附加阻尼器的预应力装配式节点抗震性能试验研究

韩建强　裴亚晖　徐国强,2　张晓杰　杨珊珊

(1.华北理工大学,唐山 063009;2.河北省地震工程研究中心,唐山 063009)



附加阻尼器的预应力装配式节点抗震性能试验研究

韩建强1,2,*裴亚晖1徐国强1,2张晓杰1杨珊珊1

(1.华北理工大学,唐山 063009;2.河北省地震工程研究中心,唐山 063009)

摘要通过对附加阻尼器的预应力装配式框架结构节点和现浇框架节点的低周反复荷载试验,研究了钢筋混凝土框架结构和附加阻尼器的预应力装配式框架结构节点的裂缝分布、破坏形态、滞回曲线及位移延性等抗震性能。试验结果表明:附加阻尼器的预应力装配式框架结构抗震性能良好,在抗震设防地区具有良好的应用前景。

关键词预应力, 装配式, 框架结构, 阻尼器, 抗震性能

Experimental Study on Seismic Performance of Assembled PrestressedConcrete Structure Beam-column Joints with Dampers

HAN Jianqiang1,2,*PEI Yahui1XU Guoqiang1,2ZHANG Xiaojie1YANG Shanshan1

(1.North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China;

2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,Tangshan 063009,China)

AbstractThrough the experiment under low cyclic loading of cast-in-situ reinforced concrete frame beam-column joints and damped beam-column joints of prestressed concrete frame structures, the seismic performance including crack distribution, failure pattern, hysteresis curve, and the displacement ductility are analyzed. The results showed that: assembled prestressed concrete frame structure with damped beam-column joints have good seismic performance, and have wide application prospect in earthquake area.

Keywordsprestressed, assembled, frame structure, damper, seismic performance

1引言

预应力装配式框架结构体系可以提高构件的标准化和工厂化程度,大大节省模板支撑体系,同时还可以缩短工期,是一种优良的结构体系,符合我国建筑工业化进程的要求,是我国建筑结构发展的重要方向之一[1-3]。但是,预制装配式混凝土框架结构的抗震耗能能力较差,在地震设防地区的应用受到限制。从历次地震中的结构破坏情况来看,预制框架的震害多集中在梁柱节点区[4]。节点关系到整个结构的安全性和稳定性,是结构破坏的核心部位,其抗震性能还有待进一步研究[5]。本文通过对两个预应力装配式框架结构试件和两个现浇钢筋混凝土框架结构试件的低周反复荷载试验对比,研究现浇框架结构、附加阻尼器的预应力装配式框架结构节点的裂缝分布、破坏形态、滞回曲线及位移延性等抗震性能。

2试验设计

2.1　试件设计

本试验共制作了两组共4个足尺梁柱节点模型,按强柱弱梁的原则设计,现浇中节点RCJ-1(图1)和边节点RCJ-2(图2)各一个,附加阻尼器(图3)的预应力装配式框架中节点PCJ-1(图4)和边节点PCJ-2(图5)各一个。预应力装配式框架节点由预制梁(图6)和预制柱(图7)装配而成。四个试件的梁截面尺寸均为200 mm×400 mm,柱截面尺寸为400 mm×400 mm。混凝土强度等级为C40,混凝土力学性能参数见表1。梁柱纵筋和箍筋均采用HRB400热轧钢筋,梁柱均为对称配筋,钢筋的实测力学性能参数见表2。摩擦阻尼器的力学性能参数见表3。在梁端及柱子节点核心区布置钢筋应变片,装配构件中的钢绞线通过端部的力传感器采集装配和加载过程中荷载变化数据。

图1　试件RCJ-1尺寸及配筋(单位:mm)Fig.1　Dimension and reinforcement layout ofspecimen RCJ-1 (Unit:mm)

图2　试件RCJ-2尺寸及配筋(单位:mm)Fig.2　Dimension and reinforcement layout ofspecimen RCJ-2(Unit:mm)

图3　阻尼器Fig.3　Damper

图4　装配试件PCJ-1Fig.4　Assembly of specimen PCJ-1

图5　装配试件PCJ-2Fig.5　Assembly of specimen PCJ-2

图6　预制梁(单位:mm)Fig.6　Precast beam(Unit:mm)

表1混凝土力学性能参数

Table 1　Concrete mechanical parameters　MPa

图7　预制柱(单位:mm)Fig.7　Precast column(Unit:mm)

表2钢筋力学性能参数

Table 2　Steel mechanical parameters

表3摩擦阻尼器的力学性能参数

Table 3　Mechanical properties ofthe friction damper

2.2　加载装置

本试验在一个门式反力钢架下进行,柱端通过固定于反力墙上的MTS电液伺服作用器施加水平低周反复荷载,柱子底部固定于带转动铰支座的柱帽内,梁端上下安装两个可以水平滚动的滚轮,在柱端水平力作用下梁端可以左右移动,不能上下移动。柱顶施加可以水平移动的竖向轴力,通过门式反力钢架由安放在柱顶的千斤顶施加轴压力,轴压比为0.2。加载装置及测点布置见图8。

2.3　测量内容及测点布置

在试件节点核心区柱子四角的四个纵筋各布置三个纵向应变片,用于测量纵筋的应变;试件节点核心区柱子的三个箍筋各布置两个箍筋应变片,用于测量箍筋应变。在梁柱节点处的梁端四角纵筋各布置一个纵向应变片,用于测量梁纵筋应变;在梁柱节点处的梁端一个箍筋布置两个应变片,用于测量梁端剪力。

图8　加载装置Fig.8　Loading device

2.4　加载程序

本试验采用荷载-位移混合控制的加载方法[6]。达到屈服荷载前,力与变形的关系基本是线性的,而且变形增量增大不多,采用荷载控制加载;当节点屈服以后,力的增量变小,而变形的增量很大,采用位移控制加载。按屈服位移的倍数即 1△y、2△y、3△y 分级,每级加载循环反复二次。直到加载值下降到峰值的85%,认为节点破坏,试验结束。每级荷载循环保持相同时间间隔。

3试验结果分析

3.1　滞回曲线

滞回曲线是在反复作用下结构的荷载-变形曲线。它反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗等抗震性能。中节点试件的柱端荷载-位移滞回曲线见图9,边节点试件的柱端荷载-位移滞回曲线见图10。

从图可以看出:两组试件的滞回曲线形状、大小以及变化过程均非常相似。早期两组试件的滞回曲线均呈梭形,滞回环包含的面积很小,接近直线形,残余变形很小。试件开裂后滞回环所包含的面积逐渐变大,且滞回环逐渐偏离原来的直线形开始呈现曲线形,呈现出一定的捏拢效应。从整体上看两组试件的滞回曲线都比较丰满,具有良好的耗能能力。

图9　中节点荷载-位移滞回曲线Fig.9　Load displacement hysteretic curves ofcenter connections

图10　边节点荷载-位移滞回曲线Fig.10　Load displacement hystereticcurves of back edge connections

初期试件PCJ-1和PCJ-2与试件RCJ-1和RCJ-2相比,捏拢效应比较明显,变形恢复能力也较高,而滞回环的饱满程度稍差。而试件RCJ-1和RCJ-2在节点核心区破坏后则捏拢效应十分明显,滞回环的饱满程度及耗能能力显著下降。

3.2　骨架曲线

两组试件在水平低周反复荷载作用下的骨架曲线大致相同,都经历了弹性、屈服、强化和下降4个阶段。两组试件开裂前骨架曲线均呈直线,且几乎重合,试件变形为弹性变形。中节点试件的骨架曲线见图11,边节点试件的骨架曲线见图12。

试件开裂后,骨架曲线的曲率变小,向位移轴偏移,位移增长的速度加快,荷载增长的速度减慢。与试件PCJ-1和PCJ-2相比,试件RCJ-1和RCJ-2的极限承载力较大,破坏时的位移也较大。试件RCJ-1和RCJ-2的延性优于试件PCJ-1和试件PCJ-2。

3.3　刚度退化

两组试件的刚度退化随着位移的增加呈增大趋势,正向加载和反向加载时刚度退化速度基本相同。试件RCJ-1和RCJ-2的初始刚度均大于试件PCJ-1和试件PCJ-2,荷载较小时刚度退化速度也大于试件PCJ-1和试件PCJ-2。中节点试件的刚度退化曲线见图13,边节点试件的刚度退化曲线见图14。

图11　中节点骨架曲线Fig.11　Skeleton curve of center connections

图12　边节点骨架曲线Fig.12　Skeleton curve of edge connections

3.4　位移延性

现浇节点试件根据试验数据采集的纵筋应变,确定构件屈服荷载及变形,因装配构件连接处为钢绞线和阻尼器,构件破坏时均处在弹性阶段,按照极限荷载的80%对应的变形假定为屈服变形。整理试验数据后,得出两组试件的位移延性系数见表4。

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图14　边节点刚度退化曲线Fig.14　Stiffness degradation curve of edge connections

从表中可以看出,两组试件的位移延性系数大致相当。试件PCJ-1和试件PCJ-2的延性略好于试件RCJ-1和RCJ-2。

4结论

(1) 在低周反复荷载作用下,两组试件的破坏主要集中在梁柱连接面部位。试件RCJ-1和RCJ-2节点核心区轻微破坏,试件PCJ-1和试件PCJ-2节点核心区完好。两组试件均属于典型的梁端塑性铰破坏,与“强柱弱梁”的抗震设计目标一致。

表4试件的位移延性系数

Table 4　Displacement ductility factor of specimens

(2) 在加载过程中,试件PCJ-1和试件PCJ-2梁柱接触面均没有明显的剪切滑移,卸载后阻尼器安装杆有轻微变形。说明附加阻尼器的预应力装配节点均有足够的抵抗梁端剪力的能力。

(3) 两组试件的滞回曲线均比较饱满,具有良好的耗能能力。相比之下,现浇框架节点的耗能能力略好于装配框架节点。

(4) 由于预应力钢绞线的预压作用,明显提高了预应力装配式框架结构的开裂荷载,且卸载后预应力装配式框架结构的变形基本可以恢复,残余变形明显小于现浇结构,说明预应力装配式构件具有良好的变形回复能力。

(5) 从延性系数上看,预应力装配式框架结构的延性较好于现浇框架结构。

参考文献

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[2]韩建强,李振宝,宋佳,等.预应力装配式框架结构试验研究与分析[J].四川建筑科学研究,2010(5):130-133.

Han Jianqiang,Li Zhenbao,Song Jia,et al.The prestressing assembly type frame structure analysis and experimental study[J].Building Science Research of Sichuan,2010,(5):130-133.(in Chinese)

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Wang Dun,Lu Xilin,Zhao Bin.Progress of study on seismic performance of precast concrete shear wall systems [J].Structural Engineers,2010,26(6):128-135.(in Chinese)

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Jiao Shuangjian,Wei Wei,Feng Qimin.A summary on research of RC frame subject to seismic damage[J].World Earthquake Engineering,2000,16(4):42-46.(in Chinese)

[6]中华人民共和国建设部. JGJ 101—96 建筑抗震试验方法规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1997.

Ministry of Construction of the People′s Republic of China. JGJ 101—96 Seismic test method of building code [S].Beijing:Chinese Architecture Industry Press,1997.

基金项目：国家自然科学基金项目资助(51208171);河北省科技支撑计划项目(13273809);河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2014021)

收稿日期：2014-10-31

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