装配式高强钢筋钢纤维混凝土框架节点抗震性能试验研究

2020-05-21张健新丁传林戎贤杨洪渭

土木与环境工程学报 2020年2期

张健新，丁传林，戎贤，杨洪渭

(河北工业大学土木与交通学院，天津 300401)

预制装配式混凝土构件是指在工厂中制造并在建筑工地装配成整体构件的混凝土产品。与传统的现浇混凝土结构相比，预制混凝土结构具有生产效率高、构件加工精度高、节能环保、施工进度快、经济效益高等优点[1-2]。但是，预制装配式混凝土刚度、整体性以及抗震性能差，大量研究表明，梁柱节点是影响预制结构抗震性能的关键因素[3-5]。为此，学者们对不同节点连接类型的预制装配式混凝土结构进行了研究。吴从晓等[6]对现浇节点与预制装配式混凝土框架节点进行了试验研究。张锡治[7]通过试验研究了钢-混凝土预制混合梁试件的抗震性能，并采用ABAQUS进行有限元模拟。胡轩等[8]提出了一种钢管混凝土柱-双钢梁预制装配式框架体系，对平面和空间节点进行拟静力试验。Kim等[9]完成了两个离心柱钢梁预制节点的静力加载试验，结果表明,离心柱与钢梁通过焊接连接比通过螺栓连接表现出更好的抗震性能。Yang等[10]研发了一种具有简单延性连接的H型钢预制混凝土组合系统，通过预应力筋把嵌入在预制柱中的预制梁与钢筋混凝土梁相连，然后在连接区后浇混凝土。Bahrami等[11]对2个新型抗弯预制节点进行了试验研究，对比分析节点的侧向刚度、延性和耗能能力，并采用有限元模型进行验证。Wang等[12]提出了一种新型预应力预制钢筋混凝土梁柱节点：预制梁中加入钢绞线提高构件的自修复能力，节点处可更换的钢筋提高了节点耗能能力。由此可见，合理设计的梁柱节点在地震荷载作用下具有良好的延性和耗能能力。

钢纤维混凝土能克服普通混凝土抗拉强度低、延展性能弱等缺点，在框架节点核心区加入钢纤维可以有效降低节点配筋率，提高节点的抗震性能[13-16]。为研究节点的抗震性能，提出两种新型预制装配式混凝土节点连接形式，在节点核心区加入钢连接件和钢纤维,通过进行低周往复荷载试验，研究其抗震性能。

1 试验概况

试验设计了3根混凝土中节点试件，按照“强构件弱节点”进行设计，节点核心区未充分配置箍筋，其中，试件ZJ1为现浇的普通高强钢筋混凝土试件，试件ZJ2、ZJ3为装配式混凝土节点试件，包括预制梁、预制柱和梁柱连接区3部分。为实现装配式节点的施工方便，采用在试件ZJ2、ZJ3的节点区加入型钢或者钢板的方式进行连接，以达到有效传力。试件配筋及节点详图如图1所示，柱和梁的截面尺寸分别为350 mm×350 mm和250 mm×400 mm，柱纵筋采用10根HRB600钢筋，梁纵筋采用8根HRB600钢筋，梁柱箍筋均采用HRB400钢筋，间距为100 mm。试件ZJ2预制柱中部预埋工字钢，工字钢尺寸为354 mm×200 mm×6 mm×12 mm，预制梁中伸出的钢筋直接焊接在预制柱的工字钢上。试件ZJ3预制柱端设置尺寸250 mm×400 mm×20 mm的端板，预制柱中部预埋一块尺寸为710 mm×330 mm×10 mm的钢板，同时，钢板与端板焊接，并在预制柱中部上下均采用4根直径18 mm的钢筋与端板塞焊；预制梁中预埋尺寸为354 mm×200 mm×6 mm×12 mm的坡口工字钢，预制梁内工字钢的翼缘与预制柱端板现场施焊，腹板通过焊接于预制柱端板的连接板螺栓连接，连接板尺寸为220 mm×165 mm×6 mm。同时，试件ZJ2、ZJ3节点核心区和后浇区浇筑钢纤维混凝土，体积百分含量为1%。型钢采用Q235钢材，型钢连接采用10.9级高强螺栓。

试件采用的混凝土强度等级为C45，轴心抗压强度为31.17 MPa，弹性模量33.96 GPa；采用的钢纤维混凝土强度等级为C45，轴心抗压强度为31.7 MPa，弹性模量34.11 GPa。预制构件节点核心区和后浇区采用的钢纤维长度为30 mm、直径0.5 mm、抗拉强度为1 100 MPa、密度为7 850 kg/m3。表1为钢筋及钢板的力学性能。

表1 钢筋及钢板的力学性能
Table 1 Mechanical property of reinforcement and steel

钢筋及钢板规格屈服强度/MPa极限强度/MPaHRB400(10 mm)502.55636.49600MPa(18 mm)700.79875.90600MPa(22 mm)648.49821.79Q235(6 mm)298.33445.33Q235(10 mm)312.00450.00Q235(12 mm)264.67400.00Q235(20 mm)279.33454.67

试验加载装置及加载制度如图2所示。试验加载方案采用拟静力往复加载。将试验试件安装就位后，进行预加载，检查仪器运行。之后进行试验，首先，通过柱顶的竖向千斤顶施加恒定的轴压力；然后，通过梁端的液压作动器施加低周往复荷载。试验加载制度采用荷载-位移混合加载方式，即试件屈服前采用荷载控制，循环1次，屈服后改为位移控制，循环3次，当荷载降至峰值荷载的85%时结束试验。试验采用DH3816系统采集数据，在梁柱纵筋、箍筋以及钢板粘贴应变片，以测量对应位置的应变，在梁端布置位移计以测量转角，图3为位移计布置图。

图2 试验加载装置及加载制度Fig.2 Test setupand loading systems

图3 位移计布置图Fig.3 Displacement meter layout

2 破坏特征

图4为现浇普通混凝土梁柱中节点和装配式梁柱中节点的破坏图。

图4 破坏特征Fig.4 Failure characteristic

由图4可以看出：现浇混凝土中节点试件ZJ1和装配式混凝土中节点试件ZJ3最终发生节点核心区剪切破坏，而装配式混凝土中节点试件ZJ2为典型的梁端弯曲破坏。试件ZJ2中的工字钢贯穿节点核心区，节点核心区部位刚度较大，工字钢能够在节点核心区均匀地传力，因此，节点核心区部位保持较好的完整性。该构件的预制梁纵筋直接焊接在预制柱工字钢上，此处连接刚度发生突变，产生塑性铰并充分发展，通过采用工字钢这种新型装配式连接形式，实现塑性铰外移，保证了节点的完整性，最终发生了梁端弯曲破坏形态。

而试件ZJ3的节点核心区部位采用钢板、钢筋与端板相连，预制梁与预制柱连接处翼缘采用焊接，腹板通过增设连接板栓接，刚度比节点核心区大，同时，钢板能够在节点核心区部位均匀传力，核心区部位裂缝发展较为均匀，最后发生了核心区剪切破坏。

对比未加入钢纤维的现浇混凝土中节点试件ZJ1，采用工字钢连接，同时，在节点核心区及后浇区加入钢纤维的中节点试件ZJ2核心区裂缝细而密，梁端连接区域裂缝很少，梁纵筋与工字钢焊接部位出现塑性铰，节点核心区没有明显的剪切破坏，实现“强柱弱梁”的原则；随着位移增加，塑性铰发展较为严重。与现浇混凝土中节点试件ZJ1相比，装配式混凝土中节点试件ZJ3虽然最终也发生节点核心区剪切破坏，但由于在核心区加入钢连接件和钢纤维，能够更好地传力，有效减少了裂缝的产生和发展，节点的剪切变形得到很大改善，核心区未出现严重混凝土脱落，左右梁及节点核心区裂缝宽度明显减少，表明采用钢板与端板连接形式能显著改善节点的破坏形态；同时，在造价增加数十元的情况下，节点核心区加入钢纤维能显著减少裂缝宽度，改善节点性能明显。对比装配式混凝土中节点试件ZJ2、ZJ3破坏模式，ZJ3的连接形式改善效果没有ZJ2的理想。

3 试验数据结果及分析

3.1 滞回曲线

各试件的梁端荷载-位移曲线如图5所示。

图5 荷载-位移滞回曲线Fig.5 Load-displacement hysteretic curves

由图5可以看出，在加载初期，所有试件的荷载-位移滞回曲线几乎都是线性的，滞回环面积较小，表明试验梁柱中节点处于弹性阶段。随着加载不断进行，试件进入弹塑性阶段后，滞回曲线随荷载的增加呈现非线性变化，滞回环面积不断增大，表明试件的耗能能力增大。最后，试件达到峰值荷载后，随着加载位移的进一步增大，卸载后残余变形增大，但荷载逐渐减小。

与现浇混凝土中节点试件ZJ1相比，装配式高强钢筋钢纤维混凝土梁柱中节点试件ZJ2滞回曲线更为饱满，表明采用工字钢连接形式能显著改善梁柱节点的滞回性能。装配式高强钢筋钢纤维混凝土梁柱中节点试件ZJ3的滞回曲线比ZJ1更为饱满，说明采用钢板与端板连接形式能显著改善高强钢筋钢纤维混凝土梁柱节点的滞回性能，进而在低周往复荷载作用下提高构件的耗能能力。

节点核心区加入工字钢的装配式高强钢筋钢纤维混凝土梁柱中节点试件ZJ2的滞回曲线比采用钢板与端板焊接连接的装配式节点试件ZJ3更饱满，滞回曲线中部“捏缩”效应得到改善，具有更好的耗能能力。

3.2 荷载-位移骨架曲线

骨架曲线是将滞回曲线中每一加载工况下第1个加载循环的滞回环峰值连线形成的外包络曲线，各试件的骨架曲线如图6所示。各试件的特征点荷载和位移如表2所示。

由图6和表2可以看出，装配式高强钢筋钢纤维混凝土梁柱中节点试件ZJ2、ZJ3在正向和反向加载时的屈服荷载平均值分别比试件ZJ1高28%、29%，试件ZJ2的平均屈服位移比试件ZJ1高7%，而试件ZJ3的平均屈服位移比试件ZJ1低5%，试件ZJ2、ZJ3 平均极限荷载分别比现浇混凝土中节点试件ZJ1高33%、27%，表明在节点核心区加入工字钢可以提高节点的梁端受弯承载力，采用钢板和端板焊接的形式能够提高构件的节点抗剪承载能力。现浇节点ZJ1的平均破坏位移分别比装配式节点ZJ2、ZJ3高5%、9%，这主要是由于装配式节点中加入了钢连接件，使其刚度增大，变形有所降低。

图6 骨架曲线Fig.6 Skeleton curve

对比装配式高强钢筋钢纤维混凝土梁柱中节点试件ZJ2、ZJ3，在正向加载时,试件ZJ2的极限荷载略微高于试件ZJ3，在反向加载时,试件ZJ2的极限荷载比试件ZJ3高9%，说明采用工字钢连接的装配式节点具有更高的梁端受弯承载力。试件ZJ3在达到极限荷载后强化幅度较长，曲线经历了较长的平台段后下降，而试件ZJ2荷载迅速下降，这可能是由于焊接在工字钢上的梁纵筋部分断裂造成的。同时，试件ZJ2的破坏位移平均值比试件ZJ3高约4%，表明采用工字钢连接的装配式节点具有较高的变形能力。

表2 荷载和位移Table 2 Load and displacement

3.3 刚度退化曲线

刚度定义为滞回曲线峰值点荷载值与滞回曲线峰值点对应位移值之比。各试件的刚度退化曲线如图7所示。

图7 刚度退化曲线Fig.7 Stiffness degradation curve

对比3个中节点试件的刚度退化曲线可以看出：在正反向加载时，装配式高强钢筋钢纤维混凝土梁柱中节点试件ZJ2、ZJ3的刚度退化曲线比现浇混凝土中节点试件ZJ1更加平缓，刚度退化性能较好。在正向加载时，与节点核心区采用钢板、端板焊接连接的装配式混凝土中节点试件ZJ3相比，节点核心区加入工字钢的装配式混凝土中节点试件ZJ2的刚度退化更加减缓，后期变形能力更大，表明在节点核心区加入工字钢能够减缓节点试件的刚度退化；在反向加载时，节点核心区加入工字钢的装配式混凝土中节点试件ZJ2的刚度退化速率与采用钢板、端板焊接连接的试件ZJ3相似。试件ZJ2的正反向初始刚度平均值比ZJ3高，这是由于工字钢贯穿节点核心区，其整体性较好，因此，刚度平均值较高，在地震作用下能够保证更好的稳定性。

3.4 耗能能力

为评价试件的耗能能力，在滞回曲线的基础上计算了试件的累积耗能，每个加载循环的能量耗散由该循环滞回曲线所围成的面积表示，累积耗能为当前循环之前所有能量耗散之和。各试件的累积耗能-位移曲线如图8所示。同时，还可以通过等效粘滞阻尼系数来评价节点构件的耗能能力，定义为某个滞回环面积与等效线性的系统应变能之比，再除以常数2π，各试件的等效粘滞阻尼系数曲线如图9所示。

图8 累积耗能-位移曲线Fig.8 Cumulative energy dissipation versus displacement curve

图9 等效粘滞阻尼系数Fig.9 Equivalent viscous damping coefficient

由图8可知，在加载初期，钢纤维混凝土节点试件ZJ2、ZJ3的累积耗能与现浇节点试件ZJ1相似，这是由于节点试件处于弹性阶段。在加载位移达到60 mm以后，试件ZJ2的累积耗能比其他试件的累积耗能增加更快，这主要是由于后浇区焊接在工字钢上的梁纵筋屈服引起。破坏时，预制装配式节点试件ZJ2、ZJ3的累积耗能分别比现浇节点试件ZJ1高57%、40%，表明在节点核心区加入工字钢或采用钢板与端板焊接连接能显著提高节点的耗能能力。同时，试件ZJ3采用单片钢板、钢筋与端板焊接，与加入工字钢的试件ZJ2相比，总体来说整体性较差，进而导致节点的耗能能力比试件ZJ2差。对于节点核心区加入工字钢并与梁纵筋焊接的节点来说，虽然其整体性得到提高，但后浇区预制梁与预制柱的连接方面还有待进一步加强。从图9中可以得到类似的结论，试件ZJ2、ZJ3的等效粘滞阻尼系数在加载位移60 mm后，显著大于试件ZJ1，具有较高的耗能能力。在破坏阶段，试件ZJ2的等效粘滞阻尼系数略高于ZJ3。

3.5 转动能力分析

节点的转动能力主要通过梁端弯矩-转角曲线来反映。梁端转角通过布置在梁端的位移计测量得到。根据布置在梁端范围内的梁端节点相对柱边的转动除以该长度，得到单位长度截面平均转角。各试件的弯矩-转角曲线如图10所示。

从图10中可以看出，现浇混凝土中节点试件ZJ1和装配式高强钢筋钢纤维混凝土中节点试件ZJ3的梁端弯矩-转角曲线呈现出非线性变化，装配式高强钢筋钢纤维混凝土中节点试件ZJ2梁端弯矩-转角曲线相对于ZJ1、ZJ3呈现出线性特征，这主要是由于在ZJ2节点核心区加入工字钢，提高了节点整体刚度。

图10 弯矩-转角曲线Fig.10 Moment-rotation curves

各试件的初始转动刚度定义为弹性阶段弯矩与转角之比，从图10可以看出，试件ZJ3的初始转动刚度最大，试件ZJ2的初始转动刚度最小。与现浇节点ZJ1相比，节点核心区加入工字钢的装配式节点ZJ2的极限弯矩和极限转角均有所提高，可以看出，工字钢的加入能够提高梁端转动能力。对比试件ZJ1、ZJ3可以发现，采用钢板与端板焊接连接的试件ZJ3梁端极限弯矩比现浇节点ZJ1高，但梁端极限转角有所降低，这是由于ZJ3钢连接件的连接形式导致其初始转动刚度高，转动刚度降低较为缓慢。由此可见，采用钢板与端板焊接连接的方式能够提高梁端的极限弯矩，其破坏阶段的转动能力有所降低。对比两种装配式节点，试件ZJ2、ZJ3的梁端极限弯矩相差不大，但试件ZJ2的极限转角约是试件ZJ3的1.6倍，可见试件ZJ2在用钢量减少的情况下，在节点核心区加入工字钢能显著提高其梁端的转动能力。