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        裝配式混凝土石化管廊柱腳節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究

        2024-01-01 00:00:00高錦鵬高洪遠(yuǎn)劉杰劉長沙謝群劉珂鋮張港

        文章編號:1671-3559(2024)06-0730-08DOI:10.13349/j.cnki.jdxbn.20240311.002

        摘要: 為了研究新型裝配式混凝土石化管廊柱腳節(jié)點(diǎn)的抗震性能,設(shè)計(jì)并制作3個足尺的預(yù)埋型鋼式柱腳節(jié)點(diǎn),并對柱腳節(jié)點(diǎn)開展低周反復(fù)加載試驗(yàn): 通過分析不同節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)和抗震性能參數(shù),研究拉結(jié)筋和加載方向?qū)χ_節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。結(jié)果表明: 各節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較飽滿,具有較強(qiáng)的耗能能力,型鋼預(yù)留拉結(jié)筋能夠有效增強(qiáng)預(yù)制柱與外包混凝土的連接,設(shè)置有拉結(jié)筋的節(jié)點(diǎn)的抗震性能最佳; 沿節(jié)點(diǎn)橫截面強(qiáng)軸和弱軸施加水平往復(fù)荷載下極限承載力相近,弱軸受力下節(jié)點(diǎn)具有相對更好的變形能力; 3個節(jié)點(diǎn)最終破壞均為外包混凝土損壞剝落,預(yù)制柱身完好無開裂,3個節(jié)點(diǎn)在外包混凝土破壞后承載力無明顯下降; 基于試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為,外露式柱腳的極限承載力可采用規(guī)范中的承載力計(jì)算公式計(jì)算,且計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

        關(guān)鍵詞: 裝配式混凝土柱; 石化管廊; 柱腳節(jié)點(diǎn); 預(yù)埋型鋼; 抗震性能

        中圖分類號: TU398.9

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        Experimental Study on Seismic Performance of Column Base Joints of Prefabricated Concrete Petrochemical Pipe Gallery

        GAO Jinpeng1, GAO Hongyuan2, LIU Jie2, LIU Changsha2, XIE Qun1, LIU Kecheng1, ZHANG Gang1

        (1. School of Civil Engineering and Architecture, University of Jinan, Jinan 250022, Shandong, China;

        2. No.1 Branch of China Construction Installation Group Co.,Ltd., Jinan 250014, Shandong, China)

        Abstract: To study the seismic performance of the column base joints of the new prefabricated concrete petrochemical pipe gallery, three full-scale embedded profile steel column base joints were designed and fabricated, and the low-cycle repeated loading test was carried out on the column base joints. By analyzing the failure modes and seismic performance parameters of different joints, the effects of tie bars and loading directions on their seismic performance were studied. The results show that the hysteresis curves of three base joints are full, and present relatively good energy dissipation capacity. The base joint with tie rebar welding with profile steel bolted exhibits better robustness. The ultimate strength along major axis and weak axis of column is similar while the base joint has higher deformation capacity along weak axis. The outer cast-in concrete of column bottom is spalled off in the ultimate state and no visible crack in the surface of precast column part occurs. The strength of all base joints does not decrease significantly when the outer cast-in concrete is spalled. Based on the analysis of the test results, the ultimate bearing capacity of exposed column feet can be calculated according to the bearing capacity calculation formula in the code, and the calculated value is in good agreement with the test values.

        Keywords: prefabricated concrete column; petrochemicalpipegallery;columnbasejoint;embeddedprofilesteel;seismic performance

        石化管廊是一種重要?dú)庖汗艿肋\(yùn)輸設(shè)施, 相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆式管廊, 裝配式管廊具有施工周期短、 現(xiàn)場施工快捷、 維護(hù)方便等眾多優(yōu)點(diǎn)。 石化管廊不僅要承受運(yùn)輸時產(chǎn)生的重力荷載, 還要經(jīng)受風(fēng)荷載、 地震荷載等多種作用, 因此裝配式柱腳連接形式必須在強(qiáng)度、 安全性和裝配效率等方面滿足工程設(shè)計(jì)要求。

        為了滿足強(qiáng)度、 安全性和裝配效率等設(shè)計(jì)要求,管廊結(jié)構(gòu)多采用型鋼-混凝土組合形式,近年來國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究。 文獻(xiàn)[1-5]中深入研究了型鋼-混凝土組合柱和鋼管混凝土柱的抗震性能, 發(fā)現(xiàn)新型型鋼-混凝土組合柱能夠減緩組合柱剛度退化速度, 具有更好的位移延性與彎曲曲率特性, 且內(nèi)置圓鋼管的形式效果更好。 王朋等[6]通過對8根型鋼-混凝土組合柱開展低周反復(fù)加載試驗(yàn), 研究了型鋼形式、 加載路徑對該類組合柱抗震性能的影響, 并分析了縱筋及型鋼的應(yīng)變發(fā)展。 由于型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)存在成本較高的缺陷, 因此學(xué)者們考慮通過改進(jìn)連接節(jié)點(diǎn)的方式來替代型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu), 研究出剛度更大的連接構(gòu)件, 提高了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的力學(xué)性能。 文獻(xiàn)[7-8]中對采用螺栓連接、 焊接連接的裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)開展擬動力試驗(yàn)研究, 結(jié)果表明, 螺栓連接的節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能和耗能能力, 而焊接連接的節(jié)點(diǎn)破壞嚴(yán)重。 高向玲等[9]對現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)、 預(yù)制裝配式梁柱型鋼連接節(jié)點(diǎn)、 預(yù)制裝配式梁柱套筒連接節(jié)點(diǎn)3類混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)開展低周反復(fù)加載試驗(yàn), 結(jié)果表明, 型鋼連接節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)更加飽滿, 具有較好的抗震性能和耗能能力。 文獻(xiàn)[10-13]中將型鋼植入混凝土梁端, 設(shè)計(jì)了基于螺栓連接形式的梁柱節(jié)點(diǎn), 并開展低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究, 設(shè)計(jì)了預(yù)埋鋼骨包括工字型鋼、組合角鋼和雙腹板工字型鋼等類型, 結(jié)果證明了型鋼節(jié)點(diǎn)具有較好抗震性能。

        當(dāng)前的研究主要針對型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn); 但是, 由于該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于石化管廊存在成本高、 適用性差等問題, 因此根據(jù)石化管廊的工程設(shè)計(jì)要求, 本文中提出一種新型柱端預(yù)埋型鋼, 采用螺栓干式連接和柱端預(yù)埋型鋼后澆混凝土相結(jié)合的節(jié)點(diǎn)連接形式, 并對新型節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究, 通過分析試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的滯回性能、 骨架曲線、 位移延性、 剛度及耗能能力探究該新型連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

        1試驗(yàn)概況

        1.1新型裝配式混凝土石化管廊框架結(jié)構(gòu)

        新型裝配式混凝土石化管廊框架結(jié)構(gòu)將型鋼接頭應(yīng)用在混凝土框架結(jié)構(gòu)中, 與螺栓連接、 外包混凝土一起形成等同現(xiàn)澆的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu), 如圖1所示。 預(yù)制構(gòu)件之間通過螺栓連接, 柱腳節(jié)點(diǎn)澆筑厚度為50 mm、 高度為300 mm的外包混凝土, 梁柱節(jié)點(diǎn)后澆混凝土僅與梁截面平齊。 預(yù)制柱構(gòu)件連接方案如圖2所示。 型鋼接頭長度為500 mm, 埋入柱中長度為300 mm, 外露長度為200 mm。 將型鋼上部與柱鋼筋籠進(jìn)行焊接, 并在型鋼翼緣焊接抗剪栓釘以增強(qiáng)連接, 同時, 為了提高型鋼與后澆混凝土之間的整體性, 在型鋼翼緣內(nèi)部焊接拉結(jié)筋。

        1.2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了柱腳連接處設(shè)置拉結(jié)筋和不設(shè)置拉結(jié)筋2種形式的足尺預(yù)埋型鋼式柱腳節(jié)點(diǎn),預(yù)制混凝土柱通過柱端預(yù)埋的型鋼連接件與基礎(chǔ)頂面預(yù)埋的地錨螺栓連接,然后澆筑外包混凝土。考慮到型鋼在強(qiáng)軸和弱軸2個方向剛度不同,須檢驗(yàn)不同方向作用下節(jié)點(diǎn)的抗震性能,因此設(shè)計(jì)了沿型鋼強(qiáng)軸加載的PC-1節(jié)點(diǎn)和沿型鋼弱軸加載的PC-2節(jié)點(diǎn),以及沿型鋼強(qiáng)軸加載且設(shè)置有拉結(jié)筋的PC-3節(jié)點(diǎn)。柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,節(jié)點(diǎn)尺寸及配筋圖如圖3所示。

        節(jié)點(diǎn)采用強(qiáng)度等級為C40的商品混凝土,后澆混凝土為強(qiáng)度等級為C40的高強(qiáng)水泥基灌漿料,混凝土28 d軸心抗壓強(qiáng)度分別為43.5、 50.5 MPa。各節(jié)點(diǎn)均采用HRB400E級鋼筋和Q345級鋼,鋼筋力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

        1.3試驗(yàn)方案

        試驗(yàn)加載系統(tǒng)由電液伺服加載系統(tǒng)、 地錨螺栓、 千斤頂、 反力墻等組成。柱頂通過電液伺服作動器施加恒定1 200 kN的豎向荷載,以實(shí)現(xiàn)固定軸壓比;低周反復(fù)加載通過多通道電液伺服加載系統(tǒng)完成,柱腳節(jié)點(diǎn)加載、 檢測裝置如圖4所示。采用力和位移混合加載的方式進(jìn)行試驗(yàn),力加載時每級循環(huán)1次,位移加載時每級循環(huán)3次,以推為正值、 拉為負(fù)值,直到節(jié)點(diǎn)水平荷載下降到峰值荷載的85%或節(jié)點(diǎn)破壞嚴(yán)重時停止試驗(yàn),加載制度如圖5所示。

        2結(jié)果及分析

        2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

        柱腳節(jié)點(diǎn)破壞圖如圖6所示。圖中清晰展示各柱腳節(jié)點(diǎn)最終破壞情況: 3個節(jié)點(diǎn)均發(fā)生了外包混凝土部分的破壞,其中節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2破壞較嚴(yán)重,而由于節(jié)點(diǎn)PC-3在型鋼上預(yù)留拉結(jié)筋發(fā)揮良好作用, 因此外包混凝土區(qū)裂縫數(shù)量和寬度明顯比

        節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2的少,并且未發(fā)生大面積混凝土嚴(yán)重脫落。3個節(jié)點(diǎn)的破壞過程基本類似,都經(jīng)歷了裂縫出現(xiàn)、 裂縫發(fā)展、 最終破壞3個階段。以下以節(jié)點(diǎn)PC-1為例,簡述柱腳節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)破壞過程。柱腳節(jié)點(diǎn)PC-1破壞過程如圖7所示。

        1)加載初期,縱筋及混凝土應(yīng)變均呈線性變化,節(jié)點(diǎn)基本處于彈性工作狀態(tài)。荷載達(dá)到30 kN時首條斜裂縫在外包混凝土的右側(cè)出現(xiàn),如圖7(a)所示,裂縫寬度約為0.05 mm。

        2)隨著加載位移增大,外包混凝土裂縫數(shù)量逐漸增多,寬度增大,形成2條較為明顯的主要斜裂縫,并且向外包混凝土區(qū)兩側(cè)發(fā)展,如圖7(b)所示。

        同時,外包混凝土底部與基礎(chǔ)上頂面界面出現(xiàn)開裂,外包混凝土區(qū)角部逐漸形成三角錐狀的損傷剝落區(qū)域,最大裂縫寬度達(dá)15 mm。

        3)進(jìn)一步施加位移, 外包混凝土區(qū)出現(xiàn)一條豎向裂縫, 并且外包混凝土區(qū)頂面與柱端發(fā)生界面開裂, 如圖7(c)所示, 此后裂縫發(fā)展迅速, 寬度急劇增加,承載力達(dá)到峰值后仍具有較強(qiáng)的變形耗能能力, 隨后承載力緩慢下降。 加載結(jié)束后, 外包混凝土完全脫落, 核心區(qū)型鋼外露, 但預(yù)制柱端部未有明顯損壞。

        2.2滯回曲線

        柱腳節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2、 PC-3的滯回曲線如圖8所示。由圖可見: 3個柱腳節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均呈弓形,整體較為光滑飽滿,滯回環(huán)面積隨位移增大而增大,說明節(jié)點(diǎn)有良好的耗能能力和塑性變形能力。加載初期各節(jié)點(diǎn)滯回曲線均呈線彈性,殘余變形??; 在混凝土外包區(qū)出現(xiàn)裂縫后,此時滯回曲線呈現(xiàn)非線性增長; 加載位移進(jìn)一步增大后,曲線呈現(xiàn)明顯“捏縮”現(xiàn)象,達(dá)到峰值荷載后承載力開始下降,但下降幅度較小。節(jié)點(diǎn)PC-3底部的基礎(chǔ)地錨螺栓處發(fā)生混凝土局部破壞,承載力明顯減小,節(jié)點(diǎn)整體滑移過大,正向峰值承載力較小,但反向加載極限承載力比節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2的大。

        2.3骨架曲線

        選取柱腳節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2、 PC-3的滯回曲線中各加載循環(huán)的峰值點(diǎn), 將它們相連得到柱腳節(jié)點(diǎn)骨架曲線如圖9所示。 從圖中可以看出: 加載初期, 節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-3骨架曲線基本重合。 達(dá)到峰值荷載后, 正向加載時節(jié)點(diǎn)PC-3的承載力下降較節(jié)點(diǎn)PC-1的快, 而反向加載下節(jié)點(diǎn)PC-3的承載力明顯大于節(jié)點(diǎn)PC-1的, 并且正反方向極限位移均略大于節(jié)點(diǎn)PC-1的, 說明預(yù)留拉結(jié)筋的措施能夠提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和變形能力。 節(jié)點(diǎn)PC-1、PC-2分別沿強(qiáng)軸和弱軸方向加載, 對比可知, 正向加載時節(jié)點(diǎn)PC-2的承載力略大于節(jié)點(diǎn)PC-1的, 剛度明顯更大; 反向加載時二者承載力和極限位移相差不大。

        2.4剛度退化

        采用割線剛度能表示構(gòu)件的剛度退化情況[3],計(jì)算公式為

        Ki=(Fi+-Fi)/(Δi+-Δi) ,(1)

        式中: Ki為第i級加載下的割線剛度; Fi、 -Fi分別為第i個加載循環(huán)下正、 反向峰值荷載; Δi、 -Δi分別為第i級加載下正、 反向峰值荷載對應(yīng)的位移。

        柱腳節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2、 PC-3的剛度退化曲線如圖10所示。由圖可知:1)在加載前期,各節(jié)點(diǎn)外包混凝土開裂,導(dǎo)致剛度退化速度較快;當(dāng)外包混凝土完全脫落不再參與受力,沒有新裂縫產(chǎn)生,且累積損傷已達(dá)到一定程度,節(jié)點(diǎn)的剛度退化則趨于平緩。2)對比可知,每級加載循環(huán)時節(jié)點(diǎn)PC-1的剛度退化率均較節(jié)點(diǎn)PC-2的小,而且剛度退化曲線下降段更陡,主要原因是節(jié)點(diǎn)PC-1的翼緣處縱筋未伸至柱底端,外包混凝土部分與預(yù)制柱的連接較弱,容易發(fā)生開裂,因此剛度下降較快。水平側(cè)移為10 mm時外包混凝土出現(xiàn)開裂,隨加載位移不斷增大,剛度下降緩慢。3)節(jié)點(diǎn)PC-3的基礎(chǔ)固定地錨螺栓處發(fā)生局部混凝土破壞,造成正反向加載時剛度和約束不一致,表現(xiàn)在剛度退化曲線上出現(xiàn)偏差波動。

        2.5耗能能力

        圖11為柱腳節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2、 PC-3的累積耗能曲線。由圖可以看出:加載前期,3條曲線相近,加載后期,節(jié)點(diǎn)PC-2的耗能能力強(qiáng)于節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-3的,且節(jié)點(diǎn)PC-2的耗能曲線無快速上升的階段,說明相同加載條件下,沿預(yù)埋型鋼的弱軸加載的節(jié)點(diǎn)耗能穩(wěn)定且耗能能力最強(qiáng)。由于耗能是由水平承載力及變形綜合決定的,在節(jié)點(diǎn)水平承載力變化不明顯情況下,預(yù)埋型鋼處強(qiáng)軸和弱軸的剛度不同,且混凝土受力面積不同,沿弱軸加載的節(jié)點(diǎn)剛度小且混凝土受力面積大,隨著位移加載增大,內(nèi)部混凝土開裂,變形明顯增大,因此導(dǎo)致耗能曲線出現(xiàn)快速上升。節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-3在位移10~25 mm間均出現(xiàn)了累積耗能曲線快速上升的階段, 但節(jié)點(diǎn)PC-3的能耗曲線出現(xiàn)快速上升對應(yīng)的位移大于節(jié)點(diǎn)PC-1的,且最終累積耗能大于節(jié)點(diǎn)PC-1的,原因是型鋼處設(shè)置拉結(jié)筋,增強(qiáng)了外包混凝土與型鋼的連接,外包混凝土完全開裂失效的位移增大,節(jié)點(diǎn)耗能快速增長階段出現(xiàn)較晚,外包混凝土消耗了更多能量,因此節(jié)點(diǎn)的累積耗能增大。

        2.6理論計(jì)算

        預(yù)埋型鋼式柱腳計(jì)算模型如圖12所示, 計(jì)算簡圖如圖13所示。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果, 節(jié)點(diǎn)最終僅發(fā)生了外包混凝土的破壞, 而柱身未出現(xiàn)明顯損傷, 說明預(yù)埋型鋼與柱腳連接可靠, 上部應(yīng)力能穩(wěn)定傳遞給下部預(yù)埋型鋼, 因此可以簡化計(jì)算模型, 將預(yù)埋型鋼部分與柱視為一個整體, 以型鋼露出部分200 mm處為交界面, 上部荷載完全由型鋼傳遞給下部基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)時外包混凝土區(qū)沒有設(shè)置箍筋和縱筋, 僅起到防銹和圍護(hù)作用, 且節(jié)點(diǎn)未達(dá)到極限荷載, 外包混凝土基本破壞, 因此不參與受力計(jì)算。 借鑒外露式柱腳的計(jì)算理論, 外露式柱腳承的載力計(jì)算公式[14]為

        Mu≥Mpc ,(2)

        F=N+At fy,a-2bfckh=0 ,(3)

        M=At fy,a(d2-h)+NL2-h-Mu=0 ,(4)

        Mu=At fy,ad2-At fy,a+N2bfck+NL2-At fy,a+N2bfck,(5)

        式中: Mu為考慮軸力時柱腳的極限彎矩; Mpc為考慮軸力時柱的全塑性彎矩;F為柱腳節(jié)點(diǎn)總外力; N為軸力; At為螺栓總面積; f y,a為錨栓的屈服強(qiáng)度; b為節(jié)點(diǎn)寬度; fck為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; h為混凝土受壓區(qū)高度; M為柱腳節(jié)點(diǎn)總彎矩;d2為螺栓孔徑至節(jié)點(diǎn)邊緣距離; L為節(jié)點(diǎn)長度。

        表3所示為柱腳節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的對比。采用Mu,t/Mu(Mu,t為試驗(yàn)測得彎矩,Mu為彎矩計(jì)算值)平均值作為評價標(biāo)準(zhǔn),節(jié)點(diǎn)PC-1、 PC-2、 PC-3的Mu,t/Mu平均值為0.93、 0.96、 0.98,表明上述推導(dǎo)所得公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

        3結(jié)論

        本文中提出了一種新型預(yù)埋型鋼裝配式混凝土石化管廊柱腳連接形式,對3個節(jié)點(diǎn)開展低周往復(fù)荷載試驗(yàn),分析了3個節(jié)點(diǎn)的滯回性能、 骨架曲線、 位移延性、 剛度及耗能能力,得到以下結(jié)論:

        1)節(jié)點(diǎn)都發(fā)生了外包區(qū)混凝土破壞,且破壞過程相似。預(yù)埋型鋼與柱腳連接性能良好,柱身完好未出現(xiàn)裂縫,柱腳在外包混凝土破壞后仍可以保持較好的延性和變形能力。

        2)各節(jié)點(diǎn)的滯回曲線均較飽滿,具有較好的耗能能力。沿強(qiáng)軸和弱軸的抗震性能相近。通過在型鋼端部設(shè)置外伸式拉結(jié)筋可以確保預(yù)制柱與現(xiàn)場澆筑混凝土的連接,并有效提高柱腳抗震性能。

        3)預(yù)埋型鋼式柱腳可依據(jù)外露式柱腳計(jì)算方法設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好,可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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        (責(zé)任編輯:劉建亭)

        收稿日期: 2023-09-27網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間:2024-03-12T08:24:37

        基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52108214);山東省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020-K5-18)

        第一作者簡介: 高錦鵬(1999—),男,山東臨沂人。碩士研究生,研究方向?yàn)楦咝阅芩嗷牧?。E-mail: 2868122374@qq.com。

        通信作者簡介: 謝群(1979—),男,山東聊城人。教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾虏牧辖Y(jié)構(gòu)、 新型裝配式結(jié)構(gòu)、 工程結(jié)構(gòu)抗災(zāi)。

        E-mail: cea_xieq@ujn.edu.cn。

        網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址: https://link.cnki.net/urlid/37.1378.n.20240311.0956.004

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