，開始試驗(yàn)操作前，需要按照相應(yīng)的時(shí)間間隔，實(shí)施系統(tǒng)觀測(cè)，假如產(chǎn)生油壓降低的問題，則應(yīng)該立刻補(bǔ)充，維持恒定的軸力狀態(tài)。

針對(duì)側(cè)移測(cè)量工作，可以利用頂層框架中的梁軸線位移傳感裝置開展測(cè)量工作，接入MTS記錄儀，針對(duì)水平荷載下相關(guān)滯回曲線實(shí)施準(zhǔn)確繪制。首層邊節(jié)點(diǎn)外側(cè)，設(shè)置位移計(jì)，針對(duì)地梁外側(cè)設(shè)置位移計(jì)，測(cè)試地梁水平位移狀況，從而有效校正頂點(diǎn)滯回曲線。

開展測(cè)試工作中，針對(duì)試件進(jìn)行澆筑工作前，應(yīng)該于試件鋼筋中，粘貼鋼筋應(yīng)變片，在臨界界面和塑性鉸區(qū)域設(shè)置應(yīng)變片，加載中，結(jié)合梁柱縱筋內(nèi)應(yīng)變片，觀測(cè)主筋應(yīng)力發(fā)展變化。應(yīng)變片設(shè)置如圖2所示，結(jié)合TDS303靜態(tài)數(shù)據(jù)采集裝置，全面收集測(cè)試數(shù)據(jù)[1]。

圖2 應(yīng)變片設(shè)置

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同階段下的承載力

當(dāng)豎向荷載統(tǒng)一為232kN條件下，基于一定軸壓比，開展模擬試驗(yàn)。A1、A2 兩個(gè)構(gòu)件的極限荷載、破壞荷載、開裂荷載、屈服荷載如表1所示。

表1 試件A1、A2在不同階段的荷載值

通過分析上表能夠了解到A2和A1相比，其開裂荷載多出了20kN，預(yù)制拼裝構(gòu)件中，連接鋼板自身彈性變形特質(zhì)以及拼接縫能夠有效延遲混凝土構(gòu)件裂縫。和A1 相比A2 屈服荷載多出10kN，由此能夠看出預(yù)制裝配式相關(guān)框架彈性階段擁有較好的承載力。對(duì)于極限荷載而言，A2 相對(duì)較大，和A1 相比會(huì)多出39kN，主要是因?yàn)轭A(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造能夠有效延長(zhǎng)極限荷載的誕生。而A1柱腳相關(guān)混凝土產(chǎn)生損壞剝落的時(shí)間也要早于A2，導(dǎo)致A2破壞荷載更高。所從承載力角度分析，在不同發(fā)展階段中，預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)自身的承載能力更為突出。

4.2 滯回曲線

滯回曲線主要是基于某種反復(fù)荷載影響下，某個(gè)方向中的結(jié)構(gòu)荷載位移變化曲線。這也是反復(fù)受力中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)能量消耗、變形特征以及水平荷載變化的直接反應(yīng)。A1和A2的位移滯回曲線如圖3、4 所示。這一曲線能夠體現(xiàn)出受力性能在循環(huán)中的變化反應(yīng)，主要包含局部混凝土剝落、壓碎，混凝土黏結(jié)、裂縫閉合、鋼筋屈服強(qiáng)化等[2]。

圖3 A1試件

圖4 A2試件的滯回曲線

結(jié)合上面兩個(gè)圖形能夠初步了解到A1 和A2 相關(guān)滯回曲線全部都是梭形形狀，整體相似，滯回曲線較為飽滿，由此能夠進(jìn)一步體現(xiàn)出兩個(gè)不同構(gòu)件塑性變形效果。相同位移量級(jí)下，A1和A2相比，其荷載值要小一些，而A2會(huì)受到滑移影響，A2的滯回曲線于位移歸零位置呈現(xiàn)出小幅度聚攏狀態(tài)。開裂先，A2 和A1 兩個(gè)試件的受力與位移屬于線性關(guān)系，存在細(xì)微的殘余變形，構(gòu)件呈現(xiàn)出一種彈性運(yùn)行狀態(tài)。在A2和A1產(chǎn)生開裂問題后，基于荷載反復(fù)作用下，殘余變形相繼擴(kuò)大。該種條件下，試件是非線性運(yùn)行階段，而在荷載逐漸提升條件下，A2和A1兩個(gè)試件的滯回曲線開始朝著位移軸方向傾斜，滯回曲線越加飽滿，其覆蓋范圍也相繼擴(kuò)大，提高了實(shí)踐耗能效果?；谙嗤灰屏考?jí)之下，A2 和A1 在損傷積累的條件下，相關(guān)滯回覆蓋面積產(chǎn)生小幅度降低問題，框架耗能產(chǎn)生退化現(xiàn)象。

4.3 剛度退化

圖5是A2和A1兩個(gè)試件的剛度退化曲線，通過分析圖中數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柱頂位移量低于10.05mm條件下，相對(duì)剛度都超出了1.05，A2和A1試件相對(duì)剛度比較，A2相對(duì)剛度要低一些。當(dāng)柱頂位移達(dá)到10.05mm條件下，A2和A1兩個(gè)試件的相對(duì)高度呈現(xiàn)出近似現(xiàn)象。而在柱頂位移量超出10.05mm的條件下，A2相對(duì)高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A1相對(duì)高度。

圖5 A2和A1兩個(gè)試件的剛度退化曲線

通過分析發(fā)現(xiàn)，沒有明顯出現(xiàn)開裂點(diǎn)拐點(diǎn)之前，構(gòu)件的開裂現(xiàn)象不會(huì)對(duì)試件剛度產(chǎn)生太大影響。試件產(chǎn)生屈服后，抗側(cè)剛度開始降低，荷載提高幅度也相繼縮減。由此證明隨著位移量增加，荷載進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，隨后開始緩慢下降，是延性的直接體現(xiàn)。

4.4 黏滯阻尼系數(shù)

通過試驗(yàn)分析能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位移距離較小的條件下，等效黏滯阻尼系數(shù)也相繼變小。而隨著位移距離的持續(xù)擴(kuò)大，相關(guān)等效黏滯阻尼系數(shù)也逐漸擴(kuò)大。位移加載低于30mm 的條件下，A2 和A1 兩個(gè)試件的黏滯阻尼系數(shù)更為接近，而在位移量持續(xù)擴(kuò)大的條件下，A2 試件相關(guān)等效黏滯阻尼系數(shù)便成為A1試件的0.74倍。

4.5 延性比較

通過試驗(yàn)分析能夠發(fā)現(xiàn)，A2 和A1 相關(guān)位移延伸系數(shù)為3.9～4.2 的條件下，證明A2 和A1 位移延性系數(shù)能夠滿足抗震設(shè)計(jì)的延性要求，當(dāng)延性系數(shù)是5 的條件下，相關(guān)承載力沒有產(chǎn)生明顯的下降問題，證明預(yù)制裝配式構(gòu)建應(yīng)用性能較高。

5 討論

此次研究主要是將預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)框架當(dāng)成研究目標(biāo)，系統(tǒng)分析了其施工力學(xué)性能，并獲得下面幾種結(jié)論：第一是預(yù)制拼裝元件的過程中，連接鋼板相關(guān)彈性變形以及拼接縫能夠有效延緩混凝土構(gòu)件裂縫延展。A2和A1相比，在屈服荷載方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出10kN，證明預(yù)制裝配式框架在彈性階段擁有較高的承載力。

開裂前，A2和A1兩者受力與位移基本呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系，而在產(chǎn)生開裂問題后，基于反復(fù)荷載作用下，參與變形會(huì)相繼擴(kuò)大，在荷載逐級(jí)增加的條件下，A2 和A1 兩個(gè)試件相關(guān)滯回曲線呈現(xiàn)出飽滿趨勢(shì)，提高了試件耗能性。當(dāng)柱頂位移距離低于10.05mm 的條件下，A2 和A1 試件相關(guān)相對(duì)剛度比較，A2 相對(duì)剛度會(huì)更低一些。在柱頂位移達(dá)到10.05mm 條件下，A2和A1兩個(gè)試件的相對(duì)剛度更加接近。在柱頂位移距離超出10.05mm的條件下，A2和A1相比，擁有更大的相對(duì)剛度。隨著位移擴(kuò)大，等效黏滯阻尼系數(shù)相繼擴(kuò)大，并始終處于一種增長(zhǎng)趨勢(shì)，維持在3.9～4.2左右，證明A2和A1相關(guān)位移延性系數(shù)能夠滿足抗震設(shè)計(jì)中的延性要求。

6 結(jié)語

綜上所述，隨著建筑領(lǐng)域中裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍的持續(xù)變廣，對(duì)于其施工質(zhì)量控制的重視程度也逐漸提升，通過充分了解建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)性能變化，能夠?qū)ζ湎嚓P(guān)施工過程提供有效指導(dǎo)。文章針對(duì)預(yù)制裝配混凝土建筑結(jié)構(gòu)施工中的力學(xué)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過具體的試驗(yàn)操作，初步了解建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，從而為建筑領(lǐng)域中的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工提供有效參考。