張曉巍 戎 賢,2 楊洪渭 張健新,2

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院, 天津 300401; 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心, 天津 300401)

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)符合我國綠色建筑發(fā)展的方向,切合建筑工業(yè)化生產(chǎn)方式,迎合行業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求,比傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)更節(jié)能、環(huán)保、高效,因此在近些年得到了迅速發(fā)展[1-3]。作為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系中主要的結(jié)構(gòu)形式之一,裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)構(gòu)件也被國內(nèi)外學(xué)者廣泛地進(jìn)行了研究,并在梁柱連接形式及受力性能方面取得了一些研究進(jìn)展[4-11]。但目前研究的裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)仍存在構(gòu)造復(fù)雜、承載力較低和連接可靠性較差等問題[12-14]。同時(shí),過往的一些災(zāi)害事故表明,框架節(jié)點(diǎn)在地震作用下受損嚴(yán)重[15-18]。因此,針對上述存在的問題,有必要研發(fā)連接便捷、傳力可靠的裝配式節(jié)點(diǎn)。

從施工效率和受力性能方面考慮,作者結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接的高效率以及高強(qiáng)鋼筋高強(qiáng)度的特點(diǎn)[19],提出了一種新型帶鋼端頭的裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn),即在預(yù)制柱和預(yù)制梁端分別設(shè)置鋼連接件,將預(yù)制混凝土梁柱之間的連接變?yōu)殇摻Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),并使用高強(qiáng)鋼筋作為預(yù)制梁柱的縱向受力鋼筋。作者對該新型裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,為帶鋼端頭的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3個(gè)帶鋼端頭的裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱中節(jié)點(diǎn)試件,分別命名為ZJ-1、ZJ-2和ZJ-3。為了測試該類節(jié)點(diǎn)的極限受力狀態(tài),所有構(gòu)件被設(shè)計(jì)為“強(qiáng)構(gòu)件,弱節(jié)點(diǎn)”。如圖1a所示,3個(gè)試件均采用一致的梁柱幾何尺寸和內(nèi)部配筋,其中預(yù)制柱截面為邊長350 mm的正方形,高為2 800 mm。框架梁截面尺寸為250 mm×400 mm,長度為3 550 mm。HRB600高強(qiáng)鋼筋和HRB400鋼筋被分別用作預(yù)制梁、柱內(nèi)的縱向鋼筋和箍筋;試件內(nèi)的型鋼全部采用Q235級鋼材,具體的鋼材材料性能見表1。試件中預(yù)制梁、柱以及試件ZJ-1、ZJ-2的后澆區(qū)的混凝土均采用C45級混凝土。在制作試件的同時(shí),同一批次的混凝土被用于制作邊長為150 mm 的立方體試塊,并通過材性測試獲得了混凝土的力學(xué)性能,見表2。

表1 鋼筋和鋼板力學(xué)性能指標(biāo)

表2 混凝土力學(xué)性能指標(biāo)

a—ZJ-1～ZJ-3節(jié)點(diǎn)配筋; b—ZJ-1節(jié)點(diǎn)連接; c—ZJ-2節(jié)點(diǎn)連接; d—ZJ-3節(jié)點(diǎn)連接。

所有裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件的預(yù)制柱和梁均通過工廠預(yù)先加工制作完成。制作過程中,柱中部節(jié)點(diǎn)和梁端分別預(yù)埋了鋼連接件(鋼節(jié)點(diǎn)和H型鋼),隨后在工地現(xiàn)場利用預(yù)埋鋼連接件通過焊接和栓接相連,實(shí)現(xiàn)梁柱的快速安裝施工。預(yù)制柱內(nèi)的縱向鋼筋在中部位置被截?cái)嗖⑴c預(yù)埋的鋼節(jié)點(diǎn)水平連接板焊接到一起。預(yù)制梁端使用H型鋼作為鋼連接件(鋼端頭),埋入深度為200 mm,H型鋼的上下翼緣與梁內(nèi)縱向鋼筋通過焊接相連。梁柱內(nèi)縱筋和鋼連接件的焊接長度均為10d(d為縱筋直徑)。各試件的具體細(xì)節(jié)如圖1b～d所示,試件ZJ-1在預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)中設(shè)置了腹板,同時(shí)伸入混凝土部分的腹板上設(shè)置了抗剪栓釘;試件ZJ-2的預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)中未設(shè)置腹板,但在上、下水平連接板外側(cè)分別設(shè)置了一道加勁肋;試件ZJ-3未設(shè)置腹板和加勁肋。所有試件的預(yù)制梁和預(yù)制柱通過焊接和螺栓進(jìn)行連接,采用的螺栓為M20的10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓。試件ZJ-1和試件ZJ-2裝配完成后在裝配部位進(jìn)行了混凝土后澆,試件ZJ-3裝配完成后裝配部位不澆筑混凝土。

1.2 加載方式

圖2為試驗(yàn)裝置的布置,包括支撐和加載兩部分。柱子下端與球鉸支座連接,上端和單向鉸支座相連,柱子的上下兩端用兩根從反力墻伸出的水平錨桿固定,防止節(jié)點(diǎn)試件在加載過程中出現(xiàn)平面外失穩(wěn)。柱頂采用50 t油壓千斤頂施加大小為460 kN的恒定軸壓力,以滿足設(shè)計(jì)的軸壓比(0.15)。左右梁端分別設(shè)置了一個(gè)±500 kN(位移行程為±250 mm)的伺服作動器用于施加往復(fù)荷載。加載制度參考了規(guī)范JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》中的方法,采用荷載-位移聯(lián)合控制進(jìn)行加載,加載簡圖如圖3所示。首先對柱頂緩慢施加軸力至460 kN;然后對梁端施加往復(fù)荷載直至梁縱筋或鋼板翼緣屈服,過程中每級循環(huán)一次;試件發(fā)生屈服后轉(zhuǎn)為位移控制,取屈服位移的整數(shù)倍作為控制位移進(jìn)行加載,每級循環(huán)三次,當(dāng)試件荷載值下降至峰值荷載的85%時(shí)或試件發(fā)生破壞時(shí),停止試驗(yàn)。

圖2 加載裝置

圖3 加載裝置及制度

1.3 應(yīng)變布置

為了收集試件在試驗(yàn)過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)和研究試件荷載下的傳力模式,應(yīng)變片和應(yīng)變花被分別設(shè)置于縱向鋼筋、箍筋和鋼板上,具體布置見圖4。

圖4 應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

節(jié)點(diǎn)試件的破壞形態(tài)如圖5所示?？梢钥闯?

a—ZJ-1; b—ZJ-2; c—ZJ-3。

3個(gè)帶鋼端頭的裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱中節(jié)點(diǎn)試件均發(fā)生節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土保護(hù)層大面積脫落,內(nèi)部鋼筋外露。梁端及連接區(qū)域由于鋼端頭的存在,這一區(qū)域的裂縫數(shù)量較少,寬度較小,可見預(yù)埋鋼端頭可以有效地改善梁端的破壞特征。在3個(gè)試件中,水平連接板間設(shè)置腹板且連接區(qū)域后澆混凝土的節(jié)點(diǎn)ZJ-1試件的核心區(qū)混凝土保護(hù)層及柱端混凝土保護(hù)層剝落程度最為嚴(yán)重,水平連接板外側(cè)設(shè)置上下加勁肋且裝配部位后澆混凝土的節(jié)點(diǎn)ZJ-2試件次之,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)ZJ-1試件承擔(dān)更大的極限荷載和破壞位移,ZJ-2試件承擔(dān)的極限荷載和破壞位移次之?？傮w來講,試驗(yàn)測試的3個(gè)帶鋼端頭的裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)的破壞特征較為相似,腹板和加勁肋的設(shè)置以及連接區(qū)域是否后澆混凝土等因素對框架節(jié)點(diǎn)的破壞特征影響不大。

3 結(jié)果與討論

3.1 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線

節(jié)點(diǎn)彎矩用過梁端荷載與加載點(diǎn)距柱邊長度的乘積求得,而轉(zhuǎn)角則是梁端位移與加載點(diǎn)至柱邊距離的比值。根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù),計(jì)算并繪制了各裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件的彎矩(M)-轉(zhuǎn)角(θ)滯回曲線,如圖6所示。

a—ZJ-1; b—ZJ-2; c—ZJ-3。

由圖6可知,3個(gè)裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動剛度相似,在試件出現(xiàn)開裂前,荷載-位移基本呈線性關(guān)系,各節(jié)點(diǎn)處于彈性狀態(tài),殘余形變較小。三個(gè)試件的曲線在屈服前呈現(xiàn)梭形,曲線屈服后則出現(xiàn)較為明顯的捏縮,表明后期節(jié)點(diǎn)的剪切變形很大,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的破壞較為嚴(yán)重,這與觀察到的最終破壞情況一致。進(jìn)一步對比可以發(fā)現(xiàn),由于設(shè)置了腹板,節(jié)點(diǎn)試件ZJ-1的曲線最為飽滿,比未設(shè)置腹板的試件ZJ-2和ZJ-3有著更大的彎矩,說明設(shè)置腹板有利于提升節(jié)點(diǎn)的耗能能力和承載力。對比節(jié)點(diǎn)試件ZJ-2和ZJ-3可以發(fā)現(xiàn),設(shè)置加勁肋的節(jié)點(diǎn)試件ZJ-2的最大彎矩與ZJ-3相似,且兩個(gè)試件的峰值轉(zhuǎn)角幾乎相同,說明加勁肋板的設(shè)置對梁端承載力和旋轉(zhuǎn)能力影響不大。

3.2 剪力-轉(zhuǎn)角骨架曲線

裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力(V)-轉(zhuǎn)角(θ)骨架曲線如圖7所示。

由圖7可知,在屈服前,裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件ZJ-1、ZJ-2和ZJ-3的剪力-轉(zhuǎn)角骨架曲線發(fā)展趨勢基本一致,設(shè)置腹板的試件ZJ-1的極限剪應(yīng)力明顯高于試件ZJ-2和ZJ-3,這說明腹板參與了核心區(qū)的受力,對改善節(jié)點(diǎn)承載能力有明顯作用。預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)中設(shè)置肋板的試件ZJ-2的剪切形變在3個(gè)測試構(gòu)件中最小,說明在水平連接板處設(shè)置與柱端相連的加勁肋板可以限制節(jié)點(diǎn)區(qū)域的剪切變形。在曲線下降階段,節(jié)點(diǎn)試件ZJ-1的下降明顯較緩,這說明節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁端預(yù)埋的鋼端頭與混凝土能夠很好地協(xié)同受力,試件的延性性能較好。裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)試件ZJ-2的骨架曲線高于ZJ-3,在正向下降段經(jīng)歷了陡降后承載力又趨于平緩,整體性能略優(yōu)于節(jié)點(diǎn)ZJ-3。

3.3 剛度退化

根據(jù)文獻(xiàn)[20]中的方法求得裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度退化曲線如圖8所示,各試件在兩個(gè)加載方向下的強(qiáng)度退化曲線基本對稱,加載初期的強(qiáng)度退化率超過0.9。隨著荷載的增加,試件ZJ-1表現(xiàn)出比其他兩個(gè)試件更低的強(qiáng)度退化率和更穩(wěn)定的波動范圍。這表明水平連接板間腹板可以平衡核心區(qū)域的受力,減少強(qiáng)度損失。相比之下,ZJ-2和ZJ-3的強(qiáng)度退化情況幾乎相同,說明加勁肋的設(shè)置對于控制節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度退化方面影響不大。總體來看,不論預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)處是否設(shè)置腹板或者加勁肋,各測試構(gòu)件的強(qiáng)度退化率都低于20%,符合ACI 374.1-05標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定。

由圖8可知,3個(gè)裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度退化規(guī)律基本一致,在加載初期強(qiáng)度退化較為明顯,后期逐漸降低。在整個(gè)加載過程中,水平連接板間設(shè)置腹板且裝配部位后澆混凝土的節(jié)點(diǎn)ZJ-1強(qiáng)度退化最為緩慢,水平連接板外側(cè)設(shè)置上下加勁板且裝配部位后澆混凝土的節(jié)點(diǎn)ZJ-2強(qiáng)度退化緩慢程度次之,未設(shè)置腹板、加勁板以及后澆的節(jié)點(diǎn)ZJ-3強(qiáng)度退化較為迅速。

3.4 應(yīng)變分析

節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋼筋的應(yīng)變規(guī)律如圖9所示。對比各試件箍筋,設(shè)置腹板的預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)試件ZJ-1的箍筋應(yīng)變明顯低于其他構(gòu)件。這說明在加載過程中腹板的設(shè)置增加了節(jié)點(diǎn)中鋼連接件的變形,可以更好地分擔(dān)核心區(qū)箍筋所承擔(dān)的剪力。試件ZJ-2和ZJ-3的箍筋應(yīng)變相似,可見設(shè)置加勁肋對于核心區(qū)受剪的影響有限。由圖9b可知,試件ZJ-1的柱縱筋最大應(yīng)變超過了其屈服應(yīng)變(3 088×10-6),而試件ZJ-2和ZJ-3的柱縱向鋼筋基本處于彈性狀態(tài)。這說明設(shè)置腹板后的鋼節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剛性,從而產(chǎn)生了混凝土柱縱筋屈服現(xiàn)象。試件ZJ-2和ZJ-3的曲線趨勢相似,表明連接部位后澆混凝土和節(jié)點(diǎn)是否設(shè)置加勁肋對柱縱筋應(yīng)變影響不大。觀察圖9c可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)試件的梁縱筋變化趨勢及形態(tài)相似,各試件梁端縱筋均低于屈服應(yīng)變(3 321×10-6),處于彈性狀態(tài),表明梁端鋼筋未發(fā)生屈服。

a—梁端箍筋; b—柱縱筋; c—梁端縱筋。

鋼端頭的應(yīng)變情況如圖10所示,材性試驗(yàn)測得H型鋼翼緣和腹板的屈服應(yīng)變值分別為1 123×10-6和1 412×10-6。由圖10a可知,各個(gè)帶鋼端頭的裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)試件處于結(jié)合段的H型鋼梁的總體應(yīng)變變化較為對稱,在加載初期,應(yīng)變值接近并保持線性增長。伴隨位移增加,結(jié)合段的H型鋼逐漸進(jìn)入彈塑性階段。隨著位移的進(jìn)一步增大,結(jié)合段混凝土由于裂縫開展,使得應(yīng)變開始出現(xiàn)下降直至試件破壞。試件ZJ-1的翼緣應(yīng)變值大于試件ZJ-2和ZJ-3的。各試件鋼結(jié)構(gòu)段H型鋼翼緣應(yīng)變(圖10b)明顯高于結(jié)合段區(qū)域的鋼翼緣應(yīng)變。由圖10c可知,各試件鋼結(jié)構(gòu)段H型鋼腹板處應(yīng)變均未達(dá)到屈服應(yīng)變,處于彈性階段。各試件顯示的應(yīng)變-位移曲線平穩(wěn),這表明鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)置腹板或者加勁肋以及結(jié)合段是否后澆混凝土對鋼端頭腹板位置應(yīng)變的影響不大。綜合來看,H型鋼在結(jié)合段的應(yīng)變變化主要受節(jié)點(diǎn)設(shè)置腹板的影響,后澆混凝土則主要對鋼結(jié)構(gòu)段的H型鋼應(yīng)變產(chǎn)生影響。而H型鋼腹板的應(yīng)變變化受上述因素的影響相對有限。

a—結(jié)合段H型鋼翼緣; b—鋼結(jié)構(gòu)段H型鋼翼緣; c—鋼結(jié)構(gòu)段H型鋼腹板。

圖11為預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)橫隔板的應(yīng)變-位移曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)各個(gè)帶鋼端頭的裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)試件在循環(huán)荷載作用下,其應(yīng)變變化趨勢較為對稱。對比橫隔板邊緣及中部位置應(yīng)變情況,在加載初始階段,應(yīng)變基本呈線性增長,板邊緣處基本處于彈性狀態(tài)。隨著位移的增加,各試件橫隔板邊緣逐漸屈服。隨著位移荷載的進(jìn)一步增加,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)多裂縫延展開裂,核心區(qū)混凝土與預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)的協(xié)同變形使得橫隔板處應(yīng)變下降。試件ZJ-2由于設(shè)置了加勁肋板,使得其隔板處應(yīng)變值明顯低于其他兩個(gè)試件。這表明通過設(shè)置加勁肋板可以減少橫隔板的局部應(yīng)變。

a—邊緣; b—中部。

各試件連接板處的應(yīng)變-位移曲線如圖12所示?？梢钥闯?3個(gè)試件連接板處的主拉和主壓最大應(yīng)變均未達(dá)到屈服應(yīng)變(1 403×10-6),且曲線趨勢相似。由此表明在鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)置腹板、加勁肋和后澆混凝土對帶鋼端頭的裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接板處的應(yīng)變影響較小。采用帶腹板預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)的裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)試件ZJ-1鋼節(jié)點(diǎn)腹板處的應(yīng)變-位移曲線如圖13所示,ZJ-1鋼節(jié)點(diǎn)腹板處的主壓和主拉應(yīng)變都超過了屈服應(yīng)變(1 123×10-6),與試驗(yàn)觀察到的破壞模式相符。

a—主拉應(yīng)變; b—主壓應(yīng)變。

4 結(jié) 論

1)設(shè)置腹板的裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)顯示出最佳的抗彎能力、抗剪能力和變形能力。彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線最飽滿,強(qiáng)度退化最為緩慢,受力性能最優(yōu);設(shè)置加勁肋板對節(jié)點(diǎn)受力性能的影響不大。

2)通過對比裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn),設(shè)置腹板的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力最大,剪切破壞最嚴(yán)重;設(shè)置加勁板的節(jié)點(diǎn)剪力較小,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切破壞程度有所降低;未設(shè)置腹板和加勁板的節(jié)點(diǎn)剪力最小,節(jié)點(diǎn)剪切破壞程度相對較輕。

3)總體來看,帶鋼端頭裝配式高強(qiáng)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)可以較好地傳遞構(gòu)件間的內(nèi)力。帶鋼端頭的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)ZJ-1～ZJ-3均未發(fā)生梁端鋼端頭與混凝土之間結(jié)合處的破壞,鋼端頭與鋼筋混凝土梁之間的連接可靠,能夠很好地進(jìn)行協(xié)同工作。

4)預(yù)埋鋼節(jié)點(diǎn)各部分的應(yīng)變規(guī)律表明,隨著荷載的增加,橫隔板和腹板均充分發(fā)揮了作用,而連接板則未達(dá)到屈服應(yīng)變,說明鋼節(jié)點(diǎn)和核心區(qū)內(nèi)箍筋及混凝土可以有效共同受力,同時(shí)連接板彈性狀態(tài)可以避免連接區(qū)域出現(xiàn)較大變形。