140 地震工程与工程振动第 37 卷引言产品的流动性是建筑业的显著特点, 房屋的建造不可能像其他产品那样在工厂进行制造, 而且建筑不是采用单一或少量的建材就可以建成的, 并且需要不同的专业工人在同一现场进行工作, 而且工作环境比较恶劣, 这样就会导致劳动效率低下同时建筑业所需要机械都是一些大

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1 第 37 卷第 5 期 2017 年 10 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.37No.5 Oct.2017 文章编号 : (2017) DOI: /j.eeev yujb.016 新型预制装配框架梁柱节点低周反复荷载试验研究于建兵, 郭正兴 (1. 扬州大学建筑科学与工程学院, 江苏扬州 ;2. 东南大学土木工程学院, 江苏南京 ) 摘要 : 在凝练国内外已有的研究基础上, 创新性的提出了一种新型预制装配混凝土框架梁柱节点, 为了能够研究新型节点的抗震性能, 对 2 个预制装配混凝土框架梁柱节点及一个现浇节点进行低周反复荷载试验, 新型节点与现浇节点的不同点在于新型节点梁的受力钢筋采用预应力钢绞线进行了替代,2 个预制节点的不同点在于梁柱节点核心区处是否设置附加钢筋通过试验对 2 个预制节点以及现浇节点的极限承载力滞回曲线耗能层间位移刚度以及延性进行了测试分析, 试验发现预制试件的极限承载力优于现浇试件, 滞回环的面积与现浇构件滞回环面积基本相当, 说明预制节点的耗能能力及延性基本等价于现浇试件验证了新型节点可以应用于有抗震设防要求的地区关键词 : 梁柱节点 ; 低周反复 ; 滞回性能 ; 延性 ; 刚度退化 ; 层间位移角中图分类号 :TU375;P315.9 文献标志码 :A Experimentalstudyonnewprecastframeconnections underlowcyclicloading YUJianbing,GUOZhengxing (1.ColegeofCivilScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225127,China; 2.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Onthebasisoftheexistingdomesticandabroadresearch,innovativeproposedanewprecastconcrete framebeam columnconnection,inordertostudytheseismicperformanceofthenewconnection,twoprecastcon creteframebeam columnconnectionsandacastconnectionunderlowcyclicloadingtest.thediferencebetween thenewprecastconnectionsandcastinplaceconnectionwasthatthereinforcementofbeam adoptedprestresing strandreplaceofcommonreinforced.thediferenceliesinifthecoreareaoftwoprecastconnectionssetadditional reinforcement.throughexperimentsontwoprecastconnectionsandacastinplaceconnection,ultimatebearingca pacity,hysteresiscurve,energy,interlayerdisplacement,stifnesandductilityweretested,discoveredthatthe ultimatebearingcapacityofprecastspecimenssuperiorcastspecimen.hysteresisloopareaofprecastspecimensis roughlyequaltocastspecimen,ilustratethatenergydisipationcapacityandductilityofprecastspecimenssub stantialyequivalenttocastspecimens.verifythatthenewprecastcanbeappliedtotheseismicrequirementsre gion. Keywords:beam to columnconnection;lowcyclic;hysteresiscurve;ductility;stifnesdegradationcurve;inter layerdisplacementangle 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家重点研发计划 (2016YFC ) Supportedby:NationalKeyResearchandDevelopmentPlan(2016YFC ) 作者简介 : 于建兵 (1983-), 男, 讲师, 博士, 主要从事预制装配混凝土结构研究.E mail:jlyujianbing2008@163.com 通讯作者 : 郭正兴 (1956-), 男, 教授, 博士, 主要从事预制装配混凝土结构抗震研究.E mail:guozx195608@163.com

140 地震工程与工程振动第 37 卷引言产品的流动性是建筑业的显著特点, 房屋的建造不可能像其他产品那样在工厂进行制造, 而且建筑不是采用单一或少量的建材就可以建成的, 并且需要不同的专业工人在同一现场进行工作, 而且工作环境比较恶劣, 这样就会导致劳动效率低下同时建筑业所需要机械都是一些大型设备, 都需要运送到施工现场 [1-3] 在这样的背景下,

2 140 地震工程与工程振动第 37 卷引言产品的流动性是建筑业的显著特点, 房屋的建造不可能像其他产品那样在工厂进行制造, 而且建筑不是采用单一或少量的建材就可以建成的, 并且需要不同的专业工人在同一现场进行工作, 而且工作环境比较恶劣, 这样就会导致劳动效率低下同时建筑业所需要机械都是一些大型设备, 都需要运送到施工现场 [1-3] 在这样的背景下, 国内外很多学者对建筑工业化进行了大量的研究, 所谓建筑工业化, 就是要用大工业化的生产方式来建造工业和民用建筑, 就是将原来的现场手工操作逐渐过渡到工厂化生产的方式就是将建筑的主要构件在工厂采用先进的工艺, 集中进行大批量的生产, 然后运送到建筑施工现场进行机械化的施工安装 [4] 预制混凝土框架连接节点可分为节点区现浇混凝土湿连接和预制构件拼装的干连接, 湿连接要求达到或超过现浇混凝土连接的抗震性能, 干连接与现浇混凝土连接力学性能不同, 一般另行给出抗震规定常用的节点现浇混凝土湿连接有梁柱均预制和梁预制柱现浇的方式 ; 常用的节点干连接方式有预应力压接预埋钢板焊接和螺栓连接等方式 [5-9] 对以上几类节点, 国内外研究人员都进行了一些试验和理论研究 1 新型节点的结构形式及特点该节点可以避免节点整体的运输问题避免梁柱受力筋发生碰撞问题避免因为锚固长度不够钢筋滑移问题等新型节点的具体构造如下 : 预制预应力混凝土梁和预制柱, 预制梁底部受力钢筋采用 3 根直径为 12.7mm 代替普通钢筋 ; 梁端留有长度为 400mm 的键槽, 对键槽段的箍筋进行加密, 间距为 50mm; 键槽部分及伸入到对面键槽内的钢绞线为无预应力段, 由于钢绞线与混凝土之间的黏结性能较普通钢筋的弱, 对钢绞线端部作压花锚处理, 同时设置锚固端板, 增强钢绞线与混凝土之间的黏结性能 ; 为了能够实现梁端塑性铰转移, 在节点核心区设置两根直径为 18mm 的附加钢筋 ; 在梁柱拼装时, 可以利用钢绞线在键槽范围内自由弯曲, 由此可以避免梁柱节点受力筋的碰撞, 从而可以提高预制构件工厂的加工制作效率新型节点的构造见图 1 图 1 新型预制混凝土框架梁柱节点拼装 Fig.1 Thenewprecastconcretebeam to columnnodeasembly 2 试验概况 2.1 试件的设计本次试验主要对 2 个预制装配钢筋混凝土新型节点及一个现浇钢筋混凝土节点进行伪静力试验研究, 以全面了解该种新型节点的抗震性能, 分析新型节点核心区处设置附加钢筋及设置无粘结段对节点的受力性能的影响本次试验的所有试件都是按照强剪弱弯强节点弱构件的设计原则进行设计

3 第 5 期于建兵, 等 : 新型预制装配框架梁柱节点低周反复荷载试验研究 141 所有试件的的混凝土强度等级都为 C40, 现浇节点的受力钢筋采用 HRB335 级钢筋, 箍筋采用 HPB235 级钢筋, 预制试件柱的受力钢筋与现浇节点采用相同的钢筋, 梁中的受力钢筋采用直径为 12.7mm 的钢绞线进行替代, 梁中其他构造钢筋采用 HRB335 级钢筋, 箍筋采用 HPB235 级钢筋各试件的材性试验结果如表 1 与表 2 所示, 新型节点试件的尺寸及配筋详图见图 2 表 1 混凝土材料性能 Table1 Detailsofconcreteproperties. 混凝土设计强度 f 0 cu(mpa) E c (MPa) XJ C PC C 表 2 钢筋材料性能 Table2 Detailsofsteelbarandstrandproperties 钢筋等级 D(mm) F y (MPa) F u (MPa) E c ( 10 5 MPa) 延伸率 (%) HRB HRB HRB HRB HPB 钢绞线图 2 新型节点详图 Fig.2 Thedetailofnewconnection 2.2 加载装置及加载制度加载装置见图 3, 试验时采用柱顶放置的 320t 油压千斤顶将轴力加到预定值 ( 轴压比 0.2) 在节点左右两侧反对称各放置 1 个千斤顶, 通过油泵在梁端施加反对称荷载, 加载到位后, 观察试件裂缝开展情况, 然

142 地震工程与工程振动第 37 卷后卸载, 将千斤顶上下更换位置, 施加另一级荷载反复荷载加载程序采用力位移混合加载控制方法 [10], 在弹性阶段采用荷载进行控制加载, 且每次加载循环一次, 待试件进入屈服后, 采用位移控制加载, 每级位移荷载循环 3 次, 加载一直进行到荷载下降到极限荷载的 85%, 加载曲线见图 4 图 3 加载装置 Fig.

4 142 地震工程与工程振动第 37 卷后卸载, 将千斤顶上下更换位置, 施加另一级荷载反复荷载加载程序采用力位移混合加载控制方法 [10], 在弹性阶段采用荷载进行控制加载, 且每次加载循环一次, 待试件进入屈服后, 采用位移控制加载, 每级位移荷载循环 3 次, 加载一直进行到荷载下降到极限荷载的 85%, 加载曲线见图 4 图 3 加载装置 Fig.3 Loadingdevice 图 4 加载制度 Fig.4 Loadingsystem 3 试验结果分析 3.1 试验现象通过图 5 可以观察到,PC2 构件设置了附加钢筋, 梁端的塑性铰实现了外移,XJ PC1 试件, 在低周反复荷载作用下, 梁端的塑性铰发生在梁柱结合面处塑性铰向外转移可以增加构件的变形能力, 提高节点的抗震性能同时通过节点的破坏形态可以发现节点的变形主要是发生了梁的弯曲变形, 节点核心区只是出现了几道微小的交叉裂缝图 5 构件裂缝开展情况 Fig.5 Crackpropagationofspecimens 3.2 滞回曲线结构低周反复试验中, 受力试件在反复荷载的作用下力 - 变形曲线称为构件的滞回曲线 [12], 通过滞回曲线可以了解到结构的承载能力刚度和延性等力学性能, 能够较为全面的反映出结构的抗震性能试验时采用在梁端部架设位移计来进行记录梁的竖向荷载 (F)- 位移 (S) 滞回曲线, 试验节点的滞回曲线如图 6 由图 6 可见, 现浇节点的滞回曲线较为饱满, 但是新型预制节点向上加载与向下加载的滞回曲线差异显著, 差异的主要原因在于梁的底部采用预应力钢绞线代替了普通钢筋, 钢绞线的屈服点较高, 延性较差, 所以不利于梁的裂缝开展在加载初期的滞回曲线基本呈线性变化, 残余变形很小, 待加载到屈服荷载后, 构件残余变形加大, 滞回环面积开始变大 XJ 试件的滞回曲线呈梭形, 随着施加的位移加大, 构件的残余变形不断增加, 导致 XJ 的滞回曲线出现缩现象, 待加载到 4Δ 第 2 次循环时滞回曲线完全呈反 S 形预制构件的滞回曲线形状比较相似, 滞回曲线上半部分呈梭形, 下部分较上部分略有缩由于预制构件的受力筋采用

第 5 期于建兵, 等 : 新型预制装配框架梁柱节点低周反复荷载试验研究 143 钢绞线, 而钢绞线没有明显的屈服平台, 所以预制构件的滞回曲线下半部分没有明显的屈服台阶虽然构件 PC1 和 PC2 下部滞回曲线也有缩现象, 但是其承载力较高, 滞回环的面积与现浇构件基本相当可以说明新型节点的耗能能力与现浇构件的耗能能力基本相当同时可以看出预制节点 PC1

5 第 5 期于建兵, 等 : 新型预制装配框架梁柱节点低周反复荷载试验研究 143 钢绞线, 而钢绞线没有明显的屈服平台, 所以预制构件的滞回曲线下半部分没有明显的屈服台阶虽然构件 PC1 和 PC2 下部滞回曲线也有缩现象, 但是其承载力较高, 滞回环的面积与现浇构件基本相当可以说明新型节点的耗能能力与现浇构件的耗能能力基本相当同时可以看出预制节点 PC1 由于在节点核心区没有设置附加钢筋, 其总的变形能力较弱, 而设置附加钢筋的节点 PC2 变形能力较强总体变形能力与现浇节点的基本相当 3.3 刚度退化图 6 滞回曲线 Fig.6 Hysteresiscurve 刚度退化一般采用同级变形下的割线刚度来表示, 割线刚度 K i 为 K i = +P ji +u ji 式中,P ji 为第 j 次加载位移时, 第 i 次加载循环的峰值点荷载值 ;u ji 为第 j 次加载位移时, 第 i 次加载循环的峰值点位移值从图 7 可以看出,3 个试件都发生了较为明显的刚度退化,3 个试件的等效刚度曲线总体趋势一致, 在弹性阶段, 刚度下降较快, 待进入屈服阶段后, 刚度的下降趋于平缓均是在弹性阶段, 刚度退化较快, 进入屈服以后, 刚度退化随着位移的增加变小, 最终趋于平缓进入屈服阶段后, 普通钢筋屈服, 刚度下降较快, 从图中可以看出, 现浇节点刚度值在屈服阶段均小于预制节点, 说明预制梁端键槽段的箍筋加密以及钢绞线应力的增加对构件综合刚度贡献较大 [11-12] 3.4 层间变形分析 + -P ji + -u ji 图 7 刚度退化曲线 Fig.7 Stifnesdegradationcurve 层间位移角是层间的相对位移值与层高的比值, 其值的大小可以来判断结构的侧向变形能力, 对于梁柱节点来说, 如图 8 所示, 层间相对水平位移由以下位移组成 :(1) 由梁变形引起的柱顶位移 δ cb ;(2) 由柱的变形引起的位移 δ cc ;(3) 由节点核心区剪切变形引起的柱顶位移 δ cj ;(4) 由梁端对柱边的转动引起的柱顶位移 δ cr 在本次试验中主要做的是梁端的弯曲破坏以及节点核心区的剪切破坏, 所以柱的弹性变形很小, 在计算中可以忽略柱弹性变形引起的位移 δ cc 同时梁端对柱边转动引起的位移主要是由于钢筋滑移造成的, 而在本试验中只有到了极限荷载后, 才会产生滑移现象, 所以可以忽略梁端对柱边的转动引起的柱顶位移 δ cr 综上所述, 本试验中柱顶的层间位移的组成为 δ c =δ cb +δ cj [13] 抗震规范凝土框架结构在弹性阶段的位移角限值 [θ] e =1/550, 弹塑性阶段层间位移角限值 [θ] p = 1/50 通过表 3 可以看出, 本次试验中得到试件在弹性阶段的位移角值为 4.35[θ] e, 通裂阶段的位移角为 0.90[θ] p, 可以看出本次试验的节点可以较好的满足弹性阶段的变形要求, 但是达到弹塑性变形后, 新型预制节点的侧向变形能力较现浇节点稍差所以在抗震设计时需要考虑一个小于 1 的保守系数以确保结构的

6 144 地震工程与工程振动第 37 卷安全性表 3 试验节点的层间位移角 Table3 Interlayerdisplacementangleofexperimentalconnections 试件编号柱顶位移弹性阶段层间位移角柱顶位移弹塑性阶段层间位移角 XJ / /49 PC / /60 PC / /55 图 8 节点柱顶位移构成图 Fig.8 Displacementdiagramofconnectioncombinationcapitals 3.5 延性分析在抗震设计中, 延性是反映节点屈服后变形能力的重要指标, 通常用延性系数来表示延性系数包括曲率延性系数转角延性系数和位移延性系数本文采用位移延性系数来表征节点的延性 : Δ=Δ u /Δ y 式中,Δ u 为试件荷载 - 位移曲线下降段中对应 0.85F max 的位移值或者加载终止时的位移值,Δ y 为试件屈服位移表 4 试件位移延性系数 Table4 Ductilitycoeficientofalspecimens 构件编号屈服位移 Δ y (mm) 极限位移 Δ u (mm) 延性系数 Δ u /Δ y XJ PC PC 由表 4 可以看出 : (1) 由于预制节点 PC1 在节点核心区没有设置附加钢筋, 导致节点的总体变形能力较弱, 位移延性系数较现浇节点的小 (2) 预制节点 PC2 变形能力较强, 说明在节点核心区设置附加钢筋可以增强使梁端的塑性铰发生外移, 可以节点的变形能力 (3) 新型节点的位移延性系数与现浇节点的基本相当甚至超过了现浇节点的延性系数 4 结论 (1) 在轴压比为 0.2 的条件下, 对 2 个现浇柱预制梁的新型装配框架梁柱节点进行低周反复荷载试验试验中新型梁柱节点的主要破坏发生在梁端塑性铰区, 破坏也是以弯曲破坏为主, 柱以及节点区没有出现严重的破坏情况

7 第 5 期于建兵, 等 : 新型预制装配框架梁柱节点低周反复荷载试验研究 145 (2) 通过计算可以发现在弹性阶段, 由于对预制梁施加了预应力, 装配节点的变形能力能够满足弹性阶段的变形能力, 但是当进入弹塑性阶段后, 其变形能力略差于现浇节点 (3) 在弹性阶段, 新型节点的刚度较现浇节点刚度小, 说明预制节点存在新老混凝土的结合问题, 刚度较现浇节点的差 (4) 从 3 个试件的对比来看, 在预制构件节点核心区设置附加钢筋可以提高节点的极限承载能力, 使梁端塑性铰向外转移, 增强预制构件节点的变形能力同时按照现行混凝土结构设计规范和抗震设计规范对预制构件进行设计, 并在设计阶段认真贯彻好强柱弱梁强剪弱弯强节点弱构件等抗震设计原则的新型预制装配框混凝土架梁柱节点便完全能够达到相应的抗震要求 (5) 钢绞线端部采用压花锚并且采用锚固端板对其进行约束, 增强了钢绞线锚固性能, 减小了钢绞线的锚固长度参考文献 : [1] AlcocerSM,CaranzaR,Perez NavarateD.Seismictestsofbeamtocolumnconnectionsinaprecastconcreteframe[J].PCIJournal,2002,47 (3): [2] NigelPriestleyMJ,PreliminaryresultsandconclusionsfromthePRESSSfive storyprecastconcretetestbuilding[j].pcijournal (6), [3] KulkarniSA,LiBing,WoonKwongYip.Finiteelementanalysisofprecasthybrid steelconcreteconnectionsundercyclicloading[j].journalof ConstructionalSteelResearch,2008,64(2), [4] PriestleyM,TaoJ.Seismicresponseofprecastprestresedconcreteframeswithpartialydebondedtendons[J].PCIJournal,199338(1): [5] MorgenBG,KuramaYC.Seismicdesignoffriction dampedprecastconcreteframestructures[j].journalofstructuralengineering,2007,133 (11): [6] DogangünA.PerformanceofreinforcedconcretebuildingsduringtheMay1,2003Bing learthquakeinturkey[j].engineeringstructures,2004; 26(6): [7] 朱张峰, 郭正兴. 装配式短肢剪力墙低周反复荷载试验 [J]. 工程力学,2013,30(5): ZHUZhangfeng,GUOZhengxing.Low cyclicreversedloadtestonnewprecastconcreteshort legshearwal[j].engineeringmechanics,2013,30 (5): (inChinese) [8] 朱张峰, 郭正兴. 预制装配式剪力墙结构墙板节点抗震性能研究 [J]. 地震工程与工程振动,2011,31(1): ZHUZhangfeng,GUOZhengxing.Seismicperformanceresearchonwal slabjointsofnewprecastconcreteshearwalstructure[j].earthquakeen gineeringandengineeringdynamics,2011,31(1):35-40.(inchinese) [9] 蔡建国. 世构体系框架中节点抗震性能试验研究 [J]. 中南大学学报 : 自然科学版,2012,43(5): CAIJianguo.ExperimentalstudyonseismicbehaviorofmiddlejointsofSCOPEsystem[J].JournalofCentralSouthUniversity:ScienceandTech nology,2012,43(5): (inchinese) [10] JGJ101-96, 建筑抗震动试验方法规程 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,1997. JGJ101-96RegulationforSeismicTestMethodofBuilding[S].Beijing:ChinaIndustryPres,1997:9-15.(inChinese) [11] 柳炳康, 张瑜中, 晋哲锋, 等. 预压装配式预应力混凝土框架接合部抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构学报,2005,26(2): LIUBingkang,ZHANGYuzhong,JINZhefeng.etal.ExperimentalstudyonseismicbehaviorofprestresedfabricatedPCframeconnections [J].JournalofBuildingStructures,2005,26(2):60-65.(inChinese) [12] 吴涛, 刘伯权, 邢国华. 钢筋混凝土框架变梁异型节点抗震 [M]. 北京 : 科学出版社,2010. WUTao,LIUBoquan,XINGGuohua.Seismicbehaviorofreinforcedconcreteframejointwithdiferentdepthbeams[M].Beijing:SciencePres, 2010.(inChinese) [13] GB 建筑抗震设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010. GB CodeforSeismicDesignofBuildings[S].Beijing:ChinaIndustryPres,2010.(inChinese) [14] 于建兵, 郭正兴, 管东芝. 新型预制装配混凝土梁柱节点抗震性能研究 [J]. 湖南大学学报,2015,42(7): YUJianbing,GUOZhengxing,GUANDongzhi.Researchonseismicbehaviorofanewstyleprecastconcretebeamtocolumnconnection[J]. JournalofHunanUniversity,2015,42(7):42-47.(inChinese)

第期于建兵等钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点抗震试验研究预制混凝土结构的试验研究和震害调查表明只要预制构件的接合部位有可靠的连接预制混凝土结构就有良好的抗震性能随着国家不断出台激励政策鼓励发展预制装配建筑装配混凝土结构在房屋建筑中的应用成为了当前的研究热点市场上不断涌现出各种

第期于建兵等钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点抗震试验研究预制混凝土结构的试验研究和震害调查表明只要预制构件的接合部位有可靠的连接预制混凝土结构就有良好的抗震性能随着国家不断出台激励政策鼓励发展预制装配建筑装配混凝土结构在房屋建筑中的应用成为了当前的研究热点市场上不断涌现出各种第卷第期年月东南大学学报自然科学版!"$'$$ " " $( 钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点抗震试验研究于建兵郭正兴扬州大学建筑科学与工程学院扬州东南大学土木工程学院南京摘要为了系统研究钢绞线锚入式预制装配混凝土框架节点的抗震性能对个预制节点和个现浇节点的足尺比例试件进行了低周反复荷载试验研究探讨了预制装配节点的破坏形态滞回性能刚度退化以及耗能能力试验结果表明