帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點滯回性能試驗研究

戎 賢，楊洪渭，張健新

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

0 引 言

建筑產業現代化的理念為綠色發展。與現澆混凝土結構相比，裝配式混凝土結構更為切合建筑產業現代化的內涵，并已成為新型建筑工業化發展的重要方向之一[1，2]。國內外學者對裝配式混凝土結構及構件進行了大量的研究，取得了一定的研究成果[3-8]。然而，目前所應用的裝配式混凝土框架結構尚存在施工建造不便及適用性不足等問題，使其優勢無法得到充分發揮[9-10]。由于裝配式混凝土框架結構中梁柱中節點的連接方式是影響整體結構抗震性能的核心受力部位，筆者結合鋼結構中節點的連接特點，提出了帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點連接方式，并對其進行滯回性能試驗研究。研究表明，帶鋼端頭的新型裝配式混凝土梁柱中節點抗震性能良好。

1 試驗概況

1.1 中節點試件

共設計3個裝配式梁柱中節點試件，分別編號ZGJ-1、ZGJ-2和ZGJ-3。3個試件的截面尺寸相同，梁柱配筋形式相同，如圖1；連接如圖2。

圖1 中節點ZGJ-1, ZGJ-2, ZGJ-3試件配筋

圖2 中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3連接

梁柱中節點試件采用C45混凝土，混凝土軸心抗壓強度Rc=31.17 MPa，軸心抗拉強度Rt=2.82 MPa。縱筋采用HRB600鋼筋，箍筋采用HRB400鋼筋，型鋼采用Q235鋼材，型鋼連接采用10.9級高強螺栓。鋼筋和鋼板材料力學性能試驗結果如表1。

表1 鋼筋和鋼板力學性能指標

新型裝配式混凝土梁柱中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的預制柱和預制梁內分別預埋鋼連接件。預制柱內縱筋在中節點核心區截斷，分別焊接于上下水平連接板處，預制梁內縱筋焊接于鋼端頭，焊接長度滿足鋼筋錨固要求。試件ZGJ-1預制梁內鋼端頭長度為300 mm，預制柱中上下水平連接板之間設置腹板；試件ZGJ-2預制梁內鋼端頭長度為300 mm，預制柱中上下水平連接板之間未設置腹板；試件ZGJ-3預制梁內鋼端頭長度為200 mm，預制柱中上下水平連接板之間未設置腹板。預制梁和預制柱通過焊接和高強螺栓連接進行拼裝。

1.2 加 載

試驗加載裝置如圖3。柱下端采用球鉸支座，柱頂為單向鉸支座。試驗時由千斤頂對柱頂施加460 kN恒定軸壓力。梁兩端分別放置伺服作動器，用于施加低周反復荷載。試驗采用荷載/位移混合加載控制方法。荷載控制加載時，每級荷載循環1次；屈服后采用位移控制，每級荷載循環3次；當荷載減小為極限荷載的85%時，試件破壞。

圖3 加載裝置

2 試驗現象

裝配式混凝土梁柱中節點的破壞形態如圖4。

圖4 中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的破壞形態

從圖4可以看出：

1)3個帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點最終破壞形態為核心區混凝土保護層大面積剝落，箍筋和縱筋裸露，發生中節點核心區剪切破壞。

2)中節點ZGJ-2比中節點ZGJ-3核心區混凝土剝落程度輕，梁端裂縫數量多而密。可見增加梁內預埋鋼端頭長度能夠改善裝配式混凝土梁柱中節點的破壞形態。

3)中節點ZGJ-1與中節點ZGJ-2相比，由于承受高約40kN的極限荷載和高約30mm的破壞位移，導致中節點ZGJ-1核心區承受剪力更大，混凝土保護層剝落更為嚴重，梁端的裂縫更為密集。表明水平連接板間設置腹板的中節點由于承受較大剪力而發生的中節點核心區剪切破壞較為嚴重。

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

裝配式混凝土梁柱中節點的荷載-位移(P-Δ)滯回曲線如圖5。

圖5 中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3荷載-位移(P-Δ)滯回曲線

從圖5可以看出：

1)在加載初期，3個裝配式混凝土梁柱中節點構件均處于彈性工作階段，卸載后，中節點試件基本無殘余變形，說明加載初期中節點剛度退化并不明顯；隨著荷載的增加，滯回環所包圍的面積逐漸增大，說明中節點的耗能能力不斷增加；試件屈服后，隨著荷載增加，試件變形增長較快，殘余變形越來越大；極限荷載后，滯回曲線向位移軸傾斜，中節點的強度和剛度退化加劇。

2)裝配式混凝土梁柱中節點ZGJ-1比中節點ZGJ-2和ZGJ-3的滯回環面積大，滯回曲線飽滿，表明水平連接板間設置腹板的中節點ZGJ-1的抗震性能好。

3)中節點ZGJ-2和ZGJ-3的滯回曲線形狀基本一致，而中節點ZGJ-2比中節點ZGJ-3的滯回曲線飽滿程度大，表明滯回性能更好。

3.2 骨架曲線

裝配式混凝土梁柱中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的骨架曲線如圖6。

圖6 中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的骨架曲線

從圖6可以看出：

1)中節點構件屈服前，3個裝配式混凝土梁柱中節點在加載過程中骨架曲線變化趨勢一致，骨架曲線呈線性關系，中節點構件處于彈性工作狀態，骨架曲線基本重合。

2)隨著荷載的增加，中節點構件的骨架曲線斜率逐漸降低，進入彈塑性工作狀態，中節點構件的骨架曲線差異較大。

3)極限荷載后，水平連接板間腹板設置與否對中節點構件的骨架曲線下降段影響較為明顯。設置腹板的中節點ZGJ-1的骨架曲線極限荷載較大，下降段較為緩慢，破壞位移較大，表現出較好的承載能力、變形能力和延性性能。

4)與ZGJ-3相比，中節點ZGJ-2的極限荷載更大，骨架曲線下降段更緩慢，承載能力和延性性能更好。

3.3 剛度退化

裝配式混凝土梁柱中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的剛度退化曲線如圖7。

圖7 中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的剛度退化曲線

從圖7可以看出：

1)加載前期，3個裝配式混凝土梁柱中節點的剛度退化曲線較為陡峭，說明中節點試件剛度退化較快。

2)當中節點構件進入塑性階段后，隨著位移的增加，中節點構件的剛度逐漸降低，剛度退化速率減慢，由于裝配式混凝土中節點鋼端頭等鋼連接件的作用，中節點加載后期的承載能力和變形能力亦較高。中節點ZGJ-1的剛度退化曲線最緩慢，中節點ZGJ-2比中節點ZGJ-3的剛度退化曲線緩慢，說明設置腹板、增加梁內預埋鋼端頭長度能夠減緩中節點的剛度退化。

3.4 耗能能力

裝配式混凝土梁柱中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3的等效黏滯阻尼系數-位移(he-Δ)曲線如圖8。

圖8 中節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3等效黏滯阻尼系數-位移(he-Δ)曲線

從圖8可以看出：

1)水平連接板間腹板設置與否對中節點構件的等效黏滯阻尼系數影響顯著。屈服后，設置腹板的中節點ZGJ-1的等效黏滯阻尼系數he=0.10 ～ 0.25，未設置腹板的中節點ZGJ-2和ZGJ-3的等效黏滯阻尼系數he<0.1。可見，水平連接板間設置腹板能夠有效提高帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點耗能能力。

2)帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點構件ZGJ-2和ZGJ-3的等效黏滯阻尼系數he相差不大，表明梁內預埋鋼端頭長度對中節點的耗能能力影響效果不顯著。

4 結 論

1)帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點發生核心區剪切破壞，增加梁內預埋鋼端頭長度能夠改善裝配式混凝土梁柱中節點的破壞形態，水平連接板間設置腹板的中節點核心區剪切破壞較為嚴重。

2)水平連接板間設置腹板能夠提高帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點承載能力、變形能力以及耗能能力，減緩中節點的剛度退化，從而提高節點的滯回特性。

3)增加梁內預埋鋼端頭長度能夠改善帶鋼端頭的裝配式混凝土梁柱中節點的滯回性能，減緩中節點的剛度退化，提高承載能力和變形能力。