预制预应力框架结构U形钢筋连接中间节点抗震性能研究

叶思伟

（南京大地建设集团有限责任公司 210029）

本文设计了三个中间层梁柱侧节点，根据键槽长度编号为JC40，JC45和JC50。通过准静态低周试验，研究了这些节点的延性，能耗，强度和破坏模式，探讨了不同键槽长度的预制预应力组合框架结构的抗震性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

测试要求。使测试件在很大程度上符合实际节点的应力状态。[1]节点试件取梁截面尺寸为250×450mm，柱截面尺寸为400mm×400mm，梁段长1500mm，柱长1850mm，整个试件的长度和高度控制在试验台的公差范围内。试验构件按照“强柱弱梁，强剪弱弯，强关节弱构件”的抗震设计理念进行设计。预制预应力集成整体框架系统的内力分析采用两阶段分析：施工阶段的相应设计公式类似于传统的预制结构，见预制预应力。组装整体框架结构系统的程序与使用阶段的现浇结构相同。

梁的上部纵向钢筋的直径d=18mm，将预制梁上部钢筋保护层厚度取定为50mm，键槽厚度根据预制构件厂生产线及现场实际施工，取定为40mm，预制梁底部受力钢筋选取用1860级预应力钢铰线，直径为12.7mm，根据预制构件生产模具的实际生产，该构件的底部保护层厚度是67mm，柱筋保护层厚度为25mm，除了键槽节点选择C45强度的混凝土，其他部分的混凝土强度全部统一为C40，梁柱主筋及梁中U形钢筋采用HRB400级，所有的箍筋部分选择HPB235级。为了保证试件完成后能够正常使用，首先对试件的尺寸进行测量，根据测量结果分析其适配的钢筋方案，在设计过程中还要考虑到自重情况，采用的计算公式为：

Pcr上=23.4kN，Pcr下=24.1kN

屈服荷载通过计算定为84.4kN。从数据上观测，柱的屈服荷载大于梁的开裂荷载，能够满足“强柱弱梁”的结构设计要求。此次试件在设计时采用沿梁段全长箍筋加密，柱箍筋全长加密。

1.2 材料性能

试件在南京大地建设新型建筑材料有限公司构件生产车间进行制作，为了保证试件的质量，制作试件的混凝土使用配合比都会由试验室进行多次试验确定后进行提供，在制作过程中工作人员必须严格保证配合比与试验室给出的数据保持一致。为了保证质量，需要所有批次混凝土都保留一组试块用作后续试验，试验室继续对留下的试块进行试验，确定其在一段时间的使用之后所表现出的状态。柱试件的材料力学性能见表 1～2。

表1 混凝土立方体抗压强度平均值及弹性模量

表2 钢筋屈服强度标准值及弹性模量

1.3 试验装置及加载制度

本试验试件加载在东南大学九龙湖校区土木交通实验楼的反力架上进行。柱上端设两个60t千斤顶，通过控制油泵上压力表的读数，对柱施加恒定的轴力模拟恒载，梁端上下分别设置两个30t千斤顶，对梁施加低周反复荷载，以模拟地震作用，梁端荷载可通过压力传感器量测。本试验采用准静态试验的方法进行。准静态测试方法以试件的载荷值或位移值作为控制量，并在正反两个方向重复加载和卸载试件[2]。由于其相对简单的设备和测试条件，它甚至可以使用普通静态测试中使用的加载设备进行准静态测试，准静态试验的加载过程可以手动控制，而且能够根据需要随时进行修正。在测试期间，可以测试暂停，以观察结构的开裂和损坏。当然，我们仍然应该尽可能注意加载速率的稳定性，并且在测试期间不要太快[3]。首先，柱顶部的两个千斤顶用于向试样施加恒定的轴向力，然后向梁的端部施加低循环反向载荷。

1.4 主要试验现象

这是第一个被测试的试样。施加第一阶段载荷后，试样处于弹性阶段，未发现裂纹。在施加二阶载荷的过程中，当载荷到达梁的根部时，在梁根部和圆柱表面的接合处，即键槽和圆柱表面的接合处，出现肉眼可见的微小裂纹。根据试验前的计算预测，它接近计算的开裂荷载，因此被指定为测量的开裂荷载。随着荷载的逐渐增加，裂缝的长度和宽度开始增加，相邻部分的垂直裂缝增加，但整个节点的核心区域没有出现破坏。在加载至3Δ第一个循环时，梁端键槽底部混凝土出现了少许的脱落。3Δ第二个循环后梁端上部出现了两条明显的交叉斜裂缝。当加载到4Δ第一个循环时，交叉裂缝扩展，键槽下表面出现了大块的混凝土剥落，并开始出现下降段。4Δ第二个循环时发现U形钢筋出现明显的滑移，梁端键槽处刚度急剧退化。5Δ第一个循环反向加载时的回载顶点已经达到破坏所规定的要求，梁端下表面混凝土大量剥落，梁上交叉斜裂缝严重，试验也于此阶段宣告结束。在整个试验过程中，柱子未出现任何破坏，混凝土完整。随后进行了JC50试件的试验，根据试验前的分析，该试件预期耗能能力最大。在第一级加载25kN经过一个循环，在梁与柱面交接处出现了一条微小裂缝。随着荷载的逐渐增加，裂缝的长度开始增长，邻近段的裂缝也逐渐增多，特别是梁根部的垂直裂缝开始不断增大并贯通。在3Δ第一个循环时，键槽处出现了上鼓现象，混凝土有小块剥落。随着荷载增加，键槽底部裂缝越来越宽，加载至4Δ第一个循环时荷载-位移曲线的下降段已经出现。当加载到5Δ第二个循环时，键槽上鼓现象非常明显，混凝土保护层压碎试件刚度退化明显，当加载到6Δ第一个循环时，回载顶点已大大小于极限荷载的85%，试验也宣告结束。

2 试验结果分析

滞回曲线：

滞回曲线是结构或构件在力循环作用下得到的力—变形曲线。它表示构件或结构的变形过程，也代表构件或结构在外荷载去除后恢复原来状态的能力，可以用于定性地比较和衡量结构构件的抗震性能[1]，因此，滞回曲线又被称为恢复力曲线。在梁端加载时，假设向下加载为正方向，向上加载为负方向。那么，向下加载→卸载→向上加载→又卸载称为一个荷载循环。由于试验中钢筋混凝土材料会出现当荷载大于一定值后，卸载时产生残余变形，即荷载为零，而变形不为零，这种非线性性质称之为“滞后”现象。这样经过一个拟静力荷载循环试验所得荷载一变形曲线P-Δ曲线就变成了一个环，这就是“滞回曲线”。循环次数越多，变形越大，承载力也越低，通过分析“滞回曲线”，是分析结构或构件地震反应的重要依据，可充分了解构件的刚度、强度、变形、能量吸收和构件的破坏等特性，一般可归纳为四种基本形态[2～3]：梭形，弓形，反S形和Z形。

梭形：大概有受弯、偏压、压弯构件等，似乎耗能能力较好。

弓形：反映了一定的滑移影响，有明显的“捏缩”效应。大概有剪跨比较大、剪力较小并配有一定箍筋的受剪构件。

反S形：反映了更多的滑移影响。大概有一般框架和有剪力撑的框架、梁柱节点和剪力墙等。

Z形：反映了大量的滑移影响。大概有小剪跨而斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件等。

3 结论

（1）从试验现象来看，预制预应力装配整体式框架结构体系节点在低周反复荷载作用下表现良好，破坏形式为梁端受弯破坏，柱子以及节点核心区没有出现破坏情况。

（2）试件的功比指数较大，试件有良好的耗能能力。节点延性系数都大于4，满足框架结构延性要求，说明试件在屈服后的非弹性变形能力较强，耗能能力良好，在强震作用下能达到延性破坏的目的。

（3）三个试件均未出现粘结破坏，U形钢筋滑移量不大，在大位移的弹塑性阶段仍能充分传递反复荷载下的拉力和推力，使节点满足较高的承载能力和耗能能力。U形钢筋的粘结应力最大起始于梁柱交接处，并向远端扩展。