基于振動臺試驗的預(yù)制再生混凝土框架后澆邊節(jié)點分析

　　0 引 言

　　預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)是一種目前常用的建筑結(jié)構(gòu)體系，其與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中柱、梁、板的連接方式^[1]。而結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接處的節(jié)點是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，也一直是抗震研究的重點。震害調(diào)查表明，預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞主要表現(xiàn)為因各構(gòu)件間的連接破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體離散、倒塌，因此預(yù)制結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接顯得更為重要。隨著灌漿套筒等連接方式在日本和歐美等國長期、大量的實踐，預(yù)制結(jié)構(gòu)逐漸普及，各國學(xué)者對后澆整體式節(jié)點連接方式的研究開始有所涉及^[24]。這些試驗結(jié)果表明，后澆整體式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點相比具有相同或相近的抗震性能。

　　由于預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量的可控性，再生混凝土與預(yù)制施工相結(jié)合，不僅可以提高再生混凝土構(gòu)件的質(zhì)量，而且也符合當(dāng)今綠色建筑的發(fā)展趨勢。近幾年來，不少學(xué)者對再生混凝土框架節(jié)點做了一些低周反復(fù)荷載試驗^[58]，表明雖然再生混凝土節(jié)點的抗震性能略低于普通混凝土，但再生混凝土節(jié)點的抗震性能仍滿足相應(yīng)抗震設(shè)防要求。這類低周反復(fù)荷載試驗一般均在節(jié)點柱上施加恒定軸力，對節(jié)點梁端施加豎向反復(fù)荷載以模擬地震作用下的梁剪力。雖然這類方法可以對節(jié)點的抗震性能進(jìn)行研究，但并不能真實地反映在地震作用下節(jié)點區(qū)的受力特點和破壞情況。因此，為加深對再生混凝土框架節(jié)點的研究，本文中筆者基于采用后澆整體式節(jié)點連接方式的6層預(yù)制再生混凝土框架的振動臺試驗，研究邊節(jié)點的破壞特點和抗震性能，為預(yù)制再生混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供試驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

　　1 振動臺試驗概況

　　1.1 相似關(guān)系

　　為體現(xiàn)不同樓層的后澆節(jié)點性能的差別，框架設(shè)計為6層，為最大限度地利用振動臺面，預(yù)制再生混凝土框架模型幾何相似比取1/4，加速度相似比取1.848，同時材料使用再生混凝土，彈性模量相似比為1.0?；贐ukingham π定理，模型設(shè)計所需的其他相似關(guān)系可由幾何、加速度、彈性模量3個相似比求出[9]。該模型為欠質(zhì)量人工質(zhì)量模型。

　　1.2 模型材料

　　試驗時，為了最大程度體現(xiàn)節(jié)點在整體結(jié)構(gòu)的受力和破壞特點，模型后澆節(jié)點和預(yù)制構(gòu)件采用相同的配合比。水泥選用海螺牌普通硅酸鹽水泥P.O42.5，細(xì)骨料選用河砂，再生粗骨料粒徑為5～10 mm。配合比設(shè)計[10]時，采用再生骨料取代率為100%的再生混凝土，混凝土強度等級為C30，坍落度范圍控制在180～200 mm。水、水泥、砂、再生粗骨料的混凝土配合比為1∶1.859∶3.202∶4.554。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）^[11]，采用鍍鋅鐵絲模擬鋼筋。模型中縱向鋼筋采用8#和10#鍍鋅鐵絲模擬，箍筋采用14#鍍鋅鐵絲模擬。

　　1.3 節(jié)點設(shè)計及模型制作

　　試驗?zāi)Ｐ蜑?跨2開間6層的框架結(jié)構(gòu)，平面和立面布置規(guī)則。模型集中了中節(jié)點和邊節(jié)點2種后澆節(jié)點形式。結(jié)構(gòu)按“強柱弱梁”的原則進(jìn)行設(shè)計，模型的配筋和構(gòu)造要求按設(shè)防烈度為8度、設(shè)計地震分組為第2組、建筑場地為Ⅱ類場地的地震區(qū)進(jìn)行設(shè)計^[12]。根據(jù)相似關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)的總高度為4 500 mm。

　　《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（送審稿）中規(guī)定預(yù)制柱的縱向鋼筋可采用套筒灌漿、漿錨搭接、焊接等連接方式。試驗中，框架梁設(shè)計為預(yù)制疊合梁，梁頂鋼筋現(xiàn)場綁扎；所有后澆節(jié)點的連接形式采取柱柱榫式連接，上下柱鋼筋采用焊接連接。結(jié)構(gòu)施工順序為：分批預(yù)制梁和柱，并預(yù)留焊接和錨固鋼筋；下柱上擱置預(yù)制梁，綁扎梁頂鋼筋，吊裝上柱，保證其垂直度，焊接上下柱鋼筋；綁扎樓板鋼筋，澆筑節(jié)點區(qū)及板混凝土。

　　1.4 試驗方案

　　為了模擬多種場地條件，振動臺所輸入的地震波選用汶川地震波（WCW）、El Centro波（ELW）和上海人工波（SHW），試驗共分為35個試驗工況。依次對模型進(jìn)行了8個地震水準(zhǔn)的激勵，分別為0.066g（7度多遇）、0.130g（8度多遇）、0.185g（7度基本）、0.264g（9度多遇）、0.370g（8度基本）、0.415g（7度罕遇）、0.550g（8度罕遇弱）和0.750g（8度罕遇），其中，g為重力加速度。試驗中，按相似關(guān)系調(diào)整加速度峰值和時間間隔。在每個試驗階段，從臺面輸入地震波的順序依次為WCW，ELW，SHW。模型的主震方向為x方向，地震波為單向輸入。

　　模型的1～6層邊節(jié)點在2個方向均布置了加速度傳感器和拉線式位移傳感器，測試模型在節(jié)點處的加速度和位移變化。

　　2 試驗過程及現(xiàn)象

　　在整個試驗過程中，模型1，2層節(jié)點破壞最為嚴(yán)重，3層部分節(jié)點產(chǎn)生裂縫，且裂縫多集中在梁端，模型4～6層節(jié)點并未看出明顯破壞現(xiàn)象。在地震荷載作用下，再生混凝土后澆節(jié)點的破壞與普通混凝土后澆節(jié)點十分類似^[13]，經(jīng)歷了初裂、通裂、極限和破壞4個階段。

　　由于邊節(jié)點和中節(jié)點處梁提供的約束作用機理不同，故二者破壞過程和破壞形態(tài)有一定的差別。在第8個工況SHW后，1層部分邊節(jié)點的梁端出現(xiàn)了很細(xì)小的裂縫。此后，裂縫均主要出現(xiàn)在梁端，裂縫逐漸發(fā)展形成通縫，寬度增加，后澆節(jié)點與柱結(jié)合面并未產(chǎn)生明顯的裂縫。9度多遇地震后，2層的邊節(jié)點梁端開始產(chǎn)生裂縫，且裂縫較為明顯。經(jīng)歷更加強烈的地震烈度后，1層和2層的邊節(jié)點開始出現(xiàn)斜裂縫，且邊節(jié)點核心區(qū)斜裂縫多集中在無梁一側(cè)。在8度罕遇地震后，部分邊節(jié)點與下柱結(jié)合面處產(chǎn)生較為明顯的水平裂縫，節(jié)點處的斜裂縫繼續(xù)發(fā)展，并逐漸貫通，2層邊節(jié)點甚至出現(xiàn)了保護(hù)層脫落的現(xiàn)象。

　　從試驗過程可以看出，在試驗的后期，遭遇強烈地震時，模型底部混凝土后澆節(jié)點剛度迅速退化，呈現(xiàn)半剛接狀態(tài)，裂縫發(fā)展較快，部分后澆邊節(jié)點與下柱結(jié)合面產(chǎn)生很寬的水平裂縫。但同時需要指出的是，受力較小的后澆節(jié)點與上柱的結(jié)合面處，并未產(chǎn)生任何水平裂縫。

　　3 試驗結(jié)果

　　3.1 節(jié)點水平剪力與反彎點相對位移

　　振動臺試驗中加速度傳感器布置在1～6層邊節(jié)點處，將模型的6層邊柱簡化為層間剪切模型，等效質(zhì)量集中在每層節(jié)點處。

　　節(jié)點區(qū)上下柱端剪力反映了節(jié)點所受水平剪力的大小，柱剪力在數(shù)值上等于該柱以上各質(zhì)點地震力的疊加。

　　各邊節(jié)點所受柱端水平剪力沿樓層高度方向呈現(xiàn)遞減趨勢，在2個方向剪力從大到小依次為1層、2層、3層、4層、5層、6層；在整個試驗過程中，4～6層節(jié)點的柱端剪力始終很小，這與試驗結(jié)束后結(jié)構(gòu)的4～6層節(jié)點并未產(chǎn)生裂縫是吻合的，4～6層邊節(jié)點并未達(dá)到承載力極限狀態(tài)。

　　在彈性階段，隨著地震強度的增加，各樓層邊節(jié)點之間所受柱端水平剪力逐漸增加；當(dāng)邊節(jié)點達(dá)到承載力極限狀態(tài)后，其剛度退化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度下降，這時隨著地震強度的增加，邊節(jié)點所受柱端水平剪力反而隨之下降。這與試驗后期觀察到的部分邊節(jié)點出現(xiàn)塑性鉸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度下降的宏觀現(xiàn)象也是吻合的。

　　通過布置在節(jié)點處的拉線式位移傳感器，可以測得在各工況地震作用下各樓層邊節(jié)點上下柱反彎點之間的相對位移Δi（t）節(jié)點上下柱反彎點之間的相對位移能夠在一定程度上反映出節(jié)點的破壞情況。表3中給出了各試驗工況下各節(jié)點上下柱反彎點的最大相對位移。

　　隨著地震強度的不斷增大，模型各節(jié)點上下柱反彎點的相對位移也隨之增大；在整個試驗過程中，1層和2層節(jié)點的上下柱反彎點相對位移最大，其余各層相對位移從大到小依次為3層、4層、5層、6層。在試驗后期，模型1層和2層節(jié)點的柱反彎點相對位移的增長幅度大于3～6層節(jié)點的增長幅度，這是因為在試驗后期高強度地震作用下，模型的1層和2層邊節(jié)點破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致節(jié)點剛度退化較快的結(jié)果。采用后澆節(jié)點的預(yù)制再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的樓層位移變化情況與現(xiàn)澆再生混凝土框架結(jié)構(gòu)十分類似，但試驗后期層間位移明顯偏大^[14]，這是因為后澆節(jié)點在彈塑性階段破壞更為嚴(yán)重導(dǎo)致的。

　　3.2 滯回曲線

　　滯回曲線反映了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出的變形特性，又稱變形恢復(fù)力曲線，是結(jié)構(gòu)試件抗震綜合性能的體現(xiàn)。根據(jù)框架模型邊節(jié)點的水平剪力和對應(yīng)的上下柱反彎點相對位移，可以得到不同樓層邊節(jié)點在地震試驗中的荷載位移曲線，即滯回曲線。在試驗前期，滯回曲線基本上為直線循環(huán)，表明此時邊節(jié)點處于彈性工作狀態(tài)；進(jìn)入彈塑性階段后，節(jié)點產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)殘余變形，滯回曲線面積增大，并逐漸彎曲，向位移軸靠攏，且有“捏縮”效應(yīng)，形狀由原來的梭形向反S形轉(zhuǎn)化。隨著地震強度的增大，邊節(jié)點的剛度、強度和耗能能力隨之退化，滯回環(huán)“捏縮”效應(yīng)更加明顯。

　　l4～6層邊節(jié)點破壞程度較輕或基本沒有破壞，節(jié)點剛度退化較小，滯回曲線基本上仍為直線。1層邊節(jié)點滯回曲線在后期強震作用下向位移軸靠攏更為明顯，滯回環(huán)面積最大，“捏縮”效應(yīng)明顯，2層次之；表明模型1層和2層邊節(jié)點是結(jié)構(gòu)受力最大和破壞最為嚴(yán)重的節(jié)點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)尤為注意。

　　3.3 骨架曲線和延性

　　模型1層和2層節(jié)點上下反彎點相對位移較大，相應(yīng)的破壞較為嚴(yán)重，3～5層節(jié)點相對位移較小，其相應(yīng)的破壞程度也較小。各樓層邊節(jié)點的初始剛度基本一致，骨架曲線呈現(xiàn)為一條直線，說明此時邊節(jié)點處于彈性階段；隨著地震作用造成結(jié)構(gòu)的累積損傷，各樓層的邊節(jié)點剛度發(fā)生退化，1層和2層邊節(jié)點剛度退化較快，骨架曲線出現(xiàn)了下降段，表明模型的1層和2層邊節(jié)點已經(jīng)進(jìn)入破壞階段，而3～5層邊節(jié)點雖然有所損傷，但骨架曲線卻沒有進(jìn)入下降段，邊節(jié)點并未達(dá)到承載力極限狀態(tài)，這與前面的分析是一致的。

　　延性系數(shù)反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的非線性變形能力，是評價結(jié)構(gòu)、構(gòu)件抗震性能的一個重要因素。本文中采用上下柱反彎點相對位移延性系數(shù)來反映邊節(jié)點塑性變形能力。延性計算一般使用極限位移Δu與屈服位移Δy來計算，即延性系數(shù)μ=Δu/Δy。由于振動臺試驗無法通過試驗儀器及時獲得柱剪力，試驗并未采集到骨架曲線上1層和2層邊節(jié)點柱端剪力下降到85%時的試驗數(shù)據(jù)，因此本文中的延性系數(shù)μm的計算采用節(jié)點達(dá)到最大承載力時對應(yīng)的上下柱反彎點相對位移Δm和屈服時所對應(yīng)的位移Δy來計算，即μm=Δm/Δy，其中，屈服時所對應(yīng)的位移Δy采用通用屈服彎矩法^[15]計算。模型1層和2層邊節(jié)點2個方向的延性系數(shù)的具體數(shù)值如表4所示。

　　1層和2層邊節(jié)點柱端延性系數(shù)較為接近，2層略好于1層。同時與普通混凝土后澆節(jié)點的相關(guān)研究進(jìn)行對比^[16]，可以看出，再生混凝土應(yīng)用于后澆節(jié)點，其抗震性能與普通混凝土后澆節(jié)點相近。

　　3.4 剛度退化

　　在地震作用下，邊節(jié)點的剛度會不斷退化，由柱剪力和柱端相對位移可以計算出邊節(jié)點的折算剛度，即用各工況下的2個方向上剪力絕對值之和除以位移絕對值之和。各樓層邊節(jié)點剛度退化趨勢較為接近，且邊節(jié)點剛度在試驗初期下降很快，當(dāng)邊節(jié)點出現(xiàn)裂縫時，節(jié)點剛度已經(jīng)很小，在彈塑性階段，邊節(jié)點剛度隨位移的增大而緩慢減小。對比1～5層邊節(jié)點剛度退化曲線，1層和2層邊節(jié)點剛度退化相對較大，這與在整個試驗過程中，下部2層的邊節(jié)點破壞程度也相對較大的宏觀現(xiàn)象是一致的。

　　4 邊節(jié)點計算分析

　　3～6層邊節(jié)點并未達(dá)到抗剪承載力極限狀態(tài)。采用現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中節(jié)點抗剪承載力的計算公式，直接計算再生骨料取代率為100%的再生混凝土后澆節(jié)點的抗剪承載力偏于不安全，需要引入再生混凝土界面影響系數(shù)η1=0.9，再生混凝土后澆節(jié)點的構(gòu)造仍需要加強。

　　參閱相關(guān)文獻(xiàn)^[3]，[4]，為改進(jìn)和提高后澆再生混凝土節(jié)點的抗剪承載力，可以對疊合面進(jìn)行鑿毛處理，在預(yù)制梁、柱端頭設(shè)置剪力鍵，增強節(jié)點區(qū)后澆混凝土與預(yù)制梁、柱之間的剪力傳遞，避免新舊混凝土界面處發(fā)生受界面影響的開裂或破壞。此外，還可以在預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)后澆節(jié)點區(qū)域采用鋼纖維混凝土，不僅可以減少節(jié)點核心區(qū)箍筋用量，方便現(xiàn)場施工，還可以提高節(jié)點的開裂強度和節(jié)點開裂階段的延性和耗能能力，減小節(jié)點核心區(qū)的剪切變形。

　　5 結(jié) 語

　?。?）從試驗結(jié)果可以看出，在試驗的后期，遭遇強烈地震時，模型1層和2層邊節(jié)點破壞最為嚴(yán)重，后澆混凝土邊節(jié)點剛度退化迅速，呈現(xiàn)半剛接狀態(tài)。在地震作用下，后澆再生混凝土邊節(jié)點的破壞與普通混凝土邊節(jié)點破壞十分類似，經(jīng)歷了初裂、通裂、極限和破壞4個階段。值得注意的是，部分后澆邊節(jié)點與下柱結(jié)合面會產(chǎn)生很寬的水平裂縫，建議工程實際中，對新舊混凝土結(jié)合面做打毛處理，或在預(yù)制梁柱端頭設(shè)置剪力鍵，避免新舊混凝土界面處發(fā)生受界面影響的開裂或破壞。

　?。?）各邊節(jié)點所受柱水平剪力沿樓層高度方向呈現(xiàn)遞減趨勢；在彈性階段，隨著地震強度的增加，各節(jié)點所受水平剪力逐漸增加，當(dāng)邊節(jié)點達(dá)到承載力極限狀態(tài)后，隨著地震強度的增加，水平剪力反而隨之下降。隨著地震強度的不斷增大，模型各節(jié)點的上下柱端反彎點相對位移也隨之增大；在整個試驗過程中，1層和2層節(jié)點的上下柱反彎點相對位移最大。

　　（3）在試驗前期，邊節(jié)點滯回曲線基本上為直線循環(huán)，此時邊節(jié)點處于彈性工作狀態(tài)；進(jìn)入彈塑性階段后，滯回曲線面積增大，并逐漸彎曲，向位移軸靠攏，且有“捏縮”效應(yīng)，形狀由原來的梭形向反S形轉(zhuǎn)化。隨著地震強度的增大，滯回環(huán)“捏縮”效應(yīng)更加明顯。1層和2層節(jié)點是結(jié)構(gòu)受力最大和破壞最為嚴(yán)重的節(jié)點。

　?。?）各樓層的初始邊節(jié)點剛度基本一致，骨架曲線呈現(xiàn)為一條直線；隨著地震作用造成結(jié)構(gòu)的累積損傷，各樓層的邊節(jié)點剛度發(fā)生退化，1層和2層邊節(jié)點剛度退化相對較大，骨架曲線出現(xiàn)了下降段，而3～5層邊節(jié)點雖然有所損傷，但并未達(dá)到承載力極限狀態(tài)，骨架曲線仍未進(jìn)入下降段。再生混凝土后澆節(jié)點延性和普通混凝土后澆節(jié)點的抗震性能相接近。

　?。?）各層邊節(jié)點剛度退化趨勢較為接近，且節(jié)點剛度在試驗初期下降很快，當(dāng)節(jié)點出現(xiàn)裂縫時，節(jié)點剛度已經(jīng)很小，在彈塑性階段，邊節(jié)點剛度隨位移的增大而緩慢減小，1層和2層邊節(jié)點剛度退化相對較大。

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