葉思偉

（南京大地建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 210029）

本文設(shè)計(jì)了三個(gè)中間層梁柱側(cè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)鍵槽長(zhǎng)度編號(hào)為JC40，JC45和JC50。通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)低周試驗(yàn)，研究了這些節(jié)點(diǎn)的延性，能耗，強(qiáng)度和破壞模式，探討了不同鍵槽長(zhǎng)度的預(yù)制預(yù)應(yīng)力組合框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

測(cè)試要求。使測(cè)試件在很大程度上符合實(shí)際節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。[1]節(jié)點(diǎn)試件取梁截面尺寸為250×450mm，柱截面尺寸為400mm×400mm，梁段長(zhǎng)1500mm，柱長(zhǎng)1850mm，整個(gè)試件的長(zhǎng)度和高度控制在試驗(yàn)臺(tái)的公差范圍內(nèi)。試驗(yàn)構(gòu)件按照“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)關(guān)節(jié)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)制預(yù)應(yīng)力集成整體框架系統(tǒng)的內(nèi)力分析采用兩階段分析：施工階段的相應(yīng)設(shè)計(jì)公式類似于傳統(tǒng)的預(yù)制結(jié)構(gòu)，見(jiàn)預(yù)制預(yù)應(yīng)力。組裝整體框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的程序與使用階段的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同。

梁的上部縱向鋼筋的直徑d=18mm，將預(yù)制梁上部鋼筋保護(hù)層厚度取定為50mm，鍵槽厚度根據(jù)預(yù)制構(gòu)件廠生產(chǎn)線及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，取定為40mm，預(yù)制梁底部受力鋼筋選取用1860級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼鉸線，直徑為12.7mm，根據(jù)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)模具的實(shí)際生產(chǎn)，該構(gòu)件的底部保護(hù)層厚度是67mm，柱筋保護(hù)層厚度為25mm，除了鍵槽節(jié)點(diǎn)選擇C45強(qiáng)度的混凝土，其他部分的混凝土強(qiáng)度全部統(tǒng)一為C40，梁柱主筋及梁中U形鋼筋采用HRB400級(jí)，所有的箍筋部分選擇HPB235級(jí)。為了保證試件完成后能夠正常使用，首先對(duì)試件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析其適配的鋼筋方案，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還要考慮到自重情況，采用的計(jì)算公式為：

Pcr上=23.4kN，Pcr下=24.1kN

屈服荷載通過(guò)計(jì)算定為84.4kN。從數(shù)據(jù)上觀測(cè)，柱的屈服荷載大于梁的開(kāi)裂荷載，能夠滿足“強(qiáng)柱弱梁”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。此次試件在設(shè)計(jì)時(shí)采用沿梁段全長(zhǎng)箍筋加密，柱箍筋全長(zhǎng)加密。

1.2 材料性能

試件在南京大地建設(shè)新型建筑材料有限公司構(gòu)件生產(chǎn)車間進(jìn)行制作，為了保證試件的質(zhì)量，制作試件的混凝土使用配合比都會(huì)由試驗(yàn)室進(jìn)行多次試驗(yàn)確定后進(jìn)行提供，在制作過(guò)程中工作人員必須嚴(yán)格保證配合比與試驗(yàn)室給出的數(shù)據(jù)保持一致。為了保證質(zhì)量，需要所有批次混凝土都保留一組試塊用作后續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)室繼續(xù)對(duì)留下的試塊進(jìn)行試驗(yàn)，確定其在一段時(shí)間的使用之后所表現(xiàn)出的狀態(tài)。柱試件的材料力學(xué)性能見(jiàn)表 1～2。

表1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值及彈性模量

表2 鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及彈性模量

1.3 試驗(yàn)裝置及加載制度

本試驗(yàn)試件加載在東南大學(xué)九龍湖校區(qū)土木交通實(shí)驗(yàn)樓的反力架上進(jìn)行。柱上端設(shè)兩個(gè)60t千斤頂，通過(guò)控制油泵上壓力表的讀數(shù)，對(duì)柱施加恒定的軸力模擬恒載，梁端上下分別設(shè)置兩個(gè)30t千斤頂，對(duì)梁施加低周反復(fù)荷載，以模擬地震作用，梁端荷載可通過(guò)壓力傳感器量測(cè)。本試驗(yàn)采用準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的方法進(jìn)行。準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試方法以試件的載荷值或位移值作為控制量，并在正反兩個(gè)方向重復(fù)加載和卸載試件[2]。由于其相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)備和測(cè)試條件，它甚至可以使用普通靜態(tài)測(cè)試中使用的加載設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試，準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的加載過(guò)程可以手動(dòng)控制，而且能夠根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行修正。在測(cè)試期間，可以測(cè)試暫停，以觀察結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂和損壞。當(dāng)然，我們?nèi)匀粦?yīng)該盡可能注意加載速率的穩(wěn)定性，并且在測(cè)試期間不要太快[3]。首先，柱頂部的兩個(gè)千斤頂用于向試樣施加恒定的軸向力，然后向梁的端部施加低循環(huán)反向載荷。

1.4 主要試驗(yàn)現(xiàn)象

這是第一個(gè)被測(cè)試的試樣。施加第一階段載荷后，試樣處于彈性階段，未發(fā)現(xiàn)裂紋。在施加二階載荷的過(guò)程中，當(dāng)載荷到達(dá)梁的根部時(shí)，在梁根部和圓柱表面的接合處，即鍵槽和圓柱表面的接合處，出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的微小裂紋。根據(jù)試驗(yàn)前的計(jì)算預(yù)測(cè)，它接近計(jì)算的開(kāi)裂荷載，因此被指定為測(cè)量的開(kāi)裂荷載。隨著荷載的逐漸增加，裂縫的長(zhǎng)度和寬度開(kāi)始增加，相鄰部分的垂直裂縫增加，但整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)破壞。在加載至3Δ第一個(gè)循環(huán)時(shí)，梁端鍵槽底部混凝土出現(xiàn)了少許的脫落。3Δ第二個(gè)循環(huán)后梁端上部出現(xiàn)了兩條明顯的交叉斜裂縫。當(dāng)加載到4Δ第一個(gè)循環(huán)時(shí)，交叉裂縫擴(kuò)展，鍵槽下表面出現(xiàn)了大塊的混凝土剝落，并開(kāi)始出現(xiàn)下降段。4Δ第二個(gè)循環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn)U形鋼筋出現(xiàn)明顯的滑移，梁端鍵槽處剛度急劇退化。5Δ第一個(gè)循環(huán)反向加載時(shí)的回載頂點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到破壞所規(guī)定的要求，梁端下表面混凝土大量剝落，梁上交叉斜裂縫嚴(yán)重，試驗(yàn)也于此階段宣告結(jié)束。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，柱子未出現(xiàn)任何破壞，混凝土完整。隨后進(jìn)行了JC50試件的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)前的分析，該試件預(yù)期耗能能力最大。在第一級(jí)加載25kN經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)，在梁與柱面交接處出現(xiàn)了一條微小裂縫。隨著荷載的逐漸增加，裂縫的長(zhǎng)度開(kāi)始增長(zhǎng)，鄰近段的裂縫也逐漸增多，特別是梁根部的垂直裂縫開(kāi)始不斷增大并貫通。在3Δ第一個(gè)循環(huán)時(shí)，鍵槽處出現(xiàn)了上鼓現(xiàn)象，混凝土有小塊剝落。隨著荷載增加，鍵槽底部裂縫越來(lái)越寬，加載至4Δ第一個(gè)循環(huán)時(shí)荷載-位移曲線的下降段已經(jīng)出現(xiàn)。當(dāng)加載到5Δ第二個(gè)循環(huán)時(shí)，鍵槽上鼓現(xiàn)象非常明顯，混凝土保護(hù)層壓碎試件剛度退化明顯，當(dāng)加載到6Δ第一個(gè)循環(huán)時(shí)，回載頂點(diǎn)已大大小于極限荷載的85%，試驗(yàn)也宣告結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

滯回曲線：

滯回曲線是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在力循環(huán)作用下得到的力—變形曲線。它表示構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程，也代表構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在外荷載去除后恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)的能力，可以用于定性地比較和衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能[1]，因此，滯回曲線又被稱為恢復(fù)力曲線。在梁端加載時(shí)，假設(shè)向下加載為正方向，向上加載為負(fù)方向。那么，向下加載→卸載→向上加載→又卸載稱為一個(gè)荷載循環(huán)。由于試驗(yàn)中鋼筋混凝土材料會(huì)出現(xiàn)當(dāng)荷載大于一定值后，卸載時(shí)產(chǎn)生殘余變形，即荷載為零，而變形不為零，這種非線性性質(zhì)稱之為“滯后”現(xiàn)象。這樣經(jīng)過(guò)一個(gè)擬靜力荷載循環(huán)試驗(yàn)所得荷載一變形曲線P-Δ曲線就變成了一個(gè)環(huán)，這就是“滯回曲線”。循環(huán)次數(shù)越多，變形越大，承載力也越低，通過(guò)分析“滯回曲線”，是分析結(jié)構(gòu)或構(gòu)件地震反應(yīng)的重要依據(jù)，可充分了解構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、變形、能量吸收和構(gòu)件的破壞等特性，一般可歸納為四種基本形態(tài)[2～3]：梭形，弓形，反S形和Z形。

梭形：大概有受彎、偏壓、壓彎構(gòu)件等，似乎耗能能力較好。

弓形：反映了一定的滑移影響，有明顯的“捏縮”效應(yīng)。大概有剪跨比較大、剪力較小并配有一定箍筋的受剪構(gòu)件。

反S形：反映了更多的滑移影響。大概有一般框架和有剪力撐的框架、梁柱節(jié)點(diǎn)和剪力墻等。

Z形：反映了大量的滑移影響。大概有小剪跨而斜裂縫又可以充分發(fā)展的構(gòu)件以及錨固鋼筋有較大滑移的構(gòu)件等。

3 結(jié)論

（1）從試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，預(yù)制預(yù)應(yīng)力裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)良好，破壞形式為梁端受彎破壞，柱子以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)破壞情況。

（2）試件的功比指數(shù)較大，試件有良好的耗能能力。節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)都大于4，滿足框架結(jié)構(gòu)延性要求，說(shuō)明試件在屈服后的非彈性變形能力較強(qiáng)，耗能能力良好，在強(qiáng)震作用下能達(dá)到延性破壞的目的。

（3）三個(gè)試件均未出現(xiàn)粘結(jié)破壞，U形鋼筋滑移量不大，在大位移的彈塑性階段仍能充分傳遞反復(fù)荷載下的拉力和推力，使節(jié)點(diǎn)滿足較高的承載能力和耗能能力。U形鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力最大起始于梁柱交接處，并向遠(yuǎn)端擴(kuò)展。