預制預應力框架結構U形鋼筋連接中間節(jié)點抗震性能研究

葉思偉

（南京大地建設集團有限責任公司 210029）

本文設計了三個中間層梁柱側節(jié)點，根據鍵槽長度編號為JC40，JC45和JC50。通過準靜態(tài)低周試驗，研究了這些節(jié)點的延性，能耗，強度和破壞模式，探討了不同鍵槽長度的預制預應力組合框架結構的抗震性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計

測試要求。使測試件在很大程度上符合實際節(jié)點的應力狀態(tài)。[1]節(jié)點試件取梁截面尺寸為250×450mm，柱截面尺寸為400mm×400mm，梁段長1500mm，柱長1850mm，整個試件的長度和高度控制在試驗臺的公差范圍內。試驗構件按照“強柱弱梁，強剪弱彎，強關節(jié)弱構件”的抗震設計理念進行設計。預制預應力集成整體框架系統(tǒng)的內力分析采用兩階段分析：施工階段的相應設計公式類似于傳統(tǒng)的預制結構，見預制預應力。組裝整體框架結構系統(tǒng)的程序與使用階段的現澆結構相同。

梁的上部縱向鋼筋的直徑d=18mm，將預制梁上部鋼筋保護層厚度取定為50mm，鍵槽厚度根據預制構件廠生產線及現場實際施工，取定為40mm，預制梁底部受力鋼筋選取用1860級預應力鋼鉸線，直徑為12.7mm，根據預制構件生產模具的實際生產，該構件的底部保護層厚度是67mm，柱筋保護層厚度為25mm，除了鍵槽節(jié)點選擇C45強度的混凝土，其他部分的混凝土強度全部統(tǒng)一為C40，梁柱主筋及梁中U形鋼筋采用HRB400級，所有的箍筋部分選擇HPB235級。為了保證試件完成后能夠正常使用，首先對試件的尺寸進行測量，根據測量結果分析其適配的鋼筋方案，在設計過程中還要考慮到自重情況，采用的計算公式為：

Pcr上=23.4kN，Pcr下=24.1kN

屈服荷載通過計算定為84.4kN。從數據上觀測，柱的屈服荷載大于梁的開裂荷載，能夠滿足“強柱弱梁”的結構設計要求。此次試件在設計時采用沿梁段全長箍筋加密，柱箍筋全長加密。

1.2 材料性能

試件在南京大地建設新型建筑材料有限公司構件生產車間進行制作，為了保證試件的質量，制作試件的混凝土使用配合比都會由試驗室進行多次試驗確定后進行提供，在制作過程中工作人員必須嚴格保證配合比與試驗室給出的數據保持一致。為了保證質量，需要所有批次混凝土都保留一組試塊用作后續(xù)試驗，試驗室繼續(xù)對留下的試塊進行試驗，確定其在一段時間的使用之后所表現出的狀態(tài)。柱試件的材料力學性能見表 1～2。

表1 混凝土立方體抗壓強度平均值及彈性模量

表2 鋼筋屈服強度標準值及彈性模量

1.3 試驗裝置及加載制度

本試驗試件加載在東南大學九龍湖校區(qū)土木交通實驗樓的反力架上進行。柱上端設兩個60t千斤頂，通過控制油泵上壓力表的讀數，對柱施加恒定的軸力模擬恒載，梁端上下分別設置兩個30t千斤頂，對梁施加低周反復荷載，以模擬地震作用，梁端荷載可通過壓力傳感器量測。本試驗采用準靜態(tài)試驗的方法進行。準靜態(tài)測試方法以試件的載荷值或位移值作為控制量，并在正反兩個方向重復加載和卸載試件[2]。由于其相對簡單的設備和測試條件，它甚至可以使用普通靜態(tài)測試中使用的加載設備進行準靜態(tài)測試，準靜態(tài)試驗的加載過程可以手動控制，而且能夠根據需要隨時進行修正。在測試期間，可以測試暫停，以觀察結構的開裂和損壞。當然，我們仍然應該盡可能注意加載速率的穩(wěn)定性，并且在測試期間不要太快[3]。首先，柱頂部的兩個千斤頂用于向試樣施加恒定的軸向力，然后向梁的端部施加低循環(huán)反向載荷。

1.4 主要試驗現象

這是第一個被測試的試樣。施加第一階段載荷后，試樣處于彈性階段，未發(fā)現裂紋。在施加二階載荷的過程中，當載荷到達梁的根部時，在梁根部和圓柱表面的接合處，即鍵槽和圓柱表面的接合處，出現肉眼可見的微小裂紋。根據試驗前的計算預測，它接近計算的開裂荷載，因此被指定為測量的開裂荷載。隨著荷載的逐漸增加，裂縫的長度和寬度開始增加，相鄰部分的垂直裂縫增加，但整個節(jié)點的核心區(qū)域沒有出現破壞。在加載至3Δ第一個循環(huán)時，梁端鍵槽底部混凝土出現了少許的脫落。3Δ第二個循環(huán)后梁端上部出現了兩條明顯的交叉斜裂縫。當加載到4Δ第一個循環(huán)時，交叉裂縫擴展，鍵槽下表面出現了大塊的混凝土剝落，并開始出現下降段。4Δ第二個循環(huán)時發(fā)現U形鋼筋出現明顯的滑移，梁端鍵槽處剛度急劇退化。5Δ第一個循環(huán)反向加載時的回載頂點已經達到破壞所規(guī)定的要求，梁端下表面混凝土大量剝落，梁上交叉斜裂縫嚴重，試驗也于此階段宣告結束。在整個試驗過程中，柱子未出現任何破壞，混凝土完整。隨后進行了JC50試件的試驗，根據試驗前的分析，該試件預期耗能能力最大。在第一級加載25kN經過一個循環(huán)，在梁與柱面交接處出現了一條微小裂縫。隨著荷載的逐漸增加，裂縫的長度開始增長，鄰近段的裂縫也逐漸增多，特別是梁根部的垂直裂縫開始不斷增大并貫通。在3Δ第一個循環(huán)時，鍵槽處出現了上鼓現象，混凝土有小塊剝落。隨著荷載增加，鍵槽底部裂縫越來越寬，加載至4Δ第一個循環(huán)時荷載-位移曲線的下降段已經出現。當加載到5Δ第二個循環(huán)時，鍵槽上鼓現象非常明顯，混凝土保護層壓碎試件剛度退化明顯，當加載到6Δ第一個循環(huán)時，回載頂點已大大小于極限荷載的85%，試驗也宣告結束。

2 試驗結果分析

滯回曲線：

滯回曲線是結構或構件在力循環(huán)作用下得到的力—變形曲線。它表示構件或結構的變形過程，也代表構件或結構在外荷載去除后恢復原來狀態(tài)的能力，可以用于定性地比較和衡量結構構件的抗震性能[1]，因此，滯回曲線又被稱為恢復力曲線。在梁端加載時，假設向下加載為正方向，向上加載為負方向。那么，向下加載→卸載→向上加載→又卸載稱為一個荷載循環(huán)。由于試驗中鋼筋混凝土材料會出現當荷載大于一定值后，卸載時產生殘余變形，即荷載為零，而變形不為零，這種非線性性質稱之為“滯后”現象。這樣經過一個擬靜力荷載循環(huán)試驗所得荷載一變形曲線P-Δ曲線就變成了一個環(huán)，這就是“滯回曲線”。循環(huán)次數越多，變形越大，承載力也越低，通過分析“滯回曲線”，是分析結構或構件地震反應的重要依據，可充分了解構件的剛度、強度、變形、能量吸收和構件的破壞等特性，一般可歸納為四種基本形態(tài)[2～3]：梭形，弓形，反S形和Z形。

梭形：大概有受彎、偏壓、壓彎構件等，似乎耗能能力較好。

弓形：反映了一定的滑移影響，有明顯的“捏縮”效應。大概有剪跨比較大、剪力較小并配有一定箍筋的受剪構件。

反S形：反映了更多的滑移影響。大概有一般框架和有剪力撐的框架、梁柱節(jié)點和剪力墻等。

Z形：反映了大量的滑移影響。大概有小剪跨而斜裂縫又可以充分發(fā)展的構件以及錨固鋼筋有較大滑移的構件等。

3 結論

（1）從試驗現象來看，預制預應力裝配整體式框架結構體系節(jié)點在低周反復荷載作用下表現良好，破壞形式為梁端受彎破壞，柱子以及節(jié)點核心區(qū)沒有出現破壞情況。

（2）試件的功比指數較大，試件有良好的耗能能力。節(jié)點延性系數都大于4，滿足框架結構延性要求，說明試件在屈服后的非彈性變形能力較強，耗能能力良好，在強震作用下能達到延性破壞的目的。

（3）三個試件均未出現粘結破壞，U形鋼筋滑移量不大，在大位移的彈塑性階段仍能充分傳遞反復荷載下的拉力和推力，使節(jié)點滿足較高的承載能力和耗能能力。U形鋼筋的粘結應力最大起始于梁柱交接處，并向遠端擴展。