王 煥， 宋滿榮， 柳炳康

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了130余年的發(fā)展歷史，由于其具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、便于機(jī)械化施工等優(yōu)點(diǎn)，目前在世界各國被廣泛應(yīng)用。但是，由于裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接可靠性差，在反復(fù)荷載作用下難以滿足受力及變形要求，所以在地震區(qū)較少采用，限制了裝配式結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展［1］。

連接方式是預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究和震害調(diào)查表明，只要預(yù)制構(gòu)件的接合部位有可靠的連接，則預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能［2］。為了克服預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)存在的節(jié)點(diǎn)連接問題，國內(nèi)外進(jìn)行了一系列的研究。日本在20世紀(jì)90年代提出了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)“壓著工法”施工技術(shù)［3］，采用工廠生產(chǎn)的預(yù)制柱和預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁，運(yùn)至現(xiàn)場后，通過在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁端穿行預(yù)應(yīng)力筋的方法將梁柱連接成整體，張拉預(yù)壓形成預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［4－5］對預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力筋連接后的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究及軟件模擬，證明了預(yù)壓裝配式結(jié)構(gòu)在地震區(qū)具有良好的抗震性能。

為了進(jìn)一步探討預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)體系的受力性能，本文通過對一榀單跨3層預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果的分析，研究了裝配式多層結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)、變形能力和抗震性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)框架為一榀單跨3層預(yù)制裝配式框架（KJ－5），框架梁、柱試件在工地現(xiàn)場預(yù)制，養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拼裝?？蚣苤繉痈叨染鶠?.6 m，梁長均為3.3 m，梁柱配筋及拼裝后的框架如圖1所示。

框架安裝就位后，將預(yù)應(yīng)力筋穿過梁柱內(nèi)預(yù)留孔道，把梁柱節(jié)點(diǎn)處拼裝縫用環(huán)氧樹脂水泥漿密封后即可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力筋張拉。

圖1 試驗(yàn)框架（KJ－5）梁柱配筋圖

框架試件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1×7Φj15低松弛鋼鉸線（1 860級(jí)）；非預(yù)應(yīng)力筋采用HRB335級(jí)熱軋鋼筋，箍筋采用HPB235級(jí)熱軋鋼筋。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力為σcon＝0.75fptk，采用一端張拉，張拉完畢后實(shí)施孔道壓力灌漿。在制作試件時(shí)，張拉端均埋設(shè)了螺旋型箍筋約束該處混凝土使其處于三向受壓狀態(tài)，以提高混凝土局部抗壓強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)時(shí)將預(yù)壓裝配式結(jié)構(gòu)試件固定于大型抗側(cè)力試驗(yàn)臺(tái)座上，通過鋼筋混凝土反力墻并借助3臺(tái)MTS電液伺服加載器對結(jié)構(gòu)各層施加橫向水平荷載。在試驗(yàn)過程中，由2部安放在柱頂?shù)囊簤呵Ы镯斒┘虞S壓力，柱的軸壓比取0.2，然后由梁跨中的3個(gè)千斤頂對3根梁施加豎向荷載。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

1.3 試驗(yàn)方法

整個(gè)試驗(yàn)在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中完成，采用美國MTS電液伺服加載系統(tǒng)，并配合使用清華大學(xué)編制的TUT擬動(dòng)力試驗(yàn)軟件。

該擬動(dòng)力試驗(yàn)輸入的地震波為EI－centro（1940NS）波，并取其前10 s的地震記錄。通過在試驗(yàn)中逐步增大峰值加速度來模擬不同地震作用，峰值加速度分別取68、102、204 cm／s2。

2 試驗(yàn)過程

2.1 加載設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)柱頂壓力由安放在其上的液壓千斤頂施加；梁跨中豎向荷載由安放在3根梁上的千斤頂施加，豎向荷載取為60 k N。水平力通過固定于反力墻的3臺(tái)電液伺服作動(dòng)器施加。試驗(yàn)時(shí)首先在柱頂和跨中施加豎向荷載，并穩(wěn)載，然后利用作動(dòng)器對框架各層施加水平地震作用。

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及裂縫分布

不同工況下試驗(yàn)位移時(shí)程曲線，如圖3所示。

在擬動(dòng)力試驗(yàn)階段，當(dāng)?shù)卣鸩铀俣确禐?8 cm／s2工況時(shí)，荷載和位移曲線呈直線變化，框架處于完全彈性狀態(tài)。

當(dāng)?shù)卣鸩铀俣确颠_(dá)到102 cm／s2時(shí)，框架1層頂部正向加載最大位移為3.32 mm，反向加載最大位移為3.63 mm；框架2層頂部正向加載最大位移為6.35 mm，反向加載最大位移為7.11 mm；框架3層頂部正向加載最大位移為9.47 mm，反向加載最大位移為10.87 mm，卸載時(shí)框架變形基本恢復(fù)，框架梁、柱均無可見裂縫出現(xiàn)，框架處于彈性工作階段。

當(dāng)?shù)卣鸩铀俣确颠_(dá)到204 cm／s2時(shí)，框架1、2、3層的位移突然增大，框架1層頂部正向加載最大位移為9.56 mm，反向加載最大位移為10.62 mm；框架2層頂部正向加載最大位移為20.21 mm，反向加載最大位移為22.31 mm；框架3層頂部正向加載最大位移為28.50 mm，反向加載最大位移為33.12 mm。梁兩端在疊加的負(fù)彎矩作用下，梁端上部與柱拼接處在荷載反復(fù)作用下出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度為0.2～0.4 mm，與裂縫相交的預(yù)應(yīng)力筋接近屈服；由于預(yù)應(yīng)力筋具有良好的恢復(fù)能力，卸載后這些裂縫可以閉合。梁端底部受壓區(qū)牛腿和缺口梁出現(xiàn)水平向或斜向裂縫。由于預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)壓作用，卸載后梁的變形能夠恢復(fù)，柱的變形卸載后不能完全恢復(fù)，框架呈現(xiàn)塑性性能。

圖3 框架（KJ－5）部分工況試驗(yàn)位移時(shí)程曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 框架時(shí)程曲線

利用數(shù)據(jù)采集儀采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，得到框架1層、2層及3層的水平位移時(shí)程曲線及恢復(fù)力時(shí)程曲線。由于EI－centro波在前10 s的地震記錄中最大峰值加速度出現(xiàn)在2.12 s、4.48 s前后，試驗(yàn)所得不同工況下框架位移時(shí)程曲線峰值出現(xiàn)在2.41 s、5.12 s附近，結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的最大值與輸入波加速度的最大值不發(fā)生在同一時(shí)刻，位移峰值滯后于加載峰值。這是由輸入波的頻譜與結(jié)構(gòu)的自振周期決定的，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)當(dāng)前的自振周期與輸入波的頻譜接近時(shí)，其位移反應(yīng)才會(huì)在相近時(shí)段達(dá)到最大值［6］。

3.2 變形能力

對于單自由度結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)滯回曲線表達(dá)了結(jié)構(gòu)變形和恢復(fù)力之間的關(guān)系，反映了結(jié)構(gòu)的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，滯回曲線的切線斜率代表了相應(yīng)時(shí)刻結(jié)構(gòu)的剛度，而對于多自由度結(jié)構(gòu)而言，自由度上的位移、反力與結(jié)構(gòu)的變形、恢復(fù)力一般是不同的。多自由度上的位移往往是相關(guān)構(gòu)件變形的疊加［7］。

通過擬動(dòng)力試驗(yàn)，可得不同工況下框架各層位移和各層施加的作用力，進(jìn)而可得框架層間位移及層間位移角見表1所列。

表1 不同工況下框架（KJ－5）最大位移和層間位移角

表1中數(shù)據(jù)均取最大值，但不一定在同一時(shí)刻出現(xiàn)。試驗(yàn)框架在68、102 cm／s2工況下，各層最大層間位移角在1／368～1／513之間，滿足小震不壞的要求；在204 cm／s2工況下，各層最大層間位移角在1／137～1／193之間，較之前2個(gè)工況明顯變大，說明結(jié)構(gòu)已呈現(xiàn)塑性性質(zhì)，滿足中震可修的要求［8］。

根據(jù)擬動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在68 cm／s2及102 cm／s2工況下，各層最大位移基本不變，在204 cm／s2工況下，各層最大位移突變，明顯大于前2個(gè)工況，且隨著樓層的增大，上升速度加快，表明試件已呈塑性狀態(tài)。

加載至峰值加速度204 cm／s2時(shí)，框架底層柱出現(xiàn)可見裂縫，卸載后裂縫能夠閉合。由于梁柱節(jié)點(diǎn)處于雙向受壓狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未見細(xì)微裂縫，處于彈性工作狀態(tài)?？蚣芰涸诔跏钾Q向荷載及作動(dòng)器作用下，梁端底部受壓區(qū)開裂，梁截面剛度下降，導(dǎo)致框架整體剛度下降。由于預(yù)應(yīng)力筋的約束，兩端裂縫發(fā)展較慢，殘余變形小。

3.3 地震反應(yīng)分析

為了深入了解預(yù)壓裝配式框架在地震作用下的反應(yīng)特性，采用建筑結(jié)構(gòu)通用有限元分析軟件MIDAS／Gen，對試驗(yàn)框架進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，得出其位移反應(yīng)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

軟件分析時(shí)按照框架實(shí)際尺寸及配筋進(jìn)行建模，并采用與試驗(yàn)相同的El－centro波，將其峰值加速度調(diào)整為68、102、204 cm／s23個(gè)工況，截取前10 s進(jìn)行分析與輸出。軟件計(jì)算時(shí)分析時(shí)間步長取0.02 s［9］，采用子空間迭代法，并利用MIDAS／Gen的釋放梁端剛域功能，考慮梁、柱的半剛性連接，取梁端剛度為初始剛度的0.4～0.5。不同工況下計(jì)算位移時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 框架（KJ－5）部分工況計(jì)算位移時(shí)程曲線

不同工況下框架位移計(jì)算值Δcal與位移實(shí)測值Δexp的比較見表2所列，兩者較為接近，其中框架1層位移計(jì)算值與實(shí)測值之間存在一定誤差，計(jì)算值較試驗(yàn)值偏小。

這是由于理論分析時(shí)，底層柱端按固定考慮，試驗(yàn)過程中柱底端會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。TUT軟件的誤差同樣不可忽視，由于TUT軟件采用瞬態(tài)剛度方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)誤差校正，瞬態(tài)剛度方法只有在結(jié)構(gòu)處于彈性范圍時(shí)，校正結(jié)果才是精確的，而試驗(yàn)后期結(jié)構(gòu)已呈現(xiàn)塑性性能［10］。混凝土材料的離散性、數(shù)值計(jì)算方法的采用、阻尼的假定也是產(chǎn)生誤差的原因。

表2 不同工況下框架（KJ－5）位移計(jì)算值與實(shí)測值比較

4 結(jié) 論

本文通過一榀單跨3層預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式框架擬動(dòng)力試驗(yàn)研究，了解了預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架的動(dòng)力性能、變形能力及破壞機(jī)制，可得以下結(jié)論：

（1）單跨3層預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架在水平地震作用下具有良好的抗側(cè)能力，隨著試驗(yàn)峰值加速度的增大，各層剛度有一個(gè)先增大后減小的過程，但未出現(xiàn)明顯退化。

（2）預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架具有良好的變形恢復(fù)能力，卸載后殘余變形很小，有效提高了框架整體抗側(cè)剛度。框架最大層間位移角滿足“小震不壞、中震可修”的要求。

（3）框架梁跨中通過千斤頂預(yù)加豎向荷載，梁端已承受負(fù)彎矩作用，加載至峰值加速度為204 cm／s2時(shí)，框架梁端在疊加的負(fù)彎矩作用下，梁端接合部上部預(yù)應(yīng)力筋屈服，塑性鉸率先出現(xiàn)在梁上，預(yù)壓裝配式框架可實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”。

（4）梁柱節(jié)點(diǎn)處于雙向受壓狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未見細(xì)微裂縫，處于彈性工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)剛度沒有明顯退化，預(yù)壓裝配式框架可實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”。

（5）考慮梁、柱的半剛性連接，利用MIDAS／Gen計(jì)算了不同工況下的位移時(shí)程曲線，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，兩者吻合較好。

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