预制混凝土梁柱节点试验及框架受力性能分析

预制混凝土梁柱节点试验及框架受力性能分析

陈琳琳

中南建筑设计院股份有限公司 湖北武汉 430070

摘要：预制装配式结构作为一种新型建筑结构体系,得到了国家的大力支持和发展,并且符合建筑工业化的生产要求。我国目前在预制装配技术的研究和生产方面相对落后,因此需对预制装配式混凝土结构体系进行创新,深入地开展理论分析和试验研究,使预制装配式结构在我国得到快速发展和大面积的应用。本文主要对预制混凝土梁柱节点进行试验并对框架受力性能进行探讨，以供相关技术人员参考。

关键词：预制装配式混凝土；结构体系；框架受力性能

引言：预制装配式钢筋混凝土梁柱节点的构造受到多个因素的影响。建筑材料方面,混凝土结构和钢结构在目前的工程建设中使用最为普遍，混凝土结构的耐久性、稳定性使其在工程应用方面具备很大的优势。目前混凝土结构大部分采用现浇式，即在现场浇筑，并且一旦施工完成后,梁柱构件不易拆换，为日后可能需要进行的结构改造和抗震修复工作带来困难，“干式连接”和“预应力连接”为预制装配式结构的研究推广提供了新的思路。

一、试验节点滞回性能分析

1.1耗能能力

预制混凝土梁柱结构在受到地震作用时，会持续地吸收地震能量,将其传递给结构的构件和装置，并通过结构自身某些预设部位的变形、破坏等形式消耗结构内的地震能量，从而避免其他构件和装置产生较严重的损坏，达到降低经济损失和保护人员安全的目的。通常来说，在分析研究时，主要通过计算试验的滞回曲线所包围的区域面积大小来评价结构的耗能能力。滞回曲线的外轮廓线越饱满、包围面积越大,表明结构所消耗的能量也就越多。节点的耗能能力是结构抗震性能分析所需要参考的重要性指标，因为在低周往复荷载作用下，试件的承载力以及刚度退化会对滞回曲线所包围的面积产生一定的影响，结构抗震耗能能力通常可以用能量耗散系数、粘滞阻尼系数等表示，滞回曲线的饱满程度可以用等效粘滞阻尼系数进行表示，同条件下试件的耗能能力随等效粘滞阻尼系数的增大而增大。

本次试验选取的加载方式为柱顶水平加载，通过计算柱顶加载点处的能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数，进而分析节点试件在试验过程中的耗能能力。通过相关研究可以发现：

（1）4个核心区剪切破坏试件的等效粘滞阻尼系数he的范围为0.125-0.155，平均值是0.138,说明预制预应力钢-混凝土梁柱套接节点具备良好的耗能能力。而试件ZJ-2、试件ZJ-3的等效粘滞系数he分别比试件ZJ-1下降了8.76%和2.19%，说明轴压比和预应力的增加会影响新型装配式节点的耗能能力，并且轴压比的影响相对较大。试件ZJ-4的等效粘滞系数he比试件ZJ-1提高了13.13%，表明增加节点核心区箍筋配筋率，可以增强节点的耗能能力，主要是由于节点核心区的水平箍筋抑制了混凝土斜裂缝的出现和开展，降低了预制预应力钢-混凝土梁柱套接节点破坏的发展速率；

（2）试件ZJ-5的破坏形态为梁端弯曲破坏，其滞回曲线饱满，等效粘滞阻尼系数he为0.229,较相同配筋下的现浇节点XJ-6提高了29.38%，并且与核心区剪切破坏试件的等效粘滞阻尼系数相比，前者显著大于后者，体现了梁端塑性铰的产生会使节点具有较好的耗能能力。因此，要遵循“强柱弱梁"的设计理念，对钢筋混凝土框架进行合理的结构抗震设计，从而使结构梁端先于节点核心区产生破坏。通过研究可以发现:

1、4个核心区剪切破坏试件的能量耗散系数曲线的发展趋势相似，在试验的初期，4个试件均保持线弹性工作状态，耗散系数数值差别不大。轴压比的增大对于节点耗能的影响最大,试件ZJ-2的耗散系数明显低于试件ZJ-1,试件ZJ-3有效预应力的增加对节点耗能有轻微削弱，而试件ZJ-4核心区箍筋配筋率的增大则使节点耗能有一定幅度的提高，明显增大了试件滞回曲线的饱满程度。由于是核心区剪切破坏，抗剪试件与抗震试件的能量耗散系数相差较大。

2、在试验的初期，设计合理的钢筋及整体性较好的现浇节点试件，在加载初期有着较好的耗能能力。在加载后期，试件的单周耗能迅速增加，试件ZJ-5的能量耗散系数提升速度比较快，接近破坏时，其能量耗散系数大幅超过现浇试件，说明新型装配式节点在地震中接近极限状态时，消耗的能量与受到荷载作用初期有相比，有了较大的提升，体现了该类节点具有良好的耗能能力。

1.2 刚度退化

刚度是反映构件在荷载作用下抵抗变形能力的指标参数。试件核心区和梁端在试验过程中会首先出现开裂裂缝，然后随着裂缝的持续开展，混凝土会发生明显的破坏,而在加载位移等级不变的情况下，由于位移循环次数的增加，试件会出现刚度开始下降的现象，称之为刚度退化。刚度退化现象反映了结构受到损伤累积的影响，是结构动力性能的重要特性之一。在低周往复加载试验中，试件的刚度系数K一般通过骨架曲线的割线刚度来表示。通过研究可以发现：

(1)随着加载位移的持续增大，试验试件的混凝土产生开裂，并且裂缝不断发展，钢筋损伤积累，在加载过程中，试件的刚度系数均逐渐降低，产生刚度退化现象；

(2)在加载初期，各个试件的刚度系数曲线之间具有一定差异，梁端弯曲破坏试件ZJ-5的刚度系数明显大于另外5个节点试件。分析4个剪切破坏试件的刚度系数曲线，可以发现轴压比、有效预应力、节点核心区箍筋配筋率的增大，能够不同程度上提高试件的初始刚度，但在破坏阶段时，各个试件的刚度差别较小；

(3)核心区剪切破坏试件ZJ-1~ZJ-4在试验过程中刚度退化接近线性，而梁端弯曲破坏试件ZJ-5在前面刚度退化较快，呈陡降趋势，继续加载，试件的刚度退化趋势与抗剪试件相似。试件ZJ-5与现浇试件XJ-6的刚度退化趋势相似,但是由于结构形式的不同，总体上新型装配式节点的刚度明显高于现浇节点。

二、延性性能分析

延性体现了预制结构受到荷载作用时的弹塑性变形能力。当结构具有良好的延性时，在地震下可以通过构件的弹塑性变形吸收地震能量，使构件在发生破坏变形之前，能够表现出明显的破坏特征，为相关人员提供提前撤离的时间。延性系数越大，结构吸收地震能量和承受弹塑性变形的能力则越强，说明其抗震性能越好。

节点的延性性能受到的影响因素较多，包括轴压比、混凝土强度、梁钢筋配筋率、钢筋屈服强度、核心区配箍率和箍筋形式、钢筋的锚固等。通过相关研究可以发现：

(1)本次试验中各个节点试件在正、负向加载条件下的延性系数差别较小，最小值均大于普通钢筋混凝土框架试验节点2.0的水平，其中核心区剪切破坏的4个试件的平均位移延性系数明显低于梁端弯曲破坏试件ZJ-5的位移延性系数，主要由于梁端塑性铰的产生增强了试件的弹塑性变形能力，因此试件ZJ-5的延性系数相对较大。

(2)比较4个核心区剪切破坏试件可以发现，当试件节点设计的核心区水平箍筋配筋率较低时，单根水平箍筋承受荷载较大，因此会较早进入屈服状态,从而使试件的延性系数下降，增大轴压比同样会引起节点延性的降低，预应力的变化对节点延性影响较小。由于轴压比和预应力的增大，节点整体强度得到了提升，导致构件的屈服位移和极限位移均产生增大，所以轴压比和预应力对试件延性的影响体现不够充分。

(3)比较新型装配式节点ZJ-5和现浇节点XJ-6,试件ZJ-5的延性系数比试件XJ-6高14.6%,表明本文设计的预应力套接节点结构的连接方式在延性方面，可以达到混凝土结构的承载力要求和抗震水平。

结语：

总之，在我国推行建筑工业化和绿色建筑的背景下，预制装配式混凝土结构经济效益高、施工受气候条件影响小、产品质量易保证、建造时间短和对环境污染小等优点，得到了大力推广和应用。对于框架结构而言，预制梁柱构件的连接方式以及连接节点的力学性能在很大程度上决定了框架整体的力学性能。预制混凝土梁柱节点与现浇节点相比表现出很好的抗震性能，在强度、延性和耗能方面都具有更大的优势。

参考文献：

[1]徐龙标. 预制装配式混凝土框架结构的受力性能及可靠度分析.[D].上海:同济大学土木工程学院,2020:70-73.

[2]范力. 装配式预制混凝土框架结构性能系数研究[J].土木工程学报,2020, 43(S2):131- 136.