预压装配式预应力混凝土框架梁端延性特征及耗能能力

2010-09-03昂正文柳炳康宋满荣陈丽华

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年12期

昂正文, 柳炳康, 宋满荣, 周安, 陈丽华

(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

预压装配式预应力混凝土框架是指把预制梁、柱吊装就位后,将预应力筋穿过梁柱预留孔道,张拉预应力筋后形成整体装配式混凝土框架。预应力筋既作为施工阶段的拼装手段,又作为使用阶段的受力钢筋承受荷载,通过拼装节点将结构构件组成一个受力整体,有效地改善了节点连接性能[1]。目前,这种结构形式在日本已建成了包括学校、停车场、仓库、厂房等的几十余栋建筑。从建筑业的发展趋势来看,工厂化生产、装配程度提高、预应力技术应用是实现建筑现代化的重要途径[2]。

我国在20世纪70年代开展了预制装配式结构的研究,曾推行工厂化、装配化、标准化的营造方式,建造了一批预制装配式框架结构。但由于装配式框架节点连接可靠性差,难以满足反复荷载下的受力要求,在地震区的使用受到限制。日本在20世纪90年代研究开发了预制装配式结构“压着工法”施工技术,在预应力框架节点两侧穿连预应力钢筋,实施张拉预压,解决了装配式框架梁端抗弯能力弱和节点整体性差的缺陷[3]。为了解预压装配式混凝土框架的受力性能和延性特征,本文通过一榀三层预压装配式混凝土框架在低周反复水平荷载作用下的试验,研究了预压装配式混凝土框架梁端的滞回曲线、延性特征、耗能能力等抗震性能。

1 试验设计

1.1 试件设计

本次试验的框架采用一跨三层预制框架,框架梁、柱均在工厂预制,运至实验室进行安装,梁柱配筋及拼装就位后的框架如图1所示。

图1 框架(KJ-6)尺寸及配筋图

框架安装就位后,将预应力筋穿过梁柱预留孔道,梁柱节点处拼装缝用环氧树脂水泥浆密封后进行预应力筋张拉,张拉采用应力、应变双控,应力通过油压表读数控制,同时校核预应力筋实际伸长值。钢筋张拉完毕后实施孔道压力灌浆。

试件实测混凝土立方抗压强度 fcu=38.17 N/mm2;预应力钢筋每孔采用 1束 7 Φj15,预应力筋屈服强度 fpy=1811 N/mm2,极限强度 fpt=1974 N/mm2,弹性模量 E=1.95×105N/mm。预应力钢绞线的张拉控制应力σcon=0.75fpt,锚具采用 OVM 单孔锚具[4]。在制作试件时,张拉端均增设了箍筋约束该处混凝土使其处于三向受压状态,避免锚固区局部受压破坏。

1.2 试验装置及加载方法

试验中框架施加的作用包括竖向荷载和水平力,图2所示为加载示意及测点布置图。试验时先由设置在柱顶的液压千斤顶对柱施加轴压力(轴压比取为0.2),给柱顶施加轴力的2个千斤顶由同一个油泵控制;然后利用反力架和梁跨中上部放置的3个液压千斤顶对梁施加竖向荷载,本次试验过程中梁跨中3个点施加同样大小的集中荷载90 kN,和柱顶施加荷载一样,在试验进行过程中竖向荷载值保持不变。

图2 加载示意及测点布置图

然后利用美国MTS公司液压伺服加载装置对框架施加水平反复荷载直至框架破坏,低周反复荷载采用力-位移混合控制,即在框架构件屈服前由水平荷载控制,屈服后由水平位移控制,水平荷载(位移)施加作用点有3个,分别是一层层高处、二层层高处和三层层高处。水平位移控制时,沿框架高度施加的位移按照第1振型分布,取为1.0∶0.85∶0.55。

1.3 测点布置及测量设备

试验主要测量以下几项内容：

(1)在梁端上下设置位移传感器测量梁端转角。

(2)在梁的跨中布置了千分表,用于测量弹性阶段内竖向荷载作用下梁底的混凝土应变值。

(3)在梁柱节点核心区布置了应变片,测量节点核心区混凝土应变。

数据采集系统由传感器、数据采集仪和计算机组成,试验时可以连续测量和自动记录。

2 试验过程

2.1 框架梁端破坏过程

框架竖向荷载通过千斤顶施加,且在试验中保持不变,框架梁跨中施加的竖向荷载在梁两端产生负弯矩;框架水平力通过作动器施加,在水平荷载作用下,梁的一端引起正弯矩,另一端引起负弯矩。由于水平荷载反复作用,梁端的正负弯矩是交替发生的,框架梁负弯矩叠加端首先出现损伤,发生破坏。

框架顶层作动器位移正向施加至40 mm左右,反向施加至30 mm左右时,梁端位移-曲率曲线斜率呈直线变化,滞回环所包围的面积很小;卸载时变形基本恢复,梁端截面无裂缝出现。顶层作动器位移正向施加至50 mm左右,反向施加至45 mm左右时,框架一层梁端及跨中出现微裂缝,刚度开始退化,卸载后,裂缝闭合良好。

顶层作动器位移正、反向施加至65 mm左右时,一层梁端裂缝的数量增加,已有的裂缝进一步扩大,二层梁端出现裂缝;位移继续增大,顶层位移正、反向施加至75 mm左右时,一层梁端下部受压区牛腿拼接处混凝土开始剥落,梁端转角加大,二层梁端接合部的裂缝继续扩大,三层梁端处开始出现裂缝,此时柱底也出现斜向微裂缝,卸载后梁端裂缝不再闭合。

继续施加位移,顶层作动器位移正、反向施加至85 mm左右时,一层框架梁负弯矩叠加端下部受压区牛腿拼接处混凝土开始剥落,二层框架梁负弯矩叠加端下部受压区出现水平状斜向裂缝。这是因为在水平和竖向荷载的共同作用下,框架梁负弯矩叠加端缺口梁与牛腿拼接处由组合截面承受梁端弯矩,使得与框架梁端截面上部受拉,下部受压所致。框架梁端的转角变形不断增大,残余变形也不断增加。

顶层位移正、反向加载至95 mm时,一层梁一端在反复荷载作用下,截面上下混凝土均被压溃,另一端梁端缺口和柱牛腿接合部底部混凝土被压碎并剥落;二层梁一端底部受压区缺口梁混凝土被压碎,另一端梁底部受压区达极限压应变并有裂缝出现;三层梁两端底部受压区有微裂缝出现,但混凝土尚未被压坏;此时底层一侧柱有较大的斜向裂缝出现,另一侧有斜向微裂缝。

图3所示为框架梁端节点破坏形态,图4所示为节点梁端裂缝及损伤描绘图。

从试验可以看出,加载(位移)过程中,一层框架梁端首先出现塑性铰,二层框架梁端塑性铰随后出现,三层框架梁端未达屈服,加载(位移)最后阶段,柱底出现斜裂缝。最后破坏以框架一、二层梁端钢筋屈服,混凝土压坏,失去承载能力而告终。试验框架属“强柱弱梁”型结构。

一、二层框架梁梁端均出现塑性铰,并发生充分转动,三层框架梁梁端由于水平荷载引起的负弯矩较小,与竖向荷载产生的负弯矩叠加后不足以使得梁端截面屈服,未出现塑性铰。

图3 框架节点梁端及柱端破坏形态

图4 框架节点梁端及柱端裂缝及损伤描绘图

2.2 梁截面应变分布

分别在柱两侧梁顶和梁底布置位移传感器,测得了250 mm标距范围内每一循环荷载下的拉压应变值,在截面应变符合平截面假定的前提下,图5所示为柱一侧梁端截面应变分布图,反映了截面的转动能力和梁端屈服程度。

试验过程中正向施加水平位移时,该侧梁端产生负弯矩,与跨中竖向荷载引起的负弯矩叠加,截面应变数值较大;反向施加水平位移时,该侧梁端产生正弯矩,与跨中竖向荷载引起的负弯矩相抵,截面应变数值较小。一层梁端接合部底部受压区混凝土产生积累损伤被压溃,截面应变最大,塑性铰充分转动;二层梁端底部受压区损伤轻于一层,截面应变稍小,截面转角亦小;三层梁端底部受压区有微裂缝出现,混凝土未被压坏,截面应变最小,梁端截面不能充分转动。