装配整体式预应力框架节点抗震性能试验研究与工程应用

装配整体式预应力混凝土结构具有节能环保、施工效率高、构件质量易于控制、现场湿作业少等优点，在欧美、日本等国家和地区已经得到了广泛应用。现阶段我国正处于城镇化建设快速发展的重要时期，深入推进装配整体式预应力混凝土结构的研究和应用，对于推进我国建筑行业的可持续发展具有重大意义。


目前国外有关学者对装配整体式预应力混凝土结构抗震性能进行了大量研究工作，但相对而言，国内对装配整体式预应力混凝土结构研究较少。为进一步推动装配整体式预应力混凝土框架结构在我国抗震地区的应用，北京市建筑工程研究院有限责任公司在住房和城乡建设部科技计划项目和北京市科技计划项目的资助下，开展了一系列装配整体式混凝土框架节点及框架整体抗震性能试验。针对装配整体式预应力混凝土框架节点的抗震性能，本文开展了2类装配整体式预应力混凝土框架节点足尺模型的低周反复加载试验，以分析其破坏形态、滞回特性、耗能能力和延性等抗震性能。



1 节点抗震性能试验


1.1 节点选取

根据所处的位置不同，平面装配整体式预应力混凝土框架节点可以分为以下2种基本类型：中间层边节点，如图1中（A）；中间层中节点，如图1中（B）。通常，我们选取这2类具有代表性的节点进行研究，该节点形式不仅便于试验加载，而且可较好的反映整个框架的抗震性能。结合框架结构在水平荷载下节点的弯矩分布情况（如图2所示），本文试验选取装配整体式预应力混凝土框架边节点和中节点作为研究对象。在水平荷载下装配整体式预应力混凝土框架结构的反弯点位置取1/2梁跨和1/2柱高，因此，节点试件两侧梁、柱的长度可取1/2梁跨和1/2柱高。









1.2 试验设计

本文装配式试验节点试件为2个，分别为装配整体式预应力混凝土框架中节点和边节点试件。2个节点试件的混凝土强度均为C50，梁、柱主筋以及箍筋均选用HRB400级。节点构件规格如表1所示，中节点和边节点试件具体设计尺寸见图3。其中，图3（a）为装配整体式预应力混凝土中节点，图3（b）为装配整体式预应力混凝土边节点。









1.3 节点制作

装配整体式预应力混凝土节点试件施工顺序：

（1）浇筑预制梁、柱及板构件。

（2）预制下柱就位，调竖直，架设支撑，预制梁就位，并调水平对中，放置预制板支撑，预制板拼接。

（3）节点区连接，焊接梁底的竖向钢筋，绑扎节点核心区箍筋，放置金属波纹管，穿预应力钢绞线、绑扎梁顶纵向钢筋、绑扎叠合板内分布钢筋。

（4）节点核心区和梁板叠合层混凝土浇筑。

（5）吊装预制上柱，并用高强灌浆料对预留钢筋套筒进行灌浆。

（6）张拉预应力筋，用素混凝土浆进行锚具封浆，待素混凝土凝结硬化后，通过预留灌浆孔灌浆。整个过程如图4所示。









1.4 加载方案

节点试验采用柱端加载方案，在同济大学建筑结构试验室10000kN多功能试验机上进行，该试验机在加载时可实现竖向荷载对柱端侧移的自动跟踪以考虑P-△效应的影响。加载时，首先用10000kN的液压千斤顶施加竖向荷载，加至预定试验轴压比后，再在上柱施加水平低周反复荷载，在施加竖向荷载过程中保持梁端处于自由状态以避免柱身变短在梁内产生附加弯矩，图5为各节点加载示意图。水平加载按照荷载位移混合控制的加载方法进行，在试验过程中保持柱顶轴向力的大小不变。试件开裂前以荷载控制进行加载，开裂后以层间侧移nH/200进行控制加载，每级荷载下循环3次。






2 试验结果与分


2.1 破坏形态

试验过程中记录节点破坏过程，节点破坏过程都经历了开裂阶段-屈服阶段-极限阶段-破坏阶段，PC-1的破坏过程现象如图6所示，PC-2的破坏过程现象如图7所示。








（1）开裂阶段：加载前期，试件无明显现象，混凝土与钢筋应变均呈弹性增长。继续加载，核心区板顶出现第一条裂缝。

（2）屈服阶段：正反向反复加载时，梁底出现大量弯曲裂缝，预制板与预制梁接缝处产生剪切斜裂缝。梁底、板顶、板底新裂缝不断出现，已有裂缝不断延伸。最后节点核心区顶、预制板底部、核心区靠近梁侧边缘出现八字形裂缝。

（3）极限阶段：梁底和板顶裂缝大量延伸。核心区附近梁底混凝土被压碎，核心区两侧梁底距柱边50mm处，各出现一条宽裂缝。

（4）破坏阶段：梁底弯曲裂缝与板顶弯曲裂缝贯通，梁顶斜裂缝延伸至梁底。核心区附近梁底混凝土被大量压碎并剥落，梁纵筋、箍筋均完全外露，梁腰筋外露，梁底纵筋压屈。节点核心区附近的预制板与叠合层分离。整个试验过程中，柱没有出现弯曲裂缝和剪切裂缝，节点核心区八字形裂缝延伸至梁侧处，核心区箍筋始终处于弹性状态。试验结束，试件的最终破坏形态表现为梁端受弯破坏。试验中，梁箍筋限制了梁纵筋的受压弯曲。


2.2 荷载—位移滞回曲线

结构的滞回曲线是指结构在低周反复荷载作用下，作用在结构上的荷载与位移之间的关系曲线，是结构抗震性能的综合体现。节点试验的各个阶段特征荷载和位移见表2。图8（a）为PC-1中节点的荷载-柱顶位移滞回曲线；图8（b）为PC-2边节点的荷载-柱顶位移滞回曲线。由图8可知：

（1）在加载前期，试件的处于弹性阶段，滞回曲线呈现线性；在加载中期，滞回环均呈梭形，滞回环较为饱满；在加载后期，由于核心区混凝土和梁端混凝土的开裂，呈现出一定程度的捏拢现象。

（2）装配式中节点的滞回曲线与边节点滞回曲线基本相似。边节点由于板对梁负弯矩承载力的影响，两个方向的承载能力相差较大。

（3）在往复荷载作用下，试件侧移时预应力钢绞线提供了弹性恢复力，一定程度上限制了裂缝的发展，同时减少了残余变形，从而提高了节点的承载力。








2.3 耗能能力

装配式预应力混凝土框架节点在各级位移下的耗能见图9，由图9可知：

（1）随着柱端位移的增加，各试件的耗能能力都不断增加，进入弹塑性阶段后，虽然试件的损伤不断累积，所承受的荷载值增长非常缓慢甚至出现下降，但柱端侧移增加还是会显著提高试件的耗能能力。

（2）在相同位移量的各加载循环中，试件的正向耗能值一般小于反向耗能值，这主要是由于正向荷载时，新裂缝发展，耗能相对较小，而反向加载时，新裂缝充分发展，耗能相对较大。

（3）中节点的耗能能力比边节点耗能能力强，主要因为中节点有两侧梁的边界约束作用比边节点的单侧梁的边界约束作用强。



3 工程应用

本文相关研究成果目前已在装配式预应力混凝土框剪结构示范工程中进行了应用，该项目地下1层地上8层，图10为首层平面图。梁、柱、叠合板及外挂板等预制构件在构件厂制作完成后，通过现场拼装完成结构施工。其中预制柱纵筋采用大直径灌浆套筒连接，预制梁采用后张有粘结预应力连接成整体，见图11，梁柱节点核心区及梁板叠合层采用后浇混凝土浇筑完成。









结语

装配式预应力混凝土框架节点低周反复加载试验表明：

（1）2类装配式混凝土框架节点试件均为梁端受弯破坏，满足了强柱弱梁、强节点弱构件的抗震设计要求。

（2）2类装配式混凝土框架节点的滞回特性、耗能能力等抗震性能良好。

（3）此类装配式预应力框架节点已在示范工程中得到应用，并显示出良好的设计性能，可在抗震地区进行推广应用。