方梅++李漫++李杉

摘要：通過對3個試件的低周反復(fù)荷載試驗，研究了不同預(yù)應(yīng)力對鋼管混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點的破壞形態(tài)、滯回曲線、剛度退化、耗能能力等的影響。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力對試件的破壞類型幾乎沒有影響，破壞均為梁端受彎破壞；梁下部為受拉區(qū)時，預(yù)應(yīng)力的施加使剛度退化加快，耗能性能降低；梁上部為受拉區(qū)時，預(yù)應(yīng)力試件極限承載力較非預(yù)應(yīng)力試件更高，剛度退化和延性、耗能性能略比非預(yù)應(yīng)力試件好。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土梁； 鋼管混凝土柱；節(jié)點；抗震性能；試驗研究

中圖分類號：TU378 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

鋼管混凝土柱由于具有優(yōu)良的受力性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益，已在高層與超高層建筑中得到廣泛應(yīng)用[12]。中國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)實際工程中大量采用鋼筋混凝土梁鋼管混凝土柱的節(jié)點形式，目前對于此類節(jié)點已有大量的理論研究和實際應(yīng)用[34]。然而，隨著現(xiàn)代建筑的不斷發(fā)展，普通混凝土難以滿足建筑對裂縫控制、變形控制和跨度等方面的要求，而對普通混凝土施加預(yù)應(yīng)力則成為解決這一問題的一種有效途徑[56]。

目前，中國有關(guān)鋼管混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點的工程已經(jīng)得到開展，并已應(yīng)用和準(zhǔn)備應(yīng)用于一些重載和大跨度結(jié)構(gòu)[7]，但各國針對鋼管混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點的試驗及理論研究卻很少[8]，嚴(yán)重影響了這種結(jié)構(gòu)形式在實際工程中的應(yīng)用和推廣。

本文以某實際工程為背景，通過3個縮尺節(jié)點試件的低周反復(fù)荷載試驗，對鋼管混凝土柱預(yù)應(yīng)力混凝土梁節(jié)點的抗震性能進(jìn)行試驗研究與分析，分析不同預(yù)應(yīng)力對節(jié)點抗震性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

試件與原型的比例設(shè)計為1∶4。各試件幾何尺寸、配筋及構(gòu)造完全相同，將預(yù)應(yīng)力度作為主要變化參數(shù)，即將3根混凝土梁的預(yù)應(yīng)力度分別設(shè)定為0，0.5fpyk，0.7fpyk（其中，fpyk為預(yù)應(yīng)力筋的極限抗拉強(qiáng)度）。試件的詳細(xì)幾何尺寸、截面配筋及構(gòu)造如圖1所示，試件設(shè)計參數(shù)見表1（其中：b為梁寬度，h為梁高度，D為鋼管柱直徑，t為鋼管厚度）。環(huán)形鋼筋為 25，于節(jié)點區(qū)布置3根，間距為100 mm；栓釘?shù)闹睆綖?9 mm，長度為100 mm，每層布置6個；環(huán)形鋼筋與栓釘間隔布置。混凝土環(huán)梁中縱向鋼筋為10，沿外環(huán)板等間距布置12根，梁端焊接于上下環(huán)板；環(huán)梁的環(huán)向箍筋為10@100。預(yù)應(yīng)力筋采用后張法，每個試件布置4根預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力筋采用直徑為15.2 mm，極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的無粘結(jié)鋼絞線，試件J1， J2，J3中預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力分別為0，0.5fpyk，0.7fpyk。

鋼材力學(xué)性能見表2。所有試件采用C40自密實混凝土一次性澆筑，澆筑試件同時澆筑3個邊長為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，與節(jié)點試件同條件養(yǎng)護(hù)28 d，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為41 MPa。

1.2 試驗裝置與加載方案

試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后在梁的2個端部采用建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼厚度為30 mm，截面尺寸為325 mm×450 mm的鋼板，以防止預(yù)應(yīng)力張拉引起混凝土局部壓碎。室溫固化3 d后，張拉預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力筋張拉完成后，對梁端反復(fù)加載以測試試件的抗震性能。試驗裝置如圖2所示。

試驗按照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ 101—96）的規(guī)定采用荷載變形雙控加載制度，即試件在彈性階段時用荷載控制加載，屈服以后采用位移控制加載。在對柱底施加軸壓以及進(jìn)行梁端反復(fù)加載前均對試件進(jìn)行預(yù)加載。各試件柱底施加的軸向力均為2 000 kN，在試驗中保持恒定。在荷載控制階段，首先對試件采用開裂荷載fcr加載1次，然后依次 采用0.25fcr，0.5fcr，0.75fcr，fcr進(jìn)行加載，每級荷載加載1次，直至試件屈服；屈服后采用位移控制加載，屈服位移作為位移增量，每級荷載反復(fù)3次，逐級增大位移，直至試件破壞。試驗加載制度如圖3所示。每加載1級結(jié)束以后，暫停加載并保持荷載15 min，同時觀察梁上裂縫展開和節(jié)點的破壞情況。加載至試件接近破壞時，達(dá)到以下條件之一即停止加載：①荷載降低至峰值荷載的85%以下；②鋼筋拉斷；③節(jié)點區(qū)混凝土斷裂或環(huán)板焊縫斷裂；④柱出現(xiàn)較大彎曲。試驗結(jié)束后，根據(jù)梁端位移荷載曲線最終確定試件的屈服點。

1.3 量測內(nèi)容與測點布置

抗震性能試驗采用低周反復(fù)加載方式施加反對稱荷載，梁端荷載、柱軸向荷載由力傳感器測量，梁端位移、跨中位移、柱頂位移、軸側(cè)向變形由位移傳感器測量，梁中的縱向受力鋼筋應(yīng)變、箍筋應(yīng)變由應(yīng)變片測量，所有測量值由計算機(jī)自動采集。試驗的位移計和應(yīng)變片布置如圖4所示。每個循環(huán)結(jié)束后觀察裂縫，用裂縫觀測儀讀取裂縫寬度值。

2 試驗過程和結(jié)果分析

2.1 試件受力過程

以非預(yù)應(yīng)力試件J1為例，首先對鋼管混凝土柱施加2 162 kN軸力（軸壓比為0.4），然后在左右梁端同時施加反復(fù)荷載。在荷載控制階段，當(dāng)左邊梁加載端荷載為54 kN時，靠近鋼管梁底受拉區(qū)出現(xiàn)第1條裂縫；當(dāng)荷載為95 kN時，裂縫寬度為0.1 mm，梁出現(xiàn)多條平行裂縫。當(dāng)荷載達(dá)到190 kN時，環(huán)梁與混凝土梁之間出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0.1 mm，當(dāng)荷載達(dá)到285 kN時，最大裂縫寬度達(dá)到0.25 mm；當(dāng)荷載達(dá)到380 kN時，梁底受拉區(qū)裂縫寬度為0.2 mm，梁底的1根鋼筋達(dá)到屈服。此后進(jìn)入位移控制階段，以2Δy（Δy為曲服位移）進(jìn)行第1圈正向加載，左側(cè)梁受拉區(qū)最大裂縫寬度為0.35 mm，以2Δy進(jìn)行第1圈反向加載時右側(cè)梁最大裂縫寬度為0.5 mm，裂縫不能閉合，環(huán)梁與混凝土梁之間的裂縫進(jìn)一步增大，達(dá)到1.5 mm，梁頂環(huán)梁出現(xiàn)裂縫；以3Δy進(jìn)行第1圈正向加載時右側(cè)梁底混凝土壓酥起皮，以3Δy進(jìn)行第1圈反向加載時左側(cè)梁混凝土壓碎并脫落，右側(cè)鋼筋拉斷，試驗停止。預(yù)應(yīng)力試件J2，J3試驗過程和試件破壞現(xiàn)象與試件J1相似，破壞形態(tài)均是梁根受彎破壞。定義梁頂混凝土受壓時為正彎矩，相應(yīng)的荷載值為正，梁頂混凝土受拉為負(fù)彎矩，相應(yīng)的荷載值為負(fù)值，并定義左梁位移向上和右梁位移向下為正向加載，反之為負(fù)向加載。破壞大致可以分為以下4個階段：

（1）開裂階段。左右梁端荷載緩慢施加，3個試件的開裂位置均在靠近鋼管的梁端位置，裂縫首先從梁下部展開。這是由于梁下部鋼筋較上部鋼筋要少，同時預(yù)應(yīng)力的施加使梁下部有一定的初始拉應(yīng)力。試件J1～J3梁下部開裂荷載分別為54，50，45 kN，梁上部開裂荷載分別為62，70，75 kN。同樣是由于產(chǎn)生的初始拉應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的施加降低了梁下部受拉區(qū)開裂荷載，提高了上部受拉區(qū)開裂荷載。

（2）裂縫展開階段。隨著梁端荷載繼續(xù)增加，裂縫隨著荷載不斷增多，環(huán)梁與混凝土梁之間出現(xiàn)新的豎向和斜向裂縫，裂縫由底部向梁側(cè)面和梁底中部發(fā)展。

（3）屈服階段。梁上第1根縱筋屈服時節(jié)點區(qū)環(huán)向鋼筋應(yīng)變值均小于1×10-3。梁端與環(huán)梁交接處裂縫基本貫通，斜向裂縫相互交叉，兩側(cè)表面混凝土被局部壓酥。試件J1～J3梁端荷載約為290 kN時，梁端豎向位移分別為31.5，30.5，29.8 mm，最大裂縫寬度分別為0.28，0.56，0.48 mm。在低周反復(fù)荷載作用下，預(yù)應(yīng)力的施加對試件的屈服荷載和屈服位移影響均不大，但由于預(yù)應(yīng)力促進(jìn)了梁下部受拉區(qū)裂縫的展開，使得屈服時梁上裂縫的寬度較非預(yù)應(yīng)力試件有一定增加。

（4）破壞階段。隨著梁端位移加載的增大以及多次往復(fù)作用下的損傷積累，表面保護(hù)層混凝土出現(xiàn)脫落，縱向鋼筋由于混凝土約束的減少開始出現(xiàn)壓曲，同時箍筋鼓出，兩側(cè)保護(hù)層混凝土脫落增多，該階段基本沒有新裂縫出現(xiàn)，已出現(xiàn)裂縫急劇加寬，最寬處在3 mm以上。隨后梁上縱筋達(dá)到極限承載力，承載能力迅速下降，試件破壞。試件破壞形態(tài)如圖5所示，可見鋼筋混凝土梁端裂縫已經(jīng)完全貫通。

2.2 滯回曲線

試件的梁端荷載位移滯回曲線如圖6所示，其中各試件位移、荷載分別由梁左端伺服作動器和1號位移計測得。由圖6可知：在試件達(dá)到最大承載力之前，滯回環(huán)較為飽滿，大致呈紡棰形，表明耗能能力較好；達(dá)到最大承載力之后，滯回曲線中部出現(xiàn)一定捏縮，其原因主要是隨著荷載的加大，當(dāng)梁端荷載卸至0，試件中已存在塑性變形，梁上裂縫以及環(huán)梁與鋼管柱之間的縫隙無法完全閉合，所以在反向加載時試件初期的剛度較小，位移增長迅速，待受壓區(qū)混凝土裂縫以及環(huán)梁與鋼管柱之間縫隙閉合以后試件才能充分發(fā)揮受力作用。

由于梁底部鋼筋配置少于上部，相同位移加載下各試件所受荷載正值均比負(fù)值要大。對比3組滯回曲線，在梁屈服以后，進(jìn)行梁自下往上的位移加載時，預(yù)應(yīng)力節(jié)點試件J2，J3的承載能力迅速下降。試件J3由于施加的預(yù)應(yīng)力較大，混凝土梁底部鋼筋于正向加載時較早拉斷，因而在第2次2Δy加載時承載能力幾乎完全喪失，表明預(yù)應(yīng)力的施加降低了梁自下往上加載時的受拉承載力。

2.3 骨架曲線

試件的荷載位移骨架曲線如圖7所示。從圖7可以看出，3個試件的骨架曲線呈S形狀，表明在低周反復(fù)荷載作用下試件均經(jīng)歷了彈性、彈塑性和破壞3個受力階段。同時可以看出，在試件屈服之后，預(yù)應(yīng)力的施加對梁上部受拉承載力有明顯的提升，降低了梁下部受拉承載力。

3 結(jié) 語

（1）在低周反復(fù)荷載下，非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力混凝土梁鋼管混凝土柱均發(fā)生梁端彎曲破壞，鋼管柱和節(jié)點核心區(qū)未發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象。

（2）預(yù)應(yīng)力的施加對梁上初始受壓部分的裂縫展開有明顯抑制作用，提高了梁的開裂荷載。

（3） 自上往下加載時，預(yù)應(yīng)力試件的剛度退化好于非預(yù)應(yīng)力試件，延性和耗能能力較非預(yù)應(yīng)力試件更強(qiáng)；自下往上加載時，與非預(yù)應(yīng)力試件相比，預(yù)應(yīng)力試件梁剛度退化更快，耗能能力低于非預(yù)應(yīng)力試件。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合試件實際配筋適當(dāng)選取預(yù)應(yīng)力大小，防止在地震作用中梁根底部鋼筋在預(yù)應(yīng)力和地震荷載同時作用下過早受拉破壞。

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