鄭書(shū)仁
(中鐵城建集團(tuán)有限公司,長(zhǎng)沙 410208)
銀川綠地中心項(xiàng)目是寧夏回族自治區(qū)和銀川市“十二五”規(guī)劃的重大項(xiàng)目,也是踐行“一帶一路”的代表項(xiàng)目[1]。該項(xiàng)目位于寧夏回族自治區(qū)銀川市閱海灣中央商務(wù)區(qū)中心地塊,作為寧夏第一高樓的銀川綠地中心項(xiàng)目,建筑總面積350 379m2。該項(xiàng)目包括兩棟高301.15m的塔樓、兩個(gè)相應(yīng)23.9m高的裙房以及連接整體的3層地下室。北塔樓地上建筑面積122 643m2,共計(jì)66層,主要功能為辦公和酒店,北裙房建筑地上建筑面積為10 995m2,主要功能為3層商業(yè)用房和1層設(shè)備屋頂層;南塔樓建筑地上建筑面積122 797m2,地上共66層,主要功能為辦公,南裙房地上建筑面積為10 352m2,共3層功能房間和1層設(shè)備屋頂層[2-3]。銀川綠地中心建筑效果圖如圖1所示。由于型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)處鋼筋較多且有部分鋼筋穿透型鋼。為了減小施工的難度,本文結(jié)合施工特點(diǎn)提出兩種替代的構(gòu)造措施,采用試驗(yàn)研究方法與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行對(duì)比,為工程應(yīng)用提供參考。
圖1 銀川綠地中心建筑效果圖
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室MTS作動(dòng)器的量程及豎向千斤頂?shù)募虞d能力,確定試驗(yàn)試件的縮尺比例為1∶8,三個(gè)試件的構(gòu)造尺寸如圖2所示,試件型鋼加工圖見(jiàn)圖3。
圖2 試件構(gòu)造尺寸
圖3 試件型鋼加工圖
由于試件采用縮尺,型鋼混凝土柱內(nèi)鋼筋直徑較小,無(wú)法加工,因此,受力鋼筋采用等截面配筋率的原則確定合理的受力鋼筋直徑和間距;箍筋采用等體積配箍率的原則確定箍筋及拉筋的直徑和間距。三種疊合柱構(gòu)造有所不同,其中試件GZ-1鋼筋采用穿過(guò)型鋼的方法;試件GZ-2鋼筋不穿型鋼采用增加豎向鋼筋的方法;試件GZ-3采用鋼筋焊接到型鋼的方法。最終三個(gè)試件的截面配筋結(jié)果如圖4所示。
圖4 試件截面配筋圖
本次試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,在試件試驗(yàn)當(dāng)天對(duì)混凝土立方體試塊進(jìn)行軸壓試驗(yàn),測(cè)得混凝土強(qiáng)度為42.6MPa。柱內(nèi)型鋼采用Q235b焊接型鋼,腹板厚度為8mm,翼緣厚度為9mm;柱內(nèi)縱筋為HRB400,直徑為8mm;箍筋和拉筋為HRB400,直徑為6mm。測(cè)得鋼材的主要性能指標(biāo)如表1所示。
材性試驗(yàn)結(jié)果 表1
本次試驗(yàn)在北京交通大學(xué)的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試件加載裝置如圖5所示,豎向荷載由液壓千斤通過(guò)分配梁均勻地施加在柱頂;水平位移由作動(dòng)器作用在試件的加載梁上。試件通過(guò)地錨螺栓與地面固定,地梁兩端各設(shè)置千斤頂防止出現(xiàn)滑移。
圖5 試件加載裝置示意圖
以實(shí)際工程為依據(jù),確定施加的豎向荷載為1 000kN;水平加載采用位移控制,以試件上部加載點(diǎn)的實(shí)際位移為控制標(biāo)準(zhǔn),從零開(kāi)始進(jìn)行水平加載,加載位移分別為0.6mm(1/1 400),1.0mm(1/800),1.7mm(1/500),2.4mm(1/350),3mm(1/280),4.5mm(1/200),6mm(1/140),8.5mm(1/100),12mm(1/70),15mm(1/55),17mm(1/49),21mm(1/40),24mm(1/35),30mm(1/28),每級(jí)循環(huán)二次,直至推覆。
首先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載,檢查各試驗(yàn)儀器是否正常工作,然后豎向荷載回零,完成預(yù)加載過(guò)程。隨后開(kāi)始正式加載,豎向荷載共分5級(jí)加載,每級(jí)荷載大小為200kN,最終加載至1 000kN,并且保持恒定,然后開(kāi)始加載水平位移。
三個(gè)試件盡管在構(gòu)造措施上有差異,但其破壞形式和規(guī)律有很大的相似性。水平位移加載至1mm結(jié)束時(shí),無(wú)明顯現(xiàn)象出現(xiàn)。水平位移加載至1.7mm時(shí),加載位置處柱體產(chǎn)生微小豎向裂縫,柱身兩側(cè)開(kāi)始出現(xiàn)橫向裂縫。水平位移加載至2.4mm時(shí),加載梁開(kāi)始產(chǎn)生裂縫,二層柱體出現(xiàn)少量的斜裂縫,原有裂縫加寬延伸。水平位移加載至4.5mm時(shí),試件裂縫持續(xù)增加和延伸,一層柱體出現(xiàn)多道豎向裂縫和斜裂縫,二層柱體右側(cè)面原有裂縫形成通長(zhǎng)水平裂縫,下部原有裂縫斜向延伸。水平位移在加載至6mm的過(guò)程中伴有“咔咔”聲響,加載梁部分混凝土掉落,節(jié)點(diǎn)處左側(cè)裂縫連通,一層柱上部及其中部新增多道斜裂縫;二層柱中部出現(xiàn)一道水平裂縫并延伸至側(cè)面形成通長(zhǎng)水平裂縫。水平位移加載至8.5mm時(shí),加載過(guò)程中試件持續(xù)發(fā)出聲響,梁柱交界處左上角混凝土鼓起;一層柱中部出現(xiàn)兩道斜裂縫,原有裂縫延伸,柱底出現(xiàn)多道短小斜裂縫;二層柱左側(cè)底部出現(xiàn)一道通長(zhǎng)水平裂縫。水平位移加載至12mm的過(guò)程中有“當(dāng)當(dāng)”的巨大聲響,右側(cè)加載梁上部裂縫通長(zhǎng),裂縫寬至4mm,交界處豎向裂縫寬度達(dá)1.5mm,右側(cè)裂縫貫通;一層柱左側(cè)出現(xiàn)兩道很長(zhǎng)的豎向裂縫,柱底左側(cè)混凝土鼓起;二層柱中部和左側(cè)面出現(xiàn)多道斜裂縫,柱角右側(cè)出現(xiàn)豎向裂縫。水平位移加載至15mm的過(guò)程中,試件發(fā)出連續(xù)不斷的“咔咔”聲響,交界處左上角混凝土有掉落,原有裂縫延伸加寬。水平位移加載至17mm時(shí),右側(cè)加載梁底部混凝土出現(xiàn)大面積掉落,二層柱中部左側(cè)混凝土出現(xiàn)小面積脫落。
試件加載至24mm,有連續(xù)聲響,一層柱角混凝土脫落,交界處混凝土沿裂縫鼓起。加載30mm時(shí),多處混凝土掉落,交界處裂縫加寬至1cm,型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件破壞嚴(yán)重,試驗(yàn)結(jié)束。三個(gè)試件均表現(xiàn)為柱內(nèi)型鋼和縱筋受力屈服,柱角混凝土被壓碎,試件破壞。試件裂縫見(jiàn)圖6。
圖6 試件裂縫
試驗(yàn)中得到三個(gè)試件滯回曲線如圖7所示。由圖7可知,隨著水平位移的施加,滯回曲線的形狀也在發(fā)生著變化。加載初始,水平位移較小,滯回曲線呈直線,剛度變化不大,殘余位移較小,試件處于彈性狀態(tài)。隨著水平位移的逐漸增加,試件進(jìn)入彈塑性階段,三個(gè)試件的剛度逐漸開(kāi)始減小,開(kāi)始有殘余變形的產(chǎn)生,試件滯回曲線逐步發(fā)展為“梭形”。繼續(xù)加大水平位移,試件剛度退化和殘余變形迅速增加,滯回曲線向“弓形”過(guò)渡,“捏攏現(xiàn)象”明顯。繼續(xù)加大水平位移,試件內(nèi)部型鋼和鋼筋逐漸屈服,角部混凝土壓碎脫落,試件破壞,試驗(yàn)結(jié)束。試件GZ-2由于發(fā)生較大的平面外變形,只加載至21mm。
圖7 試件滯回曲線
由《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[4](簡(jiǎn)稱(chēng)抗震試驗(yàn)規(guī)程)可知,試件骨架曲線能夠反映出承載力與位移之間的關(guān)系,根據(jù)骨架曲線可以得到試件各特征階段的荷載及對(duì)應(yīng)的位移。圖8為各試件的骨架曲線。由圖8可知,三個(gè)試件的骨架曲線幾乎重合,變化規(guī)律基本一致,均經(jīng)歷彈性、彈塑性及破壞三個(gè)階段。加載初期,三個(gè)試件的骨架曲線呈直線,且完全重合;增大水平位移,骨架曲線開(kāi)始出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段,三條曲線開(kāi)始有偏離,但相差較?。浑S著水平位移的持續(xù)增加,試件剛度逐漸減小,曲線偏離程度增大,試件達(dá)到峰值荷載,進(jìn)入破壞階段。從骨架曲線可以直觀地看出,三個(gè)試件的屈服荷載和極限荷載相差不大,變形性能相當(dāng)。
圖8 試件骨架曲線
根據(jù)各試件的骨架曲線,參考抗震試驗(yàn)規(guī)程擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,結(jié)合等能量法[5],給出了各試件屈服荷載、極限荷載以及對(duì)應(yīng)階段的位移。試件的變形能力可以用極限位移角θ來(lái)衡量,其值等于試件的極限位移Δ與層高H的比值,即θ=Δ/H。
表2給出了各試件的荷載值及極限位移角。由表2可知,三個(gè)試件的各階段荷載值相差不大,與試件GZ-1相比,試件GZ-2的屈服荷載和極限荷載降低了6.2%,4.8%;試件GZ-3的屈服荷載和極限荷載降低了8.7%,2.9%。結(jié)果表明,本文提出的兩種替換構(gòu)造措施與原構(gòu)造措施相比,承載力略微降低,極限承載力相差在5%以?xún)?nèi)。由于試件GZ-2在水平位移加載至21mm時(shí),發(fā)生較大的平面外位移,無(wú)法繼續(xù)加載,因此,極限位移角相對(duì)較小,但試件GZ-2和試件GZ-3的極限位移角大小相同,說(shuō)明兩種構(gòu)造措施的柱節(jié)點(diǎn)有相同變形能力。綜上,本文提出的兩種構(gòu)造措施可以用于結(jié)構(gòu)。
各試件承載力及對(duì)應(yīng)的位移 表2
剛度反映試件在外力作用下抵抗變形的能力。由抗震試驗(yàn)規(guī)程可知,試件的剛度可以用割線剛度來(lái)表示,計(jì)算公式見(jiàn)式(1),各試件剛度退化曲線如圖9所示。
(1)
式中:K為試件剛度,kN/mm;P+,P-分別為試件在同一滯回環(huán)頂點(diǎn)的正向和負(fù)向水平荷載;Δ+,Δ-分別為同一滯回環(huán)頂點(diǎn)的正向和負(fù)向位移值。
由圖9可知:1)三個(gè)試件的剛度退化曲線規(guī)律基本一致,無(wú)明顯的突變。初始剛度主要由柱體混凝土承擔(dān),因此,三個(gè)試件的初始剛度相差不大,均在100kN/mm左右。隨著水平位移的逐漸施加,混凝土逐步開(kāi)裂,剛度退化迅速增加,當(dāng)水平位移增加在21mm左右時(shí),柱內(nèi)型鋼和鋼筋開(kāi)始屈服,混凝土裂縫發(fā)展充分,剛度退化進(jìn)入平穩(wěn)段。2)由于試件GZ-2水平位移只加載至21mm,因此,取加載位移21mm時(shí)對(duì)應(yīng)的剛度進(jìn)行對(duì)比分析。此時(shí),各試件的剛度為42.1,43.5,40.9kN/mm,與試件GZ-1相比,試件GZ-2的剛度提高了3.3%,試件GZ-3剛度降低了2.9%。說(shuō)明三個(gè)試件在受力屈服階段的剛度相差不大,抵抗外力荷載作用的能力幾乎一致。
圖9 試件剛度退化曲線
由抗震試驗(yàn)規(guī)程可知,試件耗能量的大小以滯回環(huán)包圍的面積大小來(lái)衡量,滯回環(huán)越飽滿(mǎn),包圍的面積越大,耗能量就越多,耗能能力也就越強(qiáng)。根據(jù)滯回曲線,計(jì)算各試件各級(jí)循環(huán)耗能量,將計(jì)算結(jié)果繪制成累積耗能曲線,如圖10所示。由圖10可知:1)三個(gè)試件的累積耗能曲線加載前期一直處于重合狀態(tài),且增長(zhǎng)緩慢;試件屈服以后,各試件的累積耗能曲線開(kāi)始呈現(xiàn)“拋物線”增長(zhǎng),當(dāng)試件達(dá)到峰值荷載時(shí),試件滯回環(huán)曲線更加飽滿(mǎn),耗能量較多,累積耗能也就越多,體現(xiàn)了三個(gè)試件相對(duì)普通混凝土節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力。2)由于試件GZ-2水平位移只加載至21mm,因此,取加載位移21mm時(shí)對(duì)應(yīng)的累積耗能量進(jìn)行對(duì)比分析。此時(shí),GZ-1,GZ-2,GZ-3三個(gè)試件累積耗能量分別為20.47,22.91,19.91kN·m。與試件GZ-1相比,試件GZ-2的耗能量增加了11.9%,試件GZ-3的耗能量減小了2.7%。說(shuō)明三種不同的構(gòu)造措施的柱節(jié)點(diǎn)耗能能力相差不大,且本文提出的其中一種構(gòu)造措施的耗能能力略?xún)?yōu)于原構(gòu)造措施。
圖10 試件累積耗能曲線
(1)試件在低周往復(fù)荷載作用下均經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段三個(gè)過(guò)程。最終由于柱內(nèi)型鋼和鋼筋屈服,角部混凝土壓碎,試件發(fā)生破壞。
(2)試件的滯回曲線、骨架曲線以及剛度退化曲線的變化規(guī)律基本相同,累積耗能能力也一致,說(shuō)明了本文提出的兩種構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)思路是合理正確的。
(3)三種構(gòu)造方式的極限承載力誤差在5%以?xún)?nèi),并且拉筋穿過(guò)型鋼腹板的承載力最高,拉筋焊接在型鋼腹板表面的構(gòu)造方式次之,加強(qiáng)縱筋局部圍箍方式最小。因此,型鋼混凝土柱的構(gòu)造措施可根據(jù)承載力大小及施工難易程度選擇本次試驗(yàn)的三種不同構(gòu)造方式。