兩層兩跨帶施工縫混凝土框架抗震性能研究

閻西康，馬 康，延 華，陳倩倩，陳 培

(1．河北工業大學 土木工程學院，天津300401;2．河北省土木工程技術研究中心，天津300401)

0 引言

施工縫是指因施工需要導致前后兩次澆筑混凝土的時間間隔超過其初凝時間，雖經處理，但兩層混凝土之間的聯結仍可能有別于連續澆筑混凝土．框架柱的施工縫一般留置在臨近節點核心區的柱底和柱頂．實際結構設計中往往并不考慮施工縫對結構抗震性能的影響，目前國內外對于帶施工縫的框架柱抗震性能研究比較少［1-2］． 筆者進行了兩層兩跨帶施工縫的鋼筋混凝土框架模型與整澆框架模型在低周反復荷載下的力學性能試驗，力求對施工縫對其抗震性能的影響進行細致研究．

1 試驗概況

1．1 結構設計和制作

根據《建筑抗震試驗方法規程》［3］按1∶3 比例設計兩榀兩層兩跨鋼筋混凝土框架縮尺模型，一榀帶有施工縫編號為DF，一榀為整體澆注編號為ZJ．兩榀框架設計參數完全相同，如圖1 所示，混凝土強度等級為C30．

ZJ 框架混凝土一次澆筑完成，DF 框架混凝土分次立模澆筑．在首層柱的底端和頂端分別留置第一層施工縫和第二層施工縫，在頂層柱的底端和頂端分別留置第三層施工縫和第四層施工縫．

1．2 加載方式及設置

試驗在河北工業大學結構實驗室靜力臺座上進行，如圖2 所示．在框架柱頂利用油壓千斤頂一次施加預定軸向荷載并保持穩定，試驗前軸力按邊柱軸壓比0．23 和中柱軸壓比0．34 計算． 試驗采取在框架頂層梁中心線施加水平荷載．

圖1 試件尺寸與配筋圖Fig．1 Details of precast specimen

根據擬靜力試驗加載制度［3］，水平荷載采用力-位移混合控制施加． 以對應主筋應變達到屈服應變確認試件達到屈服點． 接近開裂和屈服荷載前宜減小級差進行加載． 框架屈服之后由力控制轉為位移控制加載，以屈服時試件的最大位移值的倍數為級差進行控制加載．

圖2 試驗裝置圖Fig．2 Test set-up

2 試驗過程及現象描述

在低周循環荷載下，ZJ、DF 框架分別經歷了20，21 次反復循環直到破壞，框架均經歷了開裂、屈服、破壞3 個階段，最后破壞都是以柱底端鋼筋屈服且混凝土壓碎為特征．試驗過程如表1 所示，框架裂縫開裂順序如圖3，圖4 所示．

表1 框架試驗過程描述Tab．1 During the test framework description

3 試驗結果與分析

3．1 滯回曲線

DF 和ZJ 框架滯回曲線分別如圖5、圖6 所示，形狀均呈梭形，有一定的捏縮效應．此階段ZJ框架荷載和位移均明顯大于DF 框架．

圖5 DF 框架滯回曲線Fig．5 Hysteresis curve of DF frames

3．2 骨架曲線和延性系數

由實測水平荷載P 與框架頂點位移的滯回曲線峰點連線得骨架曲線［4］，如圖7 所示．在骨架曲線的基礎上進一步對框架的頂點位移延性系數進行整理計算(表2)．

由圖7 可以看出，兩榀框架從開始加載至屈服，兩榀框架都表現出了較好的彈性性能．兩榀框架的開裂荷載接近，開裂位移也相近(表2)，正反向荷載條件下對比兩榀框架性能對稱性良好． 隨著荷載增加施工縫逐漸開裂，骨架曲線逐漸由重合變成分離，到屈服點時，DF 框架屈服荷載低于ZJ 的7% ～12%． 此后，骨架曲線繼續分離，在最高荷載點相差為7% ～19%，ZJ 框架在極限荷載和破壞荷載的延性系數均大于DF 框架．DF 框架的極限位移延性系數在2．93 ～3．17 之間，而ZJ框架的位移延性系數達到4．77 ～5．02．

結果表明，在荷載低于屈服荷載57% ～76%時，施工縫對框架的承載力的影響不明顯，可以認為與整澆框架等效．隨著施工縫破壞，DF 框架比ZJ 框架承載力和位移有所降低，延性系數降低．

3．3 剛度退化

兩榀框架試件的剛度退化如圖8 所示． 從首層剛度退化和頂層剛度退化很清楚看到兩榀框架退化曲線，退化明顯，并且在屈服強度50% ～60%處相交．根據此交點可以將曲線分為兩部分，前半部分和后半部分．前半部分開始ZJ 框架剛度比DF 框架下降較快，隨著荷載變大，DF 框架剛度急劇下降，在屈服強度50% ～60%兩榀框架曲線交叉，此處兩者剛度相等，位移相等．后半部分，DF 框架繼續延續剛度下降趨勢，比ZJ 框架要快，剛度差距明顯，DF 框架剛度為ZJ 框架的64% ～80%．

表2 框架頂點位移及延性系數Tab．2 Top displacement and displacement of frame

圖8 兩榀框架的剛度退化Fig．8 Rigidity degeneration of two frames

3．4 耗能能力

從框架耗能百分比圖9、圖10 的趨勢看，框架DF、ZJ 的能量耗散隨著水平位移的增加而增加．當水平位移循環為Δ 的時候，三次循環耗能的百分比較低，不到5%，并且每次耗散能量基本相同． 當水平位移循環繼續加大到2Δ 和3Δ 時候，在相同位移的三次循環下，框架的第一次循環能量耗散最多，而后兩次均有所下降．其中DF 框架后兩次下降幅度較大，較第一次相差10%左右，而后兩次能量耗散基本相同，可以忽略不計．施工縫的開裂發展使框架損失的強度較大．ZJ 框架三次能量耗散呈均勻下降趨勢，幅度在2% ～7%之間．ZJ 框架具有較好的耗能性能．

3．5 變形恢復能力

用殘余變形率和相對位移繪制出殘余變形圖11．從兩組圖中可以看出，隨著位移的增加，試件的殘余變形也不斷增加，反映了反復荷載對試件的損傷不斷累積．除頂層梁正向加載外，DF 框架的殘余變形大于ZJ 框架． ZJ 框架正向和反向曲線形狀基本對稱于縱線軸，而DF 框架的曲線正向殘余變形率大于反向的．

圖11 框架的殘余變形Fig．11 Residual deformation of frame

4 結論

(1)兩榀框架都是從頂層梁局部位置開裂，之后依次首層梁、頂層梁梁端開裂，然后首層邊柱柱底端，其次柱頂中柱柱端，最后邊柱．中間或有柱端施工縫附近處的開裂． 但顯見處理良好的施工縫的存在對框架各構件開裂影響較小．

(2)兩榀框架破壞均由柱底主筋屈服和混凝土壓碎決定．在低周反復荷載作用下框架結構鮮有在施工縫處破壞現象，即無論有無施工縫結構均在首層框架柱底端破壞，且破壞位置距離施工縫較遠，說明施工縫的存在沒有破壞結構的完整性．

(3)盡管施工縫的存在不會對結構的承載力產生影響，但對框架結構的抗震性能有一定影響．如DF 框架耗能能力低于ZJ 框架，同級位移循環荷載下施工縫的開裂使框架強度退化和剛度退化下降明顯;在荷載低于屈服荷載57% -76%時，DF 框架的承載力低于ZJ 框架，之后隨著荷載加大施工縫處逐漸破壞，DF 框架的承載力低于ZJ框架;DF 框架在極限荷載和破壞荷載的延性系數小于ZJ 框架;施工縫的開裂降低DF 框架的變形恢復能力，并使框架在循環荷載下保持對稱受力性能等．

(4)框架結構設計與施工中應重視施工縫的處理，盡量避免施工縫對結構抗震性能的不利影響．

［1］ 魏春明，宋玉普，劉健．現澆鋼筋混凝土框架柱施工縫抗震性能試驗研究［J］． 大連理工大學學報，2006，45(4);527 -532．

［2］ 閻西康，張英來，陳培．帶有施工縫的鋼筋混凝土框架柱的抗震性能試驗研究［J］． 建筑施工，2011(11):1030 -1031，1034．

［3］ 中國建筑科學研究所． JGJ 101—96 建筑抗震試驗方法規程［S］．北京:建設部標準定額研究所，1996．

［4］ 徐云扉，胡慶昌，陳玉峰，等．低周反復荷載下兩跨三層鋼筋混凝土框架受力性能的試驗研究［J］． 建筑結構學報，1986，7(2):1 -16．