張喜德，黎力設(shè)，陳文鵬，楊濤*

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004；3.廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004)

0 引言

裝配式建筑在提高施工效率、減小環(huán)境污染等方面具有明顯的優(yōu)越性，其預(yù)制構(gòu)件在工廠制作再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)安裝，避免了施工現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)，能夠有效降低能源消耗及勞動(dòng)強(qiáng)度[1]，具有較高的綜合經(jīng)濟(jì)效益。為此，很多專家學(xué)者在裝配式結(jié)構(gòu)方面做了不少研究，如在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)[2-3]，裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[4-5]等的研究，但這些研究大都是基于矩形截面柱進(jìn)行的，有關(guān)裝配式異形截面柱的研究還不多，究其原因，是因?yàn)楫愋沃鶅?nèi)部施工空間狹小，施工難度較大，不易于進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的裝配。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段較為流行且成熟的裝配連接方式是套筒灌漿連接，對(duì)于矩形截面構(gòu)件，內(nèi)部空間充足，采用套筒灌漿連接具有較好的效果，而對(duì)于異形柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間狹窄，原本的鋼筋綁扎就已存在一定難度，若在鋼筋外再包裹套筒，則異形柱內(nèi)部原本就狹小的空間就會(huì)進(jìn)一步縮小，其混凝土的澆筑質(zhì)量、保護(hù)層厚度等難以得到保證。另外，由于異形柱結(jié)構(gòu)截面不規(guī)則，抗震性能較差，普通鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格限制，需要采取措施對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)方能擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，如在柱內(nèi)增設(shè)芯柱[6]、預(yù)埋型鋼[7-8]及預(yù)埋鋼管[9]等，從這些改進(jìn)措施的成果來看，異形柱的抗震性能得到了較大的提高，但同時(shí)其施工難度也增加不少，布置于柱內(nèi)的材料或結(jié)構(gòu)占用了大量的空間，難以再有空間在柱內(nèi)部安置套筒，同時(shí)，內(nèi)置于預(yù)制構(gòu)件內(nèi)的鋼骨等材料的連接亦是一個(gè)不易解決的難題，由于這些困難的存在，目前關(guān)于裝配式異形柱結(jié)構(gòu)的研究成果不多且均是集中在普通鋼筋混凝土異形柱的研究上[10-11]，有關(guān)內(nèi)置鋼骨的裝配式組合異形柱結(jié)構(gòu)的相關(guān)報(bào)道較少。為解決鋼骨內(nèi)置于異形柱內(nèi)部而帶來的施工困難問題，文獻(xiàn)[12]提出了一種在柱肢端部外包槽鋼的新型異形柱結(jié)構(gòu)形式，這種異形柱外形整齊美觀，槽鋼外包于異形柱的肢端方便預(yù)制構(gòu)件之間槽鋼的焊接等工作的進(jìn)行，同時(shí)槽鋼又不占用柱內(nèi)部的施工空間，是一種具有良好施工性能的異形柱，便于發(fā)展成為裝配式建筑結(jié)構(gòu)?；诖耍疚膶?duì)采用高強(qiáng)螺栓連接的新型裝配式組合T形柱進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，考慮軸壓比及含鋼率兩個(gè)因素，研究其抗震性能并觀察其裝配連接部位的可靠性，為其進(jìn)一步的科學(xué)研究及工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作裝配

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鋼材力學(xué)性能

裝配式組合異形柱分為上下兩部分預(yù)制結(jié)構(gòu)，上部預(yù)制結(jié)構(gòu)包括試驗(yàn)柱段和加載端頭，下部預(yù)制結(jié)構(gòu)為預(yù)埋有鋼底座的鋼筋混凝土基座，試件裝配時(shí)，將上部預(yù)制柱的縱筋對(duì)準(zhǔn)鋼底座的套筒，底座螺栓亦對(duì)準(zhǔn)上部預(yù)制柱底部T形鋼板的螺栓孔，隨后將上部預(yù)制柱縱筋插入底座，并使用扭矩扳手將螺母擰入伸出上部T形鋼板螺栓孔的螺栓，并將伸出底座底部的縱筋亦用螺母擰緊，從而使上下部預(yù)制結(jié)構(gòu)牢固地裝配在一起，裝配過程如圖1(b)所示。

(a) 配筋截面

1.2 試件安裝及加載制度

試驗(yàn)采用懸臂柱的加載方式，試件底部采用兩根反力梁進(jìn)行固定，反力梁由高強(qiáng)螺桿與地槽相連，通過擰緊反力梁上的螺母實(shí)現(xiàn)柱底與地面的固接，同時(shí)在柱頂設(shè)置滾軸，以減小摩擦。試驗(yàn)的水平及豎向荷載分別由電液伺服加載系統(tǒng)和液壓千斤頂施加，且規(guī)定作動(dòng)器推出時(shí)(腹板受壓)為正向加載，作動(dòng)器回拉時(shí)(翼緣受壓)為負(fù)向加載。此外，試件頂部及底部均安裝有位移傳感器，以此測(cè)量柱頂位移及監(jiān)測(cè)柱底是否產(chǎn)生滑移，試件安裝示意圖如圖2所示。

圖2 試件安裝示意圖

試驗(yàn)采用荷載-位移混合控制的加載方式，試件屈服前采用荷載控制，荷載增量為前期每級(jí)20 kN，在試件開裂后接近屈服時(shí)荷載增量變?yōu)槊考?jí)10 kN，以更準(zhǔn)確得到試件屈服荷載。試件屈服后變?yōu)槲灰瓶刂萍虞d，每級(jí)位移進(jìn)行3次循環(huán)加載，待水平荷載下降至峰值荷載的85%時(shí)停止試驗(yàn)，加載制度如圖3所示。

圖3 加載制度

2 試件破壞形態(tài)分析

2.1 破壞過程及破壞形態(tài)分析

所有試件均發(fā)生剪切破壞，試件達(dá)到其開裂荷載后，腹板側(cè)面出現(xiàn)一條與水平向約呈45°的斜裂縫，隨著循環(huán)加載的進(jìn)行，在正負(fù)交替的水平力作用下腹板兩側(cè)出現(xiàn)大量交叉受剪斜裂縫，相交的斜裂縫將試件的混凝土表面分割成許多菱形塊狀。試件具體破壞過程可描述如下：加載初期，試件處于彈性受力狀態(tài)，裂縫尚未開展，構(gòu)件處于無損階段；隨著荷載的增大，構(gòu)件開始出現(xiàn)損傷，當(dāng)荷載增大到峰值荷載50%～60%時(shí)，腹板出現(xiàn)首條斜裂縫；隨著荷載繼續(xù)增大，斜裂縫不斷增多并逐漸交叉，且腹板兩側(cè)面的斜裂縫大致呈對(duì)稱分布；當(dāng)荷載增加至峰值荷載80%左右時(shí)，槽鋼應(yīng)變達(dá)到屈服值，試件屈服，進(jìn)入位控加載階段；位控階段1Δy及2Δy時(shí)試件裂縫在原來的基礎(chǔ)上開展伸長(zhǎng)，開裂位置不斷升高；3Δy時(shí)試件承載力達(dá)到峰值，試件損傷不斷積累，被斜裂縫分割形成的菱形混凝土塊有壓碎脫落跡象；峰值荷載過后，混凝土壓碎破裂更嚴(yán)重，混凝土掉落的高度范圍升高，箍筋包裹的內(nèi)部核心混凝土亦逐漸被壓碎，試件承載力下降至峰值荷載的85%，試件破壞。PSCC-1～ PSCC-4試件的最終破壞形態(tài)如圖4所示。

(a) PSCC-1

對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)，其連接部位的可靠性至關(guān)重要，這是試件充分發(fā)揮其整體受力性能的關(guān)鍵，試件最終破壞時(shí)其裝配連接部位如圖5所示。由圖5可以看出，試件破壞時(shí)，其裝配連接部位仍正常工作，破壞僅發(fā)生在試件上部試驗(yàn)柱段，上部預(yù)制構(gòu)件的T形鋼板與底座未產(chǎn)生滑移，底座上部螺栓亦未見明顯變形，螺母保持完好，表明這種高強(qiáng)螺栓連接的裝配式連接方式可靠，受力穩(wěn)固，可達(dá)到等同現(xiàn)澆的效果。

圖5 試件裝配連接部位

Fig.5 Connection part of specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線

試驗(yàn)測(cè)得各試件的滯回曲線如圖6所示，滯回曲線總體有如下特點(diǎn)：

(a) 試件PSCC-1

① 與普通鋼筋混凝異形柱不同，裝配式組合T形柱的滯回曲線正負(fù)向較對(duì)稱，捏攏現(xiàn)象不明顯，表明在肢端配置槽鋼后異形柱具有較好的受力性能；

② 加載初期，試件損傷較小，水平荷載增大的幅度較大，隨著位移的增加，試件裂縫開展延伸，損傷加重，水平荷載增加的幅度隨之減??；

③ 滯回曲線中各滯回環(huán)的面積隨著加載位移的增加而增大，表明在加載過程中試件的耗能不斷增大；

④ 隨著加載位移的增大，試件滯回環(huán)對(duì)角線逐漸向位移軸傾斜，表明試件損傷不斷加重，強(qiáng)度及剛度逐漸衰減。

3.2 骨架曲線

骨架曲線為滯回曲線的包絡(luò)線，反應(yīng)了構(gòu)件加載過程中的內(nèi)力路徑，為便于比較，分別將不同軸壓比的三個(gè)試件(PSCC-1、PSCC-2、PSCC-3)及不同含鋼率的兩個(gè)試件(PSCC-2、PSCC-4)的骨架曲線繪制于同一坐標(biāo)系中，所得的骨架曲線如圖7所示，由圖7可以看出，各試件在加載過程中均經(jīng)歷了彈性段、強(qiáng)化段及下降段3個(gè)階段。

① 由圖7(a)可知，不同軸壓比試件其峰值荷載差別不大，但其骨架曲線上升段及下降段的斜率具有顯著差異，軸壓比越大，試件骨架曲線的上升段及下降段越陡峭，說明試件的初始剛度隨著軸壓比的增加而增大，但同時(shí)試件后期荷載下降的速度也越快，塑性變形能力較差，表明增大軸壓比不利于試件后期的受力。

② 由圖7(b)可知，提高試件的含鋼率，試件的峰值承載力相應(yīng)提高，骨架曲線的下降段也較平緩，同時(shí)其骨架曲線的正負(fù)向亦更為對(duì)稱，表明提高含鋼率可在一定程度上提高試件的抗震承載力及延性，改善試件的受力性能。

(a) 不同軸壓比試件骨架曲線

3.3 承載力和延性分析

試件特征點(diǎn)荷載、位移及延性系數(shù)見表3，表3中各符號(hào)的含義如下：Pcr、Δcr分別為開裂荷載及開裂位移；Py、Δy分別為屈服荷載及屈服位移，屈服點(diǎn)采用能量等效法[13]確定；Pm、Δm分別為峰值荷載及峰值位移；Pu、Δu分別為破壞荷載及破壞位移，取水平荷載下降至峰值荷載85%時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載及位移；μ為位移延性系數(shù)，μ=Δu/Δy。

根據(jù)表3，對(duì)比PSCC-1～PSCC-3數(shù)據(jù)可知，隨著軸壓比的增加，試件的開裂荷載及屈服荷載增大，但位移延性系數(shù)減小，試件軸壓比從0.4增加到0.6及0.75時(shí)，其平均位移延性系數(shù)分別下降了1.6%和4.1%，延性性能逐漸降低，這是由于在較大的軸壓比下試件的P-Δ效應(yīng)更加明顯，在相同的位移下，試件端部會(huì)產(chǎn)生更大的附加彎矩，從而使試件較早發(fā)生破壞，故其延性變差。對(duì)比PSCC-2及PSCC-4數(shù)據(jù)可知，提高含鋼率，試件的承載力及位移延性系數(shù)均增大，表明用鋼量的增加可以改善試件的受力性能，提高其延性。

表3 試件特征點(diǎn)荷載、位移及延性系數(shù)

3.4 耗能能力分析

構(gòu)件的耗能能力一般可采用等效黏滯阻尼系數(shù)he[14]來進(jìn)行表征，圖8所示為各試件等效黏滯阻尼系數(shù)隨加載位移的變化曲線。從圖8(a)可以看出，軸壓比越大，相同的位移下試件等效黏滯阻尼系數(shù)越大，表明提高軸壓比有利于試件的耗能，這是由于較高的軸壓比可以抑制裂縫的開展，有利于試件裂縫處骨料的咬合，從而骨料之間的相互作用會(huì)增大，摩擦耗能增多，因而其耗能能力較強(qiáng)；從圖8(b)可知，含鋼率高的PSCC-4試件，其等效黏滯阻尼系數(shù)較大，表明增大含鋼率，試件的耗能能力也會(huì)相應(yīng)提高。

(a) 不同軸壓比試件等效黏滯阻尼系數(shù)變化曲線

3.5 剛度退化

在低周反復(fù)荷載作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，試件的損傷不斷積累，剛度隨之不斷下降，試件的剛度可采用平均環(huán)線剛度K[15]來表示，各試件的剛度退化曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出各試件的剛度退化均呈現(xiàn)出先快后慢的規(guī)律，這是由于加載初期試件裂縫需要開展延伸，導(dǎo)致其剛度退化較快，裂縫發(fā)展穩(wěn)定之后剛度退化速度相應(yīng)減緩。從圖9(a)可看出，軸壓比增大，試件的初始剛度隨之增大，但同時(shí)其剛度退化曲線也越陡峭，剛度退化越快，表明軸壓比增大可提高試件的初始剛度，但亦會(huì)使加載后期試件的損傷加重，使其剛度退化程度較大。從圖9(b)可知，PSCC-4試件的初始剛度要大于PSCC-2，說明增大含鋼率試件的初始剛度隨之提高，但二者后期的剛度退化曲線接近，表明增大含鋼率對(duì)試件后期的剛度退化影響不大。

(a) 不同軸壓比試件剛度退化曲線

4 結(jié)論

① 新型T形截面裝配式異形柱的破壞發(fā)生在柱身試驗(yàn)段，試件破壞時(shí)，裝配連接部位工作正常，上部預(yù)制構(gòu)件的T形鋼板與底座未產(chǎn)生滑移，底座上部高強(qiáng)螺栓未見明顯變形，螺母保持完好，表明采用高強(qiáng)螺栓連接的裝配連接方式切實(shí)可行，可達(dá)到等同現(xiàn)澆的效果。

② 提高軸壓比，裝配式組合T形柱的開裂荷載及屈服荷載增大，耗能能力增強(qiáng)，初始剛度增大，但延性性能變差，后期剛度退化加快。

③ 增大含鋼率能在一定程度上改善試件的整體受力性能，試件的延性、初始剛度、抗震承載力及耗能能力均有所提高，后期的剛度退化速率變化不大。