預(yù)制裝配式混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

杜長虹 魏國強(qiáng)

摘 要：本文通過對預(yù)制裝配式混合框架結(jié)構(gòu)混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)研究，得出此類型節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能。梁端荷載-位移滯回曲線較飽滿，能夠耗散地震能量，并且延性系數(shù)大于2，滿足相關(guān)規(guī)范抗震要求。

關(guān)鍵詞：裝配式;混合框架結(jié)構(gòu);節(jié)點(diǎn);抗震性能

中圖分類號：TU398.2;TU352.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0089-03

Abstract： Through the pseudo-static test research on the concrete column-steel beam joint of the prefabricated hybrid frame structure， this paper concluded that this type of joint had good seismic performance. The load-displacement hysteresis curve at the beam end is full and can dissipate seismic energy， and the ductility coefficient is greater than 2， which meets the seismic requirements of relevant codes.

Keywords： prefabricated;hybrid frame structure;joint;seismic performance

近幾十年來，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，帶來的負(fù)面影響是環(huán)境污染變得嚴(yán)重。世界各國越來越重視環(huán)境保護(hù)，我國同樣把環(huán)境保護(hù)作為重要的一環(huán)。國家頒布了許多利于保護(hù)環(huán)境的政策，提倡綠色建筑就是其中之一。預(yù)制裝配式混合結(jié)構(gòu)因其優(yōu)點(diǎn)可以稱得上是綠色建筑。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件在工廠預(yù)制，減少施工過程中物料損耗，減少施工現(xiàn)場建筑垃圾，減少施工現(xiàn)場噪聲;選用材料為混凝土和鋼材，鋼材可以重復(fù)利用，不適用黏土磚，保護(hù)環(huán)境。預(yù)制裝配式混合框架結(jié)構(gòu)可以廣泛使用在高層建筑中。西北地區(qū)地處地震帶，建筑抗震是重點(diǎn)研究內(nèi)容。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）[1]中，設(shè)計(jì)原則之一是強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件，所以預(yù)制裝配式混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究具有重要意義。

20世紀(jì)，北美洲的裝配式建筑主要用于低層抗震設(shè)防地區(qū)。由于加利福尼亞州的地震影響，近年來，美國非常重視中高層預(yù)制結(jié)構(gòu)抗震，出版了《預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》一書，從理論和實(shí)踐角度系統(tǒng)地分析了預(yù)制建筑的抗震設(shè)計(jì)問題，總結(jié)了許多預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最新科研成果。歐洲形成了各種專用預(yù)制建筑體系和標(biāo)準(zhǔn)化的通用預(yù)制產(chǎn)品系列，并編制了一系列預(yù)制混凝土工程標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用手冊。亞洲地區(qū)，日本在裝配式建筑領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，日本學(xué)習(xí)歐美的成功經(jīng)驗(yàn)，在探索裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)施工基礎(chǔ)上結(jié)合自身要求，在預(yù)制結(jié)構(gòu)體系整體性抗震方面取得了突破性進(jìn)展。

我國裝配式建筑抗震性能研究主要是裝配式建筑節(jié)點(diǎn)抗震性能研究和整體抗震性能研究。有研究通過試驗(yàn)分析了鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑節(jié)點(diǎn)抗震性能、混凝土裝配式建筑節(jié)點(diǎn)及連接部位抗震性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常見的鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑節(jié)點(diǎn)型式均能滿足抗震要求，混凝土裝配式建筑節(jié)點(diǎn)和連接部位也能滿足抗震要求[2-3]。但是，我國對裝配式混合框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究較少，適于西北高烈度區(qū)的裝配式混合框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究也較少。所以，本文對預(yù)制裝配式混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 預(yù)制裝配式混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計(jì)

為了使試驗(yàn)結(jié)果具有代表性，本試驗(yàn)選取預(yù)制裝配式混合框架結(jié)構(gòu)中常用的節(jié)點(diǎn)形式混凝土柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，選取框架邊節(jié)點(diǎn)從梁和柱反彎點(diǎn)處斷開，受力如圖1所示。考慮《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2017）[4]、《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）[5]的要求和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備能力，確定試件尺寸與原構(gòu)件尺寸比為1∶4。試件采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)構(gòu)造做法如下：鋼梁貫通節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)設(shè)置加勁肋，混凝土柱中設(shè)置工字型鋼柱并焊接在鋼梁翼緣上，節(jié)點(diǎn)箍筋穿過鋼梁腹板。這樣可以提高鋼梁與混凝土柱組合節(jié)點(diǎn)的抗震能力，防止組合節(jié)點(diǎn)過早出現(xiàn)柱端混凝土的局部受壓破壞和鋼梁的局部屈曲變形。節(jié)點(diǎn)尺寸如圖2所示。

2 節(jié)點(diǎn)加載與測量方案

2.1 擬靜力試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置為空間受力組合試驗(yàn)裝置，通過結(jié)構(gòu)框架提供豎向、水平加載結(jié)構(gòu)反力，外側(cè)框架豎向承載力為300 kN，水平承載力為200 kN，立柱之間局部承載力為1 000 kN，內(nèi)側(cè)框架豎向承載力為100 kN。如圖3所示，結(jié)構(gòu)形式為七立柱門式框架自反力結(jié)構(gòu)，上下橫梁采用箱形鋼梁制作，一側(cè)上下橫梁通過4根H型鋼立柱連接，另一側(cè)上下橫梁通過3根H型鋼立柱連接，上橫梁高度按模數(shù)可調(diào)。上下橫梁均安裝平行直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝可移動(dòng)的小車，小車上可安裝支座、加載油缸等，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多方向拉壓力加載、加載點(diǎn)的數(shù)量及方向不限。

加載裝置為液壓加載類型，以油缸為主，通過后法蘭盤與梁、柱連接。拉壓雙作用油缸，活塞桿中空加工有內(nèi)螺紋，并安裝有螺桿，用以調(diào)整油缸的運(yùn)動(dòng)范圍，可與拉壓力傳感器相連。雙作用油缸，有手動(dòng)行程調(diào)節(jié)功能，油管采用快速接頭的連接方式。

本試驗(yàn)加載時(shí)，梁-柱節(jié)點(diǎn)的邊界條件是柱端為鉸接，約束豎向位移和水平位移，梁端為滑動(dòng)鉸接，約束水平位移，在梁端加載水平荷載。加載示意圖如圖4所示。

2.2 加載方法

本試驗(yàn)選用擬靜力加載試驗(yàn)，加載方法采用荷載-位移雙控制。首先，根據(jù)等強(qiáng)度原則，計(jì)算梁柱節(jié)點(diǎn)的屈服荷載和破壞荷載。在試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)屈服前，根據(jù)屈服荷載控制并逐級加載，接近屈服荷載時(shí)減少加載級差，在試件屈服前每級荷載反復(fù)一次加載。在試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)屈服后采用變形控制，變形值取節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼筋屈服時(shí)試件的最大位移值，然后以該位移值的倍數(shù)為級差進(jìn)行控制加載，每級加載反復(fù)三次。

2.3 測量方案

本試驗(yàn)應(yīng)用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)DH3816，用于試驗(yàn)過程中位移和靜態(tài)應(yīng)變的測量。系統(tǒng)電源箱、采集箱采用分體式，便于操作，測儀器有快速接線插座，可擴(kuò)展至4 096個(gè)通道，方便與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲、轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)對應(yīng)變片和位移計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。位移計(jì)的放置位置如圖4所示，應(yīng)變片放置位置如圖5所示。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及性能分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在20 kN荷載反復(fù)一次作用下，正方向最大位移為3.67 mm，卸載后沒有殘余變形，鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大壓應(yīng)變?yōu)?68 με，最大拉應(yīng)變?yōu)?08 με。

在30 kN荷載反復(fù)一次作用下，正方向最大位移為5.98 mm，卸載后殘余變形小，反方向最大位移為10.16 mm，卸載后殘余變形為5.22 mm，這時(shí)鋼梁底部有位移0.9 mm。鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大壓應(yīng)變?yōu)?30 με，最大拉應(yīng)變?yōu)?05 με。

節(jié)點(diǎn)混凝土沒有裂縫。

在50 kN荷載反復(fù)一次作用下，正方向最大位移為17.23 mm，殘余變形為10.55 mm。在反方向荷載作用下，最大位移為39.89 mm，殘余變形為34.89 mm，鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大壓應(yīng)變?yōu)?53 με，最大拉應(yīng)變?yōu)?79 με。此時(shí)，鋼梁底部位移為7.5 mm。當(dāng)荷載反方向42 kN作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)混凝土出現(xiàn)裂縫，向鋼梁根部延伸。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)縱筋最大應(yīng)變?yōu)?05 με。

轉(zhuǎn)換成位移控制，位移控制在25 mm下，正方向荷載加到95 kN，能聽到啪啪的響聲，位移控制到37 mm，加載到116.3 kN，鋼梁翼緣蓋板拼接處的最大應(yīng)變?yōu)? 552 με，說明此處開始屈服，進(jìn)入塑性階段，隨著荷載越來越大，螺栓也產(chǎn)生響聲，開始滑移。

位移控制為103 mm時(shí)，正方向力達(dá)到182 kN，反方向力達(dá)158 kN，鋼梁受力最大處出現(xiàn)屈曲，且不能恢復(fù)，構(gòu)件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。混凝土節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沒有斜裂縫，有發(fā)展的垂直裂縫。

3.2 節(jié)點(diǎn)試件抗震性能分析

3.2.1 滯回性能。通過對節(jié)點(diǎn)擬靜力加載，得到試件梁端荷載-位移滯回曲線，如圖6所示。

當(dāng)施加荷載較小時(shí)，混合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)試件基本處于彈性階段，卸載后基本沒有殘余變形。當(dāng)荷載加到50 kN時(shí)，鋼梁蓋板連接處出現(xiàn)滑移，卸載后不能恢復(fù)到原來位置，試件進(jìn)入塑性階段，隨著荷載的增加，卸載后殘余變形越來越大。試件最后是梁端處先破壞。從圖6可以看出，滯回曲線整體呈弓字形，此節(jié)點(diǎn)形式抗震性能較好。

3.2.2 試件的延性。延性是衡量結(jié)構(gòu)抗震能力的一個(gè)重要指標(biāo)，延性越大，構(gòu)件變能力越強(qiáng)，抗震性能越好。延性通常用延性系數(shù)來表示，延性系數(shù)包括曲率延性系數(shù)、位移延性系數(shù)、轉(zhuǎn)角延性系數(shù)，其中位移延性系數(shù)=試件屈服荷載所對應(yīng)的位移除以試件極限荷載承載力下降到85%對應(yīng)的位移。試件的位移延性系數(shù)=破壞位移/屈服位移=103 mm/37 mm=2.78。

混凝土結(jié)構(gòu)一般要求延性系數(shù)大于2，本次試驗(yàn)試件位移延性系數(shù)2.78大于2，構(gòu)件延性滿足抗震要求。

4 結(jié)論

本次節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，本試件混凝土柱-鋼梁混合框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能良好。試件荷載-位移滯回曲線整體呈弓字形，此類型節(jié)點(diǎn)破壞前能夠耗散一定的地震作用能量，此節(jié)點(diǎn)具有一定的抗震能力。由試驗(yàn)得出，試件位移延性系數(shù)為2.78，大于2，滿足混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性抗震要求。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，鋼梁梁端屈曲破壞，此時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)并沒有產(chǎn)生斜裂縫破壞，此類型節(jié)點(diǎn)梁先破壞，滿足墻柱弱梁抗震要求;試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)垂直裂縫，并且縱筋已經(jīng)屈服，沒有斜裂縫，這說明節(jié)點(diǎn)已經(jīng)受彎屈服，沒有受剪破壞，此類型節(jié)點(diǎn)滿足強(qiáng)剪弱彎抗震要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]郁有升，王燕.鋼框架梁翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2009（2）：168-175.

[3]胡大柱，李國強(qiáng)，孫飛飛，等.半剛性連接組合框架地震反應(yīng)分析[J].工程抗震與加固改造，2007（1）：19-25.

[4]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50017—2017[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[5]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程：JGJ/T 101—2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.