装配式混凝土梁柱中节点抗震性能试验研究

张少春

（龙泉市正龙建筑工程有限公司，龙泉 323700）

从装配式混凝土梁柱中节点连接结构体系看，具有自重轻、跨径长、施工便利等优势，从抗震性能方面研究看，可在震后的恢复中使用高箍筋约束力的方式，增强梁柱中节点的抗震性能，并可削弱梁端结构构造，形成塑性铰，促进地震传播过程中能量的分散，在地震后受损钢构件修复中可选用替换性结构。传统节点结构在使用性能、抵抗力等方面仍存在一定应用局限，由于节点剪切破坏、承压破坏等，不仅降低施工效率，加大施工难度，同时节点刚度的使用需求难以满足，给工程实践带来诸多难题[1]。基于此，应用新型节点构造，如通过焊接的形式将钢板桶与加筋腹板相连，增加对混凝土的约束力，新型构件节点结构可通过预制厂的预制生产实现。

1 试验设计及主要内容

装配式混凝土的梁柱节点结构主要指预制梁与预制柱相互结合的部分，预应力筋主要承载抗震力作用，靠节点的连接可靠性和恢复性能直接体现出来。预应力筋在初始的预应力状态下，不仅能够有效的满足节点结构的抗剪力，同时能够有效的促进地震中预应力筋能够不进入到塑性状态，有效的保障节点功能的恢复性，因此这就需要节点处的预应力在施加的过程中，能够符合计算的标准，同时能够有效的保障节点恢复使用性能，这对于合理的预判预应力增量具有重要意义[2]。另一方面，在后插入式的非预应力钢筋节点抗震性能的体现中，要以抗震性能的主要构件结构为基础，对非预应力的钢筋配筋率进行控制，同时保障屈服强度稳定性、构造结构的稳定性等，这对于促进节点耗能、实现节点稳定性等具有重要意义。如何在结构设计的过程中，计算配筋、扩大构造结构的影响等，对于推广和使用构件性能指标体系，对于下一步的设计应用具有重要作用。

1.1 试件主要参数及制作

本试验试件选取装配式混凝土梁柱中节点部分结构试件3 个，编号分别表示为RCSJ1、RCSJ2 和RCSJ3.3个试件主要参数见下表1。

表1 3个试件主要参数Tab.1 3 main parameters of test pieces

所有选取试件节点构造主要由壁板结构、加劲腹板、钢板桶及钢筋混凝土（内部空间）等组成，通过预埋的方式进行有效连接。其中钢板桶及钢梁结构均在预制厂中生产，所有焊缝质量保证在二级以上，试件制作流程应首先预制钢筋混凝土柱、然后装配钢梁结构再对整体试件进行焊接处理[3]。节点构造示意图及实物图如下图1、2所示。其中图1中1~7结构点编号按顺序分别表示：钢梁端板、端板加劲肋、柱面壁板、加劲腹板、水平加劲肋、缀板、高强度螺栓。

对于构件的配筋参数来说，现浇的节点柱体结构内的配筋，纵向受力筋8 Φ 20，箍筋Φ 12@100，梁部结构内纵向上下部的受力钢筋4 Φ 22，箍筋Φ 8@100。梁体结构中截面设计过程中的受弯承载力的计算公式1如下所示：

最终， 计算得出现浇梁设计受弯承载力Mcu=173kN⋅m。

依据现浇梁极限受弯矩承载力Mcu进行计算得出装配式混凝土的节点PPJ 配筋，可按照PCI 所推荐的有关公式进行计算和分析，公式2~4如下所示：

其中上式中，h 为梁体高度（m）Mu为梁体设计受弯承载力

Mp，u为预应力钢筋承受弯矩分量值；Mg，u为后插非预应力钢筋承受玩具分量值；Ap为预应力钢筋的面积；fpy为预应力钢筋的屈服强度；Ag为后插非预应力钢筋面积；fy为非预应力钢筋强度；ξ为非预应力钢筋中心到梁截面边缘的距离系数；λg,u为主要指非预应力钢筋强度增大系数，保证非预应力钢筋屈服[4]。

图1 节点构造示意图Fig.1 Schematic diagram of node construction

图2 节点构造实物图Fig.2 Node construction physical diagram

1.2 试验节点类型分析

为保障和对比分析预制节点结构与现浇节点结构中抗震性能，加强对抗震节点中装配式结构的承载力要求，试验节点主要包含有两大部分，分别是现浇与预制两种类型[5]。

1）全现浇梁柱节可在梁内钢筋通长的过程中布置相应柱体结构，并按照规范的相关要求，设定梁柱的强度及稳定性等。

2）对于装配式结构的框架节点、梁、柱构件进行有效浇筑，促进柱体钢筋配筋过程与现浇节柱相同，并且有效的保障柱轴向承载力的稳定性，梁柱内部的纵向筋结构只通过配置梁内的穿过体，并预留预应力钢筋孔洞结构，促进后穿入的非预应力筋孔洞结构进行分析，待梁柱构件混凝土结构的强度能够达到90%后，需要进行拼接安装，并促进预应力钢筋能够施加预应力，使得非预应力刚进能够顺利的穿过并浇入砂浆，同时进行锚固作业[6]。

1.3 试件加载

选取某公司开发的电液伺服系统进行试件加载作业，保证实现动静态等三个作业方向。加载过程中，首先对构件选择竖向加载，待加载数值稳定后，梁端结构初始值控制为0，按照相关规范中拟静力试验的相关规定，改善加载方法，提升加载效率。加载前需要开展有限元模拟作业，以保证节点结构处的屈服位移控制在0.1cm，同时对梁端结构进行反对称加载，位移在5mm、10mm 循环1 次，在20~40mm 处各循环2次，到50mm循环时试件结构得到破坏[7]。

1.4 试验数据的收集

试验数据的收集参数主要包含有柱顶端的荷载、梁端结构的荷载及其位移值，数据收集自动化仪器设备选择使用FSC 全数字化多通道型电液伺服控制系统，采集间隔为0.5s，每次收集1 次数据，主要包含有检测时间点的荷载值及对应加载位移值；混凝土结构的表面由白浆涂抹，并画出50mm×50mm 方格，记录混凝土结构的裂缝开展情况，以每循环1 次为准，对现场结构进行拍照记录。

结合以上描述内容，主要对装配式混凝土节点及对照的现浇节点进行有效设计，设计的目的主要以有限元分析为主，提供更加可靠有效的数据模型，并且为后续试验结构的分析做准备。

在预应力钢筋的受力过程中，初始的预应力关系到整个节点正常的抗剪承载力和地震作用下的有效恢复，同时从此角度进行分析，其主要以预应力越高越好，同时又能够有效的保障地震效应下的预应力钢筋能够始终的保持在弹性范围之内，并且预应力钢筋一旦进入到塑性阶段，将会控制其节点结构的恢复性能，并促进恢复性能的大大折扣，同时预应力筋能够有效的实现残余应力的变化，从而对于节点的恢复能力产生一定的影响。

2 试验结果及分析

2.1 试验机理及过程

3 个试件中对应的是梁铰机制破坏，以试件RC-SJ1为例，加载值达到72kN时，对应节点区域混凝土结构呈现斜向裂缝破坏，此状态下的水平位移为15mm；当加载值达到100kN 时，对应钢梁结构翼缘板测点应变最大屈服过程中出现了少量的新型交叉裂缝结构。位移角1/50循环中，70%的测点应变超过了翼缘板结构的屈服应变节点，同时对应节点混凝土结构的斜向裂缝逐步的趋于稳定状态，在加劲腹板结构处，主拉应变值达到突变状态。同样，在位移角达到1/35和1/25时，节点加载区域分别出现开始屈服、屈服状态严重，直到钢梁结构出现平面外的扭转后，试验终止。整个试验过程中，钢梁结构的端板及对应钢板桶结构之间呈现出紧密相连的状态，连接效果明显，未失效[8]。

2.2 滞回性能分析

位移—荷载滞回曲线主要反映的是在往复的荷载作用下，荷载施加过程与变形之前的关系，是研究装配式混凝土结构抗震性能的主要依据。试件RCSJ2和RCSJ3在往复荷载作用条件下，其滞回曲线如下图3、4 所示。由图中可以看出，智慧曲线呈现出棱形、不饱满状态，主要反映的是整体结构及构件加载过程中的弹性变形结构稳定性，在变形量相对较小的状态下，对应承载力能够达到钢筋混凝土结构3 倍以上，所有试件在加载的过程中都未发生侧滑。

图3 RCSJ2滞回曲线Fig.3 RCSJ2 hysteretic curve

图4 RCSJ3滞回曲线Fig.4 RCSJ3 hysteretic curve

由上图还可看出，RCSJ2 滞回曲线和RCSJ3 滞回曲线的饱满程度呈现降低现象，破坏后的试件结构观察分析可得，梁钢骨架结构在焊接过程中呈现出质量下降趋势，并存在一定的缺陷，主要是由于该构件结构在加固处理以后，导致试件结构的下部限制了塑性变形导致，使得塑性变形量相对减小[9]。

2.3 主要应变量分析

构件结构在加载初期阶段，加劲腹板结构处的应变量相对较小，而通过每次循环加载，导致滞回曲线中的回环部分基本呈现重合状态，在节点混凝土结构呈现出斜向开裂后，对应加劲腹板及其混凝土结构可通过共同抗剪参与节点应变增长速度的加快，平摊了节点结构处的部分剪力，同时腹板结构的主拉应变呈现出较快增长的趋势。

3 变形分析

可以截面结构的平均曲率ψ 表示，引申仪要以0.8 倍梁端高范围进行布置，并测量翼缘结构的伸长、缩短量，平均曲率ψ 按照以下公式求得：

其中，ΔS1、ΔS2分别表示翼缘量测段区域内的引申仪变化量；h 为上下端的量测距离；a 为测区段的长度，200mm。

以RCSJ2试件为例，在翼缘屈服前，对应钢梁结构主要以弹性变形为主，并且曲率呈现出一定的弯曲增长的趋势，同时在位移角1/50循坏处理后，会随着整体翼缘屈服范围的增大而逐渐增大，同时塑性结构中的铰区曲率明显增加，梁端塑性结构在塑性变形的过程中得到充分的发挥。

其次，在连接变形量的变化中，在加载的初始阶段，会导致初始阶段的刚度呈现持续增加的状态，且对应的数值曲线呈现出上升变化态势，同时由于高强螺栓的预紧力的增加，导致梁端与柱面板结构之间呈现出一定的挤压力。

此外，在耗能分析中，预制节点结构的刚度退化相对较快，这不仅与现浇梁的节点有一定的关系，同时对于使用的差距来说也具有一定的关系，但是差距一般保持在20%以内，同时需要做进一步的改善与研究。

预制节点结构中对应的耗能体系、耗能节点之间相互接近，在小震中，对应的耗能性能还能优于现浇的梁体节点，并且在大震中的耗能性能体系中，对应的性能会产生一定的削减，削减后的比例大约在20%左右，因此在实际的应用过程中，需要进行进一步的验证与分析，从而有效的实现预制结构能够拥有很好的自恢复性能。

4 结语

1）装配式混凝土框架结构采用无筋钢骨形式连接，对应连接方式满足整体抗震的需求，同时连接方式较为可靠。通过对装配式节点的0.3 轴压比以下承载力相比，差距相对较小，这说明整体节点结构中，主要以弯曲破坏为主，通过有关试验设计，得出可较少的考虑轴压比这类型参数，以高效的节省对比试验过程中的相关资源。

以装配式混凝土的节点承载力进行分析，通过非预应力钢筋面积中的节点屈服荷载来说，虽然具有较大的影响，但是对于节点处的稳定性来说，与其他的影响因素相比影响程度较小，因此建议在设计的过程中，要以提升非预应力钢筋的抗弯曲能力为主，抵抗对应弯矩比[10]。

2）对应装配式部分的预制钢骨框架中节点试件承载力是普通钢筋混凝土中节点试件承载力的2~3倍[5]。通过对预应力装配式节点的延性结构进行分析，应对非预应力钢筋的面积、强度、刚度、预应力筋的面积所产生的延性影响相对较大，而对于非预应力钢筋的面积改变来说，对接点的屈服位移的影响相对较小，同时对于延性下降值来说，对于非预应力筋强度的延性下降值相对较小，因此在节点控制的过程中，要以提升节点延性进行考虑，主要用以提升非预应力钢筋的面积。同时，在预应力的设计过程中，要计算出最大的预应力，再通过最大的初预应力设计，对预应力的钢筋面积进行有效应用，保证预应力筋的材料结构能够发挥出最大的使用性能及稳定性能。

3）延展性较好，位移延性系数可达3.3。通过装配式预应力节点的滞回性能曲线进行分析，得出在刚度退化的节点结构中，各个节点的参数及其变化过程，可通过节点性能的影响而减小，同时耗能分析后插非预应力钢筋对于节点的控制来说，具有耗能大的影响，而预应力的印象影响相对较小，这主要是由于在电算的过程中，收敛性影响相对较大，不仅对滞回的结果具有较大的影响，同时对于节点耗能能力也具有较大的差距。分析其中的原因，主要是因为预制节点靠后插非预应力钢筋耗能，并且现浇混凝土节点主要靠钢筋及混凝土的开裂耗能为主，因此其具有一定的耗能性差距。

综上所述，装配式混凝土体系结构的应用具有广阔的空间，自主恢复的性能良好，并且与现浇的梁体体系来说，不仅对承载力、耗能能力等具有一定的影响，同时在其实际的应用的过程中，也具有一定的技术保障，对于实现标准化技术、加强工业化生产、促进混凝土生产中的质量保障等具有重要意义。在实际的施工过程中，不仅能够节省人力物力，同时能够高效的省去支模拆模、浇筑、养护等作业流程，直到混凝土龄期的工序能够符合有关要求，节约生产成本，提高生产效率，同时也能够给技术的创新提供更为广阔的应用空间。