边柱拆除时预压装配式PC框架抗连续倒塌性能试验研究

黄慎江, 刘辰谱, 宋满荣, 何嘉轩

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009)

近年来,建筑结构的防连续倒塌问题成为我国工程界关注的热点之一[1-3]。目前防控结构连续倒塌研究主要集中于现浇混凝土结构[4-8],对于预制装配式混凝土结构的相关研究较少。传统装配式结构在梁柱结合处较为薄弱,其抗连续倒塌能力较差。而预压装配式预应力混凝土(prestressed concrete,PC)结构是一种将预应力技术应用在装配式结构的一种新型结构体系,有机结合了装配式结构和PC结构的优点,具有良好的抗震性能[9-12]。

本文对1榀2层2跨预压装配式PC框架进行拆除边柱试验,研究预压装配式PC框架在边柱破坏时的抗连续倒塌能力。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验设计了1榀1/2缩尺2层2跨预压装配式PC平面框架,配筋如图1所示。

图1 框架尺寸及配筋

试验框架预制梁、柱混凝土均采用C40混凝土,预应力筋为1束7φj15低松弛钢铰线(1860级),非预应力筋与箍筋采用HRB400级热轧钢筋。材料性能实测强度见表1所列。

表1 材料实测强度 单位:MPa

试验框架梁、柱构件在工场预制,运至实验室拼装。梁、柱安装就位后,将预应力筋穿过梁、柱内预留孔道进行张拉,组装成整体框架。预应力钢绞线的张拉控制应力σcon=0.75fpt(fpt为预应力筋极限强度),采用一端张拉,张拉完毕后实施孔道压力灌浆。

1.2 试验装置、加载制度及测量方案

将试验框架柱脚底部用地脚螺栓固定在实验室地面槽道,并在柱脚与反力墙柱脚以及柱脚之间放置相应长度的工具梁,用螺纹钢拉结以模拟框架底部固接,同时在左边柱柱下方放置千斤顶,在试验开始前通过卸载模拟瞬间抽柱过程。在试验中,通过MTS电液伺服作动器对失效柱上部逐级施加荷载,同时在中柱和右边柱用千斤顶按0.3的轴压比对柱顶施加恒定的轴向力以模拟结构上部荷载。试验加载装置如图2所示。

试验采用安装在边柱上部的MTS作动器加载,将边柱残端下部千斤顶卸载,并通过作动器对失效柱柱顶逐级加载,采用位移控制来模拟结构连续倒塌过程。试验采用按位移控制的逐级加载模式,分为以下4级:

(1) 加载位移2～10 mm,每级1 mm。

(2) 加载位移10～30 mm,每级2 mm。

(3) 加载位移30～90 mm,每级5 mm。

(4) 加载位移90～430 mm,每级10 mm。

图2 试验加载装置

试验过程中竖向荷载由MTS作动器内置的荷载传感器读取得到,失效柱竖向位移由作动器内置位移传感器测得。通过应变片、位移传感器及数据采集仪获取每级加载过程中钢筋应变、位移转角及试件的抗力等数据。试验框架节点编号和测点分布如图3所示。

图3 节点编号与测点布置情形

钢筋的应变片主要布置在梁端和柱脚截面,共计48个钢筋应变片。图3中:1-1至1-3为梁中钢筋应变片测点位置截面;编号2-1-1至2-5-4为梁纵筋应变片;2-1到2-3为柱中钢筋应变片测点位置截面;编号2-1-1至2-3-4为柱纵筋应变片。

位移的测量主要包括层间位移、梁端转角和柱脚转角。图3中,D1至D24为位移计,分别布置在框架梁端和柱脚及框架柱楼层梁处。

2 框架试验结果分析

2.1 试件破坏过程

在试验加载初期,框架未有明显的破坏现象发生,此时框架处于弹性阶段;随着作动器缓慢向下加载,加载裂缝首先出现于节点②处。

当框架失效边柱位移加载至24 mm时,节点⑥牛腿处开始出现斜裂缝;随着加载进行,框架梁与节点牛腿处裂缝数量增多,已经出现的裂缝进一步延伸加宽,其中最大的裂缝宽度达到1.2 mm。

当框架边柱左侧位移加载到100 mm时,框架右侧梁端没有产生裂缝且旧裂缝没有进一步发展;而节点②和节点⑥牛腿处混凝土裂缝发展程度较高,受压区混凝土有细碎石脱落。

当框架边柱左侧位移加载到150 mm时,框架梁裂缝不断加宽加深,最先出现于节点②处的裂缝已加宽至2.4 mm,节点⑥牛腿接缝处的裂缝宽度也达到了2.2 mm,同时节点②处混凝土受压区处出现部分混凝土脱落。

当框架边柱左侧位移加载到220 mm时,框架出现巨响,节点②和节点⑥处混凝土受压区混凝土完全压碎,大量混凝土脱落,此时荷载出现陡降;节点①和节点⑤处混凝土受压区裂缝又进一步延伸加宽,且有少量细碎石脱落。

当框架失效边柱位移加载到300 mm时,框架出现巨响,节点⑤处受压区混凝土被压碎,有相当严重的混凝土脱落现象发生,且梁与牛腿接触处混凝土受拉区斜裂缝贯通,同时荷载出现突降。节点③、节点④、节点⑦和节点⑧处均只有1～2条细微裂缝。

随着试验的继续加载,边柱竖向位移达到360 mm时,框架出现巨响,荷载出现陡降,梁端破坏程度进一步加深,节点①处受压区混凝土压碎剥落现象相当严重,同时框架失效边柱所在跨梁端牛腿处均产生了较大的倾角。

当加载至430 mm时,框架出现巨响,框架预应力钢绞线被拉断,框架失效边柱完全倒塌,荷载值降为0,而框架右跨处无破坏现象产生,此次试验终止。

框架在试验结束后的破坏形态如图4所示。

图4 框架破坏形态

2.2 荷载-位移曲线

由MTS作动器记录的试验框架荷载-位移曲线如图5所示。

图5 框架荷载-位移曲线

在A点之前,框架处于弹性阶段,荷载和位移主要呈线性关系增长,此时框架未有明显的破坏现象发生。

AB段为弹塑性阶段,荷载与位移的增长呈非线性,框架梁端出现较多裂缝。框架失效边柱梁端截面下部开裂,中和轴上移;中柱端截面上部开裂,中和轴下移。由此导致该梁内部形成一条传力路径,即产生压拱效应,因压拱效应出现横向裂缝。

BC段为塑性铰的发展阶段,即受压区混凝土的破坏阶段。

当达到C点后,框架进入倒塌阶段,同时中柱靠近失效边柱梁端的混凝土受压区压溃,荷载出现陡降。由于普通钢筋没有贯穿框架梁,结构的抗力主要由预应力筋的拉力提供,框架内部的预应力钢绞线在加载过程中不断被拉伸,因此拉力不断增大,导致荷载进一步回升。

当到达D点时,失效边柱二层梁端完全形成塑性铰,丧失抗弯承载能力,此处混凝土受压区退出工作,荷载出现陡降。

当到达E点时,失效边柱侧一层和二层梁端完全形成塑性铰,丧失抗弯承载能力,此处混凝土受压区退出工作,荷载出现陡降。

当边柱位移到达F点时,一层和二层中柱梁端钢绞线断裂,荷载值降为0,框架产生了较大的变形,同时框架梁端破坏严重,试验终止。

2.3 框架水平位移

框架梁水平位移与失效边柱竖向位移关系曲线如图6所示。图6中,正值表示框架向内侧偏移,负值表示框架向外侧偏移。

从图6a可以看出：随着边柱竖向位移的增加,框架失效边柱向外侧偏移,表明在此阶段有压拱作用;当边柱竖向位移达到220 mm左右,一层框架左侧柱开始向内侧运动,框架梁内轴向压力逐渐减小,说明此时框架由“梁机制阶段”进入“倒塌阶段”。当边柱竖向位移到达340 mm左右时,一层框架左侧柱的水平绝对位移值基本为0,此时框架的位移基本恢复到初始状态,而此后边柱竖向位移不断增大,一层框架左边柱不断向内侧偏移,说明框架梁的轴力已完全由受压转变为受拉。

由图6b可知:框架在倒塌阶段,二层向内侧的水平位移小于一层,而在梁机制阶段,二层向外侧的水平位移大于一层;340 mm后预应力筋出现屈服、断裂,导致失效边柱向左侧大幅移动。

图6 框架水平位移与失效边柱竖向位移关系曲线

2.4 钢筋应变

2.4.1 梁端钢筋应变

试验过程中,一层框架梁靠近失效柱端底部钢筋(1-1-3、1-1-4)在整个加载过程中所承受的拉应力很小,钢筋均未受拉屈服。这是由于普通钢筋在节点处没有贯通,拉力主要由预应力筋承担,同时边柱牛腿较早出现裂缝,因此普通钢筋承担了很少的拉力。

而一层框架梁靠近失效边柱端顶部钢筋(1-1-1、1-1-2)、一层框架梁远离失效边柱端底部钢筋(1-2-3、1-2-4)及二层框架梁远离失效边柱端底部钢筋(1-3-3、1-3-4)在试验加载初期承受压力,但压应变值较小,此时压力大部分是由混凝土承担。随着试验加载的进行,压应变逐渐增大,当框架梁的受弯承载能力耗尽时,压应变达到峰值,随着框架进入倒塌阶段(边柱竖向位移大于220 mm), 1-1-1、1-1-2、1-2-3、1-2-4、1-3-3、1-3-4处出现了压应变逐渐减小的现象,表明钢筋有由受压转向受拉的趋势。

2.4.2 柱脚钢筋应变

在试验开始加载阶段,中柱一层柱底钢筋(2-2-1、2-2-2、2-2-3、2-2-4)和二层柱底靠近失效边柱钢筋(2-3-1、2-3-4)在加载初期压应力随着失效边柱位移增加而上升,同时右侧边柱一层柱底内侧钢筋(2-4-1、2-4-4)、二层右侧边柱柱底内侧柱钢筋(2-3-1、2-3-4)及二层失效边柱柱底外侧钢筋(2-1-1、2-1-4)在加载初期压应力与失效边柱位移增加呈正相关。

而中柱二层柱底靠近右侧边柱钢筋(2-3-2、2-3-3)在加载初期压应力随着失效边柱位移增加而下降,同时右侧边柱一层柱底外侧钢筋(2-4-2、2-4-3)、二层右侧边柱柱底外侧柱钢筋(2-5-2、2-5-3)及失效边柱二层柱底内侧钢筋(2-1-2、2-1-3)在加载初期压应力与失效边柱位移增加呈负相关。这说明此时一层框架向外侧偏移,框架处于“梁机制阶段”,受到压拱作用。

随着试验加载的进行,当边柱竖向位移达到220 mm时,中柱和右侧边柱一层与二层的柱底钢筋应变曲线出现驻点,随后应力的发展趋势与之前相反,这是由于此时框架开始由“梁机制”转变为“倒塌机制”,框架开始内缩。

当边柱竖向位移到达340 mm左右时,二层中柱柱底钢筋及右侧边柱一层和二层柱底钢筋的压应变基本回归初始阶段,说明此时框架一层基本恢复为初始状态,基本没有出现水平偏移,二层则有较小的内侧水平位移。

而当边柱竖向位移到达340 mm后,二层失效边柱柱底钢筋单纯受拉,二层中柱柱底外侧钢筋单纯受压,且应变不断变小,说明此时框架左侧有逐渐增大的内侧水平位移,符合前述的框架水平位移与边柱竖向位移曲线关系。

2.5 梁柱转角

(1) 梁端转角。试验框架的梁端转角由放置在框架梁两端上、下部的位移计读数差值除以位移计间距离求得,梁端转角与失效边柱竖向位移的关系曲线如图7所示。图7中,正值表示节点顺时针转动,负值表示节点逆时针转动。

图7 梁端转角与失效边柱竖向位移关系

由图7可知：梁端各节点在加载结束时,塑性铰都得到了充分的转动,框架具有良好的延性;同时由各节点转动角度对比可知,节点①、节点②的转动角度最大(对应底层框架梁靠近失效边柱端),节点⑤、节点⑥次之(对应二层框架梁靠近失效边柱端),而节点③、节点⑧的转动角度基本为0(分别对应一层、二层框架右侧跨梁端)。

(2) 柱脚转角。试验框架的柱脚转角由放置在一层框架柱柱脚两侧的位移计读数差值除以位移计间距离求得,柱脚转角与失效边柱竖向位移的关系曲线如图8所示。图8中,正值表示柱顺时针转动,负值表示逆时针转动。

图8 柱脚转角与失效边柱竖向位移关系曲线

由图8可知:一层框架中柱在边柱位移到达170 mm前有向右侧转动的趋势,在边柱位移到达170 mm后,框架中柱逐渐由向左转动转变为向右转动,这是由于在边柱位移达到170 mm左右时,框架逐渐由“梁机制阶段”转变为“倒塌阶段”,这与前面对框架水平位移的分析结果一致;而在边柱位移达到220 mm时,框架一层和二层靠近失效边柱梁端受压区混凝土完全退出工作,此时框架中柱大幅度向左侧转动;当边柱位移达到340 mm时,框架一层和二层靠近中柱左侧梁端受压区混凝土完全退出工作,框架中柱大幅度向右侧转动;当边柱位移达到360 mm时,由于预应力钢绞线屈服,框架中柱大幅向左侧转动。

一层框架右侧边柱在整个右侧边柱位移中柱脚未发生明显转动。

3 结 论

本文通过1榀2层2跨预压装配式预应力框架拆除边柱后的试验研究,了解预压装配式预应力混凝土框架的受力机制、变形性能、倒塌机制和倒塌过程,得到以下结论:

(1) 在试验加载过程中,框架的混凝土裂缝开展与破坏集中在边柱失效跨内两侧梁端与框架柱牛腿结合部,框架柱和远离失效边柱的框架梁无破坏。

(2) 通过对荷载-位移曲线、框架水平位移及梁柱转角进行分析,将框架的受力过程大致分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性铰发展阶段及倒塌阶段。

(3) 框架在小变形阶段,框架梁受力机制为“梁机制”;在大变形阶段,框架梁不能形成“悬链线机制”。但在倒塌阶段时,框架内部的预应力钢绞线产生的轴向拉力为结构提供了较大的承载力,普通钢筋由于在梁柱结合处未贯通,贡献的承载力较小,但对抑制框架梁裂缝的开展破坏具有一定的帮助作用。