两层两跨带施工缝混凝土框架抗震性能研究

阎西康，马 康，延 华，陈倩倩，陈 培

(1．河北工业大学 土木工程学院，天津300401;2．河北省土木工程技术研究中心，天津300401)

0 引言

施工缝是指因施工需要导致前后两次浇筑混凝土的时间间隔超过其初凝时间，虽经处理，但两层混凝土之间的联结仍可能有别于连续浇筑混凝土．框架柱的施工缝一般留置在临近节点核心区的柱底和柱顶．实际结构设计中往往并不考虑施工缝对结构抗震性能的影响，目前国内外对于带施工缝的框架柱抗震性能研究比较少［1-2］． 笔者进行了两层两跨带施工缝的钢筋混凝土框架模型与整浇框架模型在低周反复荷载下的力学性能试验，力求对施工缝对其抗震性能的影响进行细致研究．

1 试验概况

1．1 结构设计和制作

根据《建筑抗震试验方法规程》［3］按1∶3 比例设计两榀两层两跨钢筋混凝土框架缩尺模型，一榀带有施工缝编号为DF，一榀为整体浇注编号为ZJ．两榀框架设计参数完全相同，如图1 所示，混凝土强度等级为C30．

ZJ 框架混凝土一次浇筑完成，DF 框架混凝土分次立模浇筑．在首层柱的底端和顶端分别留置第一层施工缝和第二层施工缝，在顶层柱的底端和顶端分别留置第三层施工缝和第四层施工缝．

1．2 加载方式及设置

试验在河北工业大学结构实验室静力台座上进行，如图2 所示．在框架柱顶利用油压千斤顶一次施加预定轴向荷载并保持稳定，试验前轴力按边柱轴压比0．23 和中柱轴压比0．34 计算． 试验采取在框架顶层梁中心线施加水平荷载．

图1 试件尺寸与配筋图Fig．1 Details of precast specimen

根据拟静力试验加载制度［3］，水平荷载采用力-位移混合控制施加． 以对应主筋应变达到屈服应变确认试件达到屈服点． 接近开裂和屈服荷载前宜减小级差进行加载． 框架屈服之后由力控制转为位移控制加载，以屈服时试件的最大位移值的倍数为级差进行控制加载．

图2 试验装置图Fig．2 Test set-up

2 试验过程及现象描述

在低周循环荷载下，ZJ、DF 框架分别经历了20，21 次反复循环直到破坏，框架均经历了开裂、屈服、破坏3 个阶段，最后破坏都是以柱底端钢筋屈服且混凝土压碎为特征．试验过程如表1 所示，框架裂缝开裂顺序如图3，图4 所示．

表1 框架试验过程描述Tab．1 During the test framework description

3 试验结果与分析

3．1 滞回曲线

DF 和ZJ 框架滞回曲线分别如图5、图6 所示，形状均呈梭形，有一定的捏缩效应．此阶段ZJ框架荷载和位移均明显大于DF 框架．

图5 DF 框架滞回曲线Fig．5 Hysteresis curve of DF frames

3．2 骨架曲线和延性系数

由实测水平荷载P 与框架顶点位移的滞回曲线峰点连线得骨架曲线［4］，如图7 所示．在骨架曲线的基础上进一步对框架的顶点位移延性系数进行整理计算(表2)．

由图7 可以看出，两榀框架从开始加载至屈服，两榀框架都表现出了较好的弹性性能．两榀框架的开裂荷载接近，开裂位移也相近(表2)，正反向荷载条件下对比两榀框架性能对称性良好． 随着荷载增加施工缝逐渐开裂，骨架曲线逐渐由重合变成分离，到屈服点时，DF 框架屈服荷载低于ZJ 的7% ～12%． 此后，骨架曲线继续分离，在最高荷载点相差为7% ～19%，ZJ 框架在极限荷载和破坏荷载的延性系数均大于DF 框架．DF 框架的极限位移延性系数在2．93 ～3．17 之间，而ZJ框架的位移延性系数达到4．77 ～5．02．

结果表明，在荷载低于屈服荷载57% ～76%时，施工缝对框架的承载力的影响不明显，可以认为与整浇框架等效．随着施工缝破坏，DF 框架比ZJ 框架承载力和位移有所降低，延性系数降低．

3．3 刚度退化

两榀框架试件的刚度退化如图8 所示． 从首层刚度退化和顶层刚度退化很清楚看到两榀框架退化曲线，退化明显，并且在屈服强度50% ～60%处相交．根据此交点可以将曲线分为两部分，前半部分和后半部分．前半部分开始ZJ 框架刚度比DF 框架下降较快，随着荷载变大，DF 框架刚度急剧下降，在屈服强度50% ～60%两榀框架曲线交叉，此处两者刚度相等，位移相等．后半部分，DF 框架继续延续刚度下降趋势，比ZJ 框架要快，刚度差距明显，DF 框架刚度为ZJ 框架的64% ～80%．

表2 框架顶点位移及延性系数Tab．2 Top displacement and displacement of frame

图8 两榀框架的刚度退化Fig．8 Rigidity degeneration of two frames

3．4 耗能能力

从框架耗能百分比图9、图10 的趋势看，框架DF、ZJ 的能量耗散随着水平位移的增加而增加．当水平位移循环为Δ 的时候，三次循环耗能的百分比较低，不到5%，并且每次耗散能量基本相同． 当水平位移循环继续加大到2Δ 和3Δ 时候，在相同位移的三次循环下，框架的第一次循环能量耗散最多，而后两次均有所下降．其中DF 框架后两次下降幅度较大，较第一次相差10%左右，而后两次能量耗散基本相同，可以忽略不计．施工缝的开裂发展使框架损失的强度较大．ZJ 框架三次能量耗散呈均匀下降趋势，幅度在2% ～7%之间．ZJ 框架具有较好的耗能性能．

3．5 变形恢复能力

用残余变形率和相对位移绘制出残余变形图11．从两组图中可以看出，随着位移的增加，试件的残余变形也不断增加，反映了反复荷载对试件的损伤不断累积．除顶层梁正向加载外，DF 框架的残余变形大于ZJ 框架． ZJ 框架正向和反向曲线形状基本对称于纵线轴，而DF 框架的曲线正向残余变形率大于反向的．

图11 框架的残余变形Fig．11 Residual deformation of frame

4 结论

(1)两榀框架都是从顶层梁局部位置开裂，之后依次首层梁、顶层梁梁端开裂，然后首层边柱柱底端，其次柱顶中柱柱端，最后边柱．中间或有柱端施工缝附近处的开裂． 但显见处理良好的施工缝的存在对框架各构件开裂影响较小．

(2)两榀框架破坏均由柱底主筋屈服和混凝土压碎决定．在低周反复荷载作用下框架结构鲜有在施工缝处破坏现象，即无论有无施工缝结构均在首层框架柱底端破坏，且破坏位置距离施工缝较远，说明施工缝的存在没有破坏结构的完整性．

(3)尽管施工缝的存在不会对结构的承载力产生影响，但对框架结构的抗震性能有一定影响．如DF 框架耗能能力低于ZJ 框架，同级位移循环荷载下施工缝的开裂使框架强度退化和刚度退化下降明显;在荷载低于屈服荷载57% -76%时，DF 框架的承载力低于ZJ 框架，之后随着荷载加大施工缝处逐渐破坏，DF 框架的承载力低于ZJ框架;DF 框架在极限荷载和破坏荷载的延性系数小于ZJ 框架;施工缝的开裂降低DF 框架的变形恢复能力，并使框架在循环荷载下保持对称受力性能等．

(4)框架结构设计与施工中应重视施工缝的处理，尽量避免施工缝对结构抗震性能的不利影响．

［1］ 魏春明，宋玉普，刘健．现浇钢筋混凝土框架柱施工缝抗震性能试验研究［J］． 大连理工大学学报，2006，45(4);527 -532．

［2］ 阎西康，张英来，陈培．带有施工缝的钢筋混凝土框架柱的抗震性能试验研究［J］． 建筑施工，2011(11):1030 -1031，1034．

［3］ 中国建筑科学研究所． JGJ 101—96 建筑抗震试验方法规程［S］．北京:建设部标准定额研究所，1996．

［4］ 徐云扉，胡庆昌，陈玉峰，等．低周反复荷载下两跨三层钢筋混凝土框架受力性能的试验研究［J］． 建筑结构学报，1986，7(2):1 -16．