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裝配整體式預應力框架節點抗震性能試驗研究與工程應用
2019-08-21 15:55  

裝配整體式預應力框架節點抗震性能試驗研究與工程應用

原創 2017-05-13 李晨光等 工程建設標準與實踐

裝配整體式預應力混凝土結構具有節能環保、施工效率高、構件質量易于控制、現場濕作業少等優點,在歐美、日本等國家和地區已經得到了廣泛應用?,F階段我國正處于城鎮化建設快速發展的重要時期,深入推進裝配整體式預應力混凝土結構的研究和應用,對于推進我國建筑行業的可持續發展具有重大意義。

目前國外有關學者對裝配整體式預應力混凝土結構抗震性能進行了大量研究工作,但相對而言,國內對裝配整體式預應力混凝土結構研究較少。為進一步推動裝配整體式預應力混凝土框架結構在我國抗震地區的應用,北京市建筑工程研究院有限責任公司在住房和城鄉建設部科技計劃項目和北京市科技計劃項目的資助下,開展了一系列裝配整體式混凝土框架節點及框架整體抗震性能試驗。針對裝配整體式預應力混凝土框架節點的抗震性能,本文開展了2類裝配整體式預應力混凝土框架節點足尺模型的低周反復加載試驗,以分析其破壞形態、滯回特性、耗能能力和延性等抗震性能。

1 節點抗震性能試驗

1.1 節點選取

根據所處的位置不同,平面裝配整體式預應力混凝土框架節點可以分為以下2種基本類型:中間層邊節點,如圖1中(A);中間層中節點,如圖1中(B)。通常,我們選取這2類具有代表性的節點進行研究,該節點形式不僅便于試驗加載,而且可較好的反映整個框架的抗震性能。結合框架結構在水平荷載下節點的彎矩分布情況(如圖2所示),本文試驗選取裝配整體式預應力混凝土框架邊節點和中節點作為研究對象。在水平荷載下裝配整體式預應力混凝土框架結構的反彎點位置取1/2梁跨和1/2柱高,因此,節點試件兩側梁、柱的長度可取1/2梁跨和1/2柱高。

               

1 裝配式預應力混凝土框架節點

2 裝配式預應力混凝土框架節點受力

1.2 試驗設計

本文裝配式試驗節點試件為2個,分別為裝配整體式預應力混凝土框架中節點和邊節點試件。2個節點試件的混凝土強度均為C50,梁、柱主筋以及箍筋均選用HRB400級。節點構件規格如表1所示,中節點和邊節點試件具體設計尺寸見圖3。其中,圖3a)為裝配整體式預應力混凝土中節點,圖3b)為裝配整體式預應力混凝土邊節點。

1 裝配整體式預應力混凝土節點試件規格

 

3 裝配式預應力混凝土梁柱節點圖

1.3 節點制作

裝配整體式預應力混凝土節點試件施工順序:

1)澆筑預制梁、柱及板構件。

2)預制下柱就位,調豎直,架設支撐,預制梁就位,并調水平對中,放置預制板支撐,預制板拼接。

3)節點區連接,焊接梁底的豎向鋼筋,綁扎節點核心區箍筋,放置金屬波紋管,穿預應力鋼絞線、綁扎梁頂縱向鋼筋、綁扎疊合板內分布鋼筋。

4)節點核心區和梁板疊合層混凝土澆筑。

5)吊裝預制上柱,并用高強灌漿料對預留鋼筋套筒進行灌漿。

6)張拉預應力筋,用素混凝土漿進行錨具封漿,待素混凝土凝結硬化后,通過預留灌漿孔灌漿。整個過程如圖4所示。

 

 

4 裝配式預應力混凝土節點試件施工過程

1.4 加載方案

節點試驗采用柱端加載方案,在同濟大學建筑結構試驗室10000kN多功能試驗機上進行,該試驗機在加載時可實現豎向荷載對柱端側移的自動跟蹤以考慮P-效應的影響。加載時,首先用10000kN的液壓千斤頂施加豎向荷載,加至預定試驗軸壓比后,再在上柱施加水平低周反復荷載,在施加豎向荷載過程中保持梁端處于自由狀態以避免柱身變短在梁內產生附加彎矩,圖5為各節點加載示意圖。水平加載按照荷載位移混合控制的加載方法進行,在試驗過程中保持柱頂軸向力的大小不變。試件開裂前以荷載控制進行加載,開裂后以層間側移nH/200進行控制加載,每級荷載下循環3次。

 

5 裝配整體式預應力混凝土節點柱端加載示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態

試驗過程中記錄節點破壞過程,節點破壞過程都經歷了開裂階段-屈服階段-極限階段-破壞階段,PC-1的破壞過程現象如圖6所示,PC-2的破壞過程現象如圖7所示。

 

6 PC-1節點破壞

 

7 PC-2節點破壞

1)開裂階段:加載前期,試件無明顯現象,混凝土與鋼筋應變均呈彈性增長。繼續加載,核心區板頂出現第一條裂縫。

2)屈服階段:正反向反復加載時,梁底出現大量彎曲裂縫,預制板與預制梁接縫處產生剪切斜裂縫。梁底、板頂、板底新裂縫不斷出現,已有裂縫不斷延伸。最后節點核心區頂、預制板底部、核心區靠近梁側邊緣出現八字形裂縫。

3)極限階段:梁底和板頂裂縫大量延伸。核心區附近梁底混凝土被壓碎,核心區兩側梁底距柱邊50mm處,各出現一條寬裂縫。

4)破壞階段:梁底彎曲裂縫與板頂彎曲裂縫貫通,梁頂斜裂縫延伸至梁底。核心區附近梁底混凝土被大量壓碎并剝落,梁縱筋、箍筋均完全外露,梁腰筋外露,梁底縱筋壓屈。節點核心區附近的預制板與疊合層分離。整個試驗過程中,柱沒有出現彎曲裂縫和剪切裂縫,節點核心區八字形裂縫延伸至梁側處,核心區箍筋始終處于彈性狀態。試驗結束,試件的最終破壞形態表現為梁端受彎破壞。試驗中,梁箍筋限制了梁縱筋的受壓彎曲。

2.2 荷載—位移滯回曲線

結構的滯回曲線是指結構在低周反復荷載作用下,作用在結構上的荷載與位移之間的關系曲線,是結構抗震性能的綜合體現。節點試驗的各個階段特征荷載和位移見表2。圖8a)為PC-1中節點的荷載-柱頂位移滯回曲線;圖8b)為PC-2邊節點的荷載-柱頂位移滯回曲線。由圖8可知:

1)在加載前期,試件的處于彈性階段,滯回曲線呈現線性;在加載中期,滯回環均呈梭形,滯回環較為飽滿;在加載后期,由于核心區混凝土和梁端混凝土的開裂,呈現出一定程度的捏攏現象。

2)裝配式中節點的滯回曲線與邊節點滯回曲線基本相似。邊節點由于板對梁負彎矩承載力的影響,兩個方向的承載能力相差較大。

3)在往復荷載作用下,試件側移時預應力鋼絞線提供了彈性恢復力,一定程度上限制了裂縫的發展,同時減少了殘余變形,從而提高了節點的承載力。

 

2 節點試驗荷載和位移

 

8 節點梁端荷載-位移滯回曲線

2.3 耗能能力

裝配式預應力混凝土框架節點在各級位移下的耗能見圖9,由圖9可知:

1)隨著柱端位移的增加,各試件的耗能能力都不斷增加,進入彈塑性階段后,雖然試件的損傷不斷累積,所承受的荷載值增長非常緩慢甚至出現下降,但柱端側移增加還是會顯著提高試件的耗能能力。

2)在相同位移量的各加載循環中,試件的正向耗能值一般小于反向耗能值,這主要是由于正向荷載時,新裂縫發展,耗能相對較小,而反向加載時,新裂縫充分發展,耗能相對較大。

3)中節點的耗能能力比邊節點耗能能力強,主要因為中節點有兩側梁的邊界約束作用比邊節點的單側梁的邊界約束作用強。

 

9 裝配式預應力混凝土框架節點耗能圖

3 工程應用

本文相關研究成果目前已在裝配式預應力混凝土框剪結構示范工程中進行了應用,該項目地下1層地上8層,圖10為首層平面圖。梁、柱、疊合板及外掛板等預制構件在構件廠制作完成后,通過現場拼裝完成結構施工。其中預制柱縱筋采用大直徑灌漿套筒連接,預制梁采用后張有粘結預應力連接成整體,見圖11,梁柱節點核心區及梁板疊合層采用后澆混凝土澆筑完成。

10 示范工程首層平面圖

11 裝配式節點連接示意圖

結語

裝配式預應力混凝土框架節點低周反復加載試驗表明:

12類裝配式混凝土框架節點試件均為梁端受彎破壞,滿足了強柱弱梁、強節點弱構件的抗震設計要求。

22類裝配式混凝土框架節點的滯回特性、耗能能力等抗震性能良好。

3)此類裝配式預應力框架節點已在示范工程中得到應用,并顯示出良好的設計性能,可在抗震地區進行推廣應用。

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