新型预制装配框架混凝土梁柱节点抗震性能研究*

于建兵，郭正兴，管东芝，袁晨迪

(东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096)

新型预制装配框架混凝土梁柱节点抗震性能研究*

于建兵，郭正兴†，管东芝，袁晨迪

(东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096)

采用足尺模型对比试验方法，对现浇混凝土梁柱组合件、4个新型预制混凝土装配整体式框架结构梁柱节点进行低周反复荷载试验，研究新型预制装配框架节点的破坏形态、滞回特性、骨架曲线、耗能能力等抗震性能指标.试验结果表明：通过在节点核心区设置附加钢筋，可以实现梁端塑性铰的外移.装配框架节点的滞回曲线较丰满，在加载前期等效黏滞阻尼系数较现浇节点小，但是在加载到极限荷载时，装配节点的等效黏滞阻尼系数与现浇节点基本相当乃至超过现浇节点，说明新型节点具有较好的耗能能力，能够满足抗震规范要求的“强柱弱梁，强节点弱构件”的要求.

抗震性能；预制混凝土；低周反复荷载试验；滞回性能

从国民经济中的地位和建筑业自身的行业技术特征来看，我国建筑业成为国家经济持续发展的支柱型产业.我国 GDP 中，有 5.6 万亿固定资产投资是靠建筑业来实现的，全国有 2.3 万亿基本建设投入，占 GDP 的 20%；由于建筑业的行业特点和技术特性决定了建筑业必然是钢材、水泥、木材等物质资源的直接消耗大户.目前，建筑耗能、工业耗能和交通耗能已经成为我国能源消耗的三大猛虎，尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提高，呈急剧上升趋势.因此，建筑业转变发展模式，降低建筑能源消耗，是建筑业可持续发展的战略选择.而预制装配结构正符合建筑业转变发展的要求.

在预制装配结构中，预制装配混凝土框架和剪力墙结构是主要的两类结构形式.框架结构应用面较广，能够应用到学校、医院、办公写字楼和其他公共建筑的结构形式[1-3].但由于装配式结构节点连接可靠性比现浇结构要差一些，难以满足地震作用下的受力要求，在地震区的使用受到限制.国内外关于预制装配式混凝土结构的研究主要集中在改进构件节点连接方式、提高接合部受力性能以及不同连接方式下装配式结构的整体抗震性能方面[4-9].对于规模应用预制装配整体式混凝土框架结构，预制梁柱构件间的连接方式是核心技术，值得花大力气构思新型连接方式并做基础性的研究，为工程规模应用做基础性研究铺垫工作.预制混凝土结构的试验研究和震害调查表明，只要预制构件的接合部位有可靠的连接，则预制混凝土结构有良好的抗震性能[10-12].

1 新型节点的结构形式及特点

在凝练已有研究和工程应用的基础上，创新性地提出新的连接节点方式，该节点主要构思如下：预制预应力混凝土梁和现浇柱，梁端部设置U形键槽，梁底受力钢筋采用钢绞线代替普通的受力钢筋，并且钢绞线端部压成散弯压花锚状.由于钢绞线具有柔软性，在键槽长度范围内能自由弯曲“掰动”，可有效避开节点处柱子的纵向钢筋顺利伸入对面梁的键槽内；通过加强U型槽处(如加密箍筋等)和将U型槽端部预应力钢绞线局部无粘结处理，并在梁柱结合部位放置附加构造钢筋，有意识地控制梁塑性铰出现在距节点柱边一定距离的范围内，能有效改善节点抗震性能，然后通过节点现浇连接成整体.新型节点的构造见图1.

图1 新型预制混凝土框架梁柱节点拼装

2 试验设计

2.1 构件的设计

本试验共设计了5个足尺梁柱组合构件，包括4个预制装配新型节点和1个现浇足尺比例节点试件，编号分别为 J2,J3,J4,J5和XJ1.根据现场做法、试验条件及试验目的，综合确定了试件的几何尺寸.试件采用 C40 混凝土浇筑，现浇节点梁柱中受力钢筋采用 HRB335 级热轧钢筋，箍筋采用HPB235 级热轧钢筋，预制节点柱中的受力钢筋与现浇节点受力钢筋相同，预制梁中的纵向受力筋与现浇构件按照等面积代换的原则底部受力钢筋采用钢绞线进行代换.钢绞线端部压成压花锚状同时在端部设置一块厚度为10 mm的锚固端板，将压花锚卡在端板开的槽内，以此来增加钢绞线的锚固性能.预制梁中施加了30 kN的预应力，预应力的存在可以增强预制梁的变性恢复能力，具体试件的明细见表1. 节点设计详图及钢绞线锚固见图2.

表1 试件明细

图2 节点设计详图

2.2 试验的加载装置

在试验构件的梁两端分别设置位移计进行加载过程中位移的量测，为了测试节点核心区的剪切破坏，在节点核心区采用手持应变仪进行节点核心区的剪切破坏.本试验采用液压千斤顶进行加载，反力装置采用钢桁架反力架，整个反力架装置采用地脚螺栓与地槽进行连接形成.试件的就位以及反力架的移动均通过试验室吊车完成.试验装置如图 3 所示.

3 试验过程

3.1 加载制度

本试验采用拟静力试验方法，在梁端施加同步的低周反复荷载来模拟地震作用，同时柱顶端施加固定的设计轴力，柱轴压比为0.20.

本试验加载程序如下：首先在柱顶施加恒定轴力，在试验中要保持柱顶轴力不变；然后采用液压千斤顶对梁端施加反对称的反复低周荷载，在弹性阶段采用荷载进行控制加载，且每次加载循环1次.加载初期按照10 kN一个等级进行加载，待构件出现裂缝后，加载按照20 kN一个等级进行加载.直至构件达到屈服后(由观察控制，即滞回曲线出现明显的屈服台阶)，待构件进入屈服阶段，采用位移来控制加载，且每级位移加载循环3次，加载一直进行到荷载下降到极限荷载的85%.

图3 试验加载装置

3.2 试验现象及裂缝分布

本次试验4个预制构件与现浇构件的区别就是按照等面积代换的原则将现浇构件中受力钢筋采用钢绞线进行了代换.4个预制构件的主要区别在于节点核心区处的的钢绞线是否设置无粘结段以及是否设置附加钢筋.

在加载过程中，现浇构件在加载到35 kN时候在距离梁柱交界面5 cm处出现了第1条裂缝，预制构件J4的开裂荷载与现浇构件相同，其余3个构件的开裂荷载都略低于现浇构件，预制构件的第1条裂缝出现在键槽新老混凝土交界处.现浇构件加载到2△第1次循环时，梁根部的混凝土开始出现剥落，节点核心区出现对角裂缝.待加载到5△第1次循环时，梁的下部钢筋被拉断，终止加载.XJ1的裂缝开展及破坏形态见图4(a).J2与J3构件加载到3△第1次循环时，混凝土开始剥落，节点核心区出现对角裂缝.待加载到4△第3次循环时，承载力下降到85%，终止加载.J2与J3的裂缝开展及破坏形态见图4(b)、(c).J4和J5构件加载到2△第1次循环时，节点核心区出现对角裂缝，梁根部混凝土开机剥落.J4加载到5△第1次循环时承载力下降到85%，终止加载，J4的裂缝开展及破坏形态见图4(d).加载到4△第1次循环时承载力就下降到85%，便终止加载.J5构件的裂缝开展及破坏形态见图4(e).

通过图4还可以观察到，J4和J5构件设置了附加钢筋，梁端的塑性铰实现了外移，不像XJ1,J2和J3构件，在低周反复荷载作用下，梁端的塑性铰发生在梁柱结合面处.塑性铰向外转移可以增加构件的变形能力.

4 试验结果与分析

4.1 节点的滞回曲线

从图5中可以看出，5个构件在加载初期的滞回曲线基本呈线性变化，残余变形很小，待加载到屈服荷载后，构件残余变形加大，滞回环面积开始变大.XJ1构件的滞回曲线呈梭形，随着施加的位移加大，构件的残余变形不断增加，导致XJ1的滞回曲线出现揑缩现象，待加载到4△第2次循环时滞回曲线完全呈反S形.预制构件的滞回曲线形状比较相似，滞回曲线上半部分呈梭形，下部分较上部分略有揑缩.由于预制构件的受力筋采用钢绞线，而钢绞线没有明显的屈服平台，所以预制构件的滞回曲线下半部分没有明显的屈服台阶.可以看出试件J3和J2的滞回环面积较现浇构件的小.说明J2和J3构件的耗能能力较现浇构件XJ1耗能要差.试件J4和J5由于在节点核心区设置了附加直钢筋，构件的极限承载力较构件J2,XJ1和J3高很多，虽然构件J4和J5下部滞回曲线也有揑缩现象，但是其承载力较高，滞回环的面积与现浇构件基本相当.可以说明新型节点的耗能能力与现浇构件的耗能能力基本相当.

4.2 节点的骨架曲线

骨架曲线是指连接各次循环加荷峰值(正向或反向)点的曲线[11].本试验中5个构件的骨架曲线如图6所示.由图6可知，构件XJ1从屈服到破坏经历了较长的过程，延性较好.J2～J5等4个构件上部曲线对应上部钢筋受拉状态相较于XJ1极限荷载更大，这得益于键槽段对箍筋的加密.当预制构件下部受拉时，J2和J3构件的极限荷载与现浇构件的基本相当.构件J4和J5的极限荷载远远大于构件J2,XJ1和J3，但是构件J4在试验即将结束的时候，钢绞线中的一根钢丝被拉断，导致试件J4的承载力陡降.同时可以看出所有构件当上部受拉时，都有明显的屈服台阶.当下部受拉时预制构件没有明显的屈服台阶.

图4 构件裂缝开展情况

图5 构件滞回曲线图

4.3 节点的耗能分析[12-14]

采用等效黏滞阻尼系数来对构件的耗能能力进行分析，该指标的数值越大，说明构件的耗能能力越强，各构件的等效黏滞阻尼系数在不同的加载特征周期的值见表2.由表2可知，在屈服阶段，预制装配构件的耗能能力较现浇构件的小.但是待达到极限荷载时，构件的耗能能力与现浇构件的基本相当，特别是构件J4和构件J5耗能能力甚至比现浇构件XJ1的大.

图6 构件骨架曲线

表2 不同加载阶段下试件的等效黏滞阻尼系数

5 结 论

1)在轴压比为0.2的条件下，对4个现浇柱预制梁的新型装配框架梁柱节点进行低周反复荷载试验.试验中新型梁柱节点的主要破坏发生在梁端塑性铰区，破坏也是以弯曲破坏为主，柱以及节点区没有出现严重的破坏情况.构件在制作时对键槽新老混凝土结合面处应采取措施进行处理，使新老混凝土能够结合得更加牢固.

2)新型预制混凝土框架梁柱节点等效粘滞阻尼系数在加载中前期不如现浇构件，但在加载后期，预制构件上述指标相对于现浇构件均有较大提高，甚至超过现浇构件，说明预制节点有着较大的安全储备.就变形能力而言，预制节点与现浇节点破坏时所达到的位移值相当甚至大于现浇构件.

3)从 5 个试件的对比来看，在预制构件节点核心区设置附加钢筋可以提高节点的极限承载能力，使梁端塑性铰向外转移，增强预制构件节点的变形能力.同时按照现行混凝土结构设计规范和抗震设计规范对预制构件进行设计，并在设计阶段认真贯彻好“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”等抗震设计原则的新型预制装配框混凝土架梁柱节点便完全能够达到相应的抗震要求.

4)钢绞线端部采用压花锚并且采用锚固端板对其进行约束，增强了钢绞线锚固性能，减小了钢绞线的锚固长度.

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Research on Seismic Behavior of a New Style Precast Concrete Beam-to Column Connection

YU Jian-bing,GUO Zheng-xing†, GUAN Dong-zhi, YUAN Chen-di

(School of Civil Engineering, Southeast Univ, Nanjing, Jiangsu 210096,China)

Full-scale model test method was used to investigate the seismic behavior of cast in place beam-column assembly and four new precast concrete beam-to-column connections under low-cycle reversed loading. The estimation was given for the seismic performance of new precast connection on the basis of the failure mechanism on the beam-column connections, as well as hysteretic loops, ductility, energy dissipation, etc. The results indicate that, by setting additional reinforcement in the core area of the node, it can achieve the relocation of the plastic hinge at the end of beam. The hysteresis curve of the new precast connection is plumpy, and in the pre-load, the equivalent viscous damping coefficient was smaller than the cast in place connection. However, when loaded into the ultimate load, the equivalent viscous damping coefficient of precast connections was roughly equal and even exceeded cast in place connection. It has been shown that the new connection has a better energy dissipation capacity, and can meet the requirements of “strong column weak beam, stronger joint”.

seismic behavior; precast concrete; low-cycle reversed loading test; hysteretic curve characteristic

1674-2974(2015)07-0042-06

2014-10-12

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ10B03)

于建兵(1983-)，男，江苏连云港人，东南大学博士研究生

†通讯联系人，E-mail:guozx195608@126.com

TU317.1；TU398.2

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