装配式混凝土框架顶层端节点抗震性能试验

赵 勇，李永波，毕 琼，邓世斌

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.中国建筑西南设计研究有限公司，四川 成都 610041)

a 柱端上伸

b 柱端无上伸

a 柱端上伸

b 柱端无上伸

1 试验概况

1.1 试件设计

1.1.1基本情况

表1 试件的主要参数Tab.1 Main parameters of specimens

注：7/3C10指共配置7道箍筋，其中3道集中布置于节点外侧，节点箍筋均为四肢箍.其余类推.

1.1.2框架梁

1.1.3框架柱

1.1.4框架节点

a 试件PK-1节点构造

c 预制梁端键槽尺寸

b 试件PK-4节点构造

d 试件RK-1节点构造

图3 试件几何尺寸及配筋(单位：mm)Fig.3 Dimensions and reinforcement details of specimens(unit:mm)

1.2 钢筋材料性能试验

钢筋的屈服强度fy、抗拉强度fb、弹性模量Es和最大力下总伸长率δ等力学性能参数实测结果如表2所示.

表2 钢筋的实测力学性能参数Tab.2 Test values of mechanical properties of steel bar

1.3 加载方式

试验加载装置如图4所示.其中，梁外端采用滑动铰支座固定，预制柱外端采用固定铰支座固定.由伺服液压水平作动器施加水平低周反复荷载，并规定自西向东加载为正向.水平加载采用荷载-位移混合控制，首先，采用荷载控制加载，加载增量为0.15Pu,c(Pu,c为根据框架梁端正截面受弯承载力计算值推算得到的水平荷载)，每级加载循环2次；加载至0.75Pu,c后，采用位移控制加载，位移增量为5 mm，每级加载循环2次，直至试件的承载力下降至0.85Pu(Pu为试件极限承载力试验值)后，停止加载.

图4 试验加载装置与位移测点布置(单位：mm)Fig.4 Test setup and layout of displacement measuring points(unit:mm)

1.4 测量内容

试件位移计(L1～L4)的测点布置如图4所示.其中，L1、L2用于测量加载中心的水平位移，并取平均值，由此可测得加载中心相对柱底固定铰中心的水平位移Δ，从而可得侧移角θ=Δ/L，L为柱顶加载中心到柱底固定铰中心的垂直距离，取为2.1 m ；L3、L4用于测量节点核芯区的剪切变形.钢筋应变片测点布置如图5所示.在节点区顶部第一道的水平箍筋、倒U形插筋，布置2个应变片，测点编号为S1、S2；在梁顶、梁底各选一根纵筋贴片，测点编号为S3、S4.

图5 钢筋应变测点布置Fig.5 Layout of steel strain measuring points

2 试验现象与破坏特征

2.1 破坏形态

加载至0.2Pu左右时，装配式试件PK-1～PK-4的梁在距柱边约100 mm处出现第1条受弯裂缝，柱顶结合面处出现第1条水平的弯曲裂缝；加载至0.6Pu左右时，梁身出现多条弯曲裂缝，梁端结合面开裂，柱顶结合面裂缝有较大延伸；加载至0.8Pu左右时，节点区主对角线上出现斜裂缝.现浇试件RK-1开裂荷载要大于装配式试件.

加载至Pu时，装配式试件PK-1～PK-4梁端结合面开裂严重，且结合面处的梁底、梁顶混凝土压碎剥落；柱身出现了斜裂缝，但宽度和长度均不大；节点区主对角线斜裂缝进一步加宽，并出现新的斜裂缝；现浇试件RK-1除出现主对角线斜裂缝外，还出现明显的外推裂缝，从节点顶面中部延伸并贯穿至节点外侧面.

卸载至0.85Pu时，试件破坏[13].各试件的破坏形态如图6所示.装配式试件PK-1～PK-4均发生了梁端受弯破坏，且集中在梁端结合面较小范围内破坏(图7a)，梁端底部纵筋弯折严重(图7b)，但叠合梁的水平拼缝均没有出现开裂；柱端无上伸试件PK-1、PK-2节点区主对角线斜裂缝发育充分，柱端上伸试件PK-3、PK-4主对角线斜裂缝发展较少，但其梁端顶部的混凝土剥落更为严重(图7c).现浇试件RK-1也是出现了梁端受弯破坏，节点区对角线方向的交错斜裂缝发展较多，节点外角被外推抬起，并在节点顶部出现了混凝土剥落的现象(图7d).

2.2 破坏机理分析

顶层端节点受力特征类似于一根90°折梁，在负弯矩作用下，梁柱外侧受拉，内侧凹角处受压，沿主对角线方向受到斜压力，垂直于主对角线方向受到斜拉力，斜拉力使得节点核芯产生主对角线方向的斜裂缝；在正弯矩作用下，梁柱外侧受压，其合力有将节点外角部区域外推的趋势，产生外推裂缝，与此斜压力平衡的内拉力使角部产生垂直于主对角线方向的斜裂缝[14].

a 试件PK-1

c 试件PK-3

d 试件PK-4

e 试件RK-1

a 梁端顶面混凝土压碎剥落(试件PK-1)

b 梁端底部纵筋弯折严重(试件PK-1)

c 梁端顶部混凝土压坏拱起(试件PK-3)

d 节点顶部混凝土压碎剥落(试件RK-1)

试件PK-1、PK-2由于节点端部集中设置了箍筋和插筋，加强了对外角部混凝土的约束，同时也保证了节点斜截面的受弯承载力.试件PK-3、PK-4上伸的柱端加强了对节点区顶部混凝土的约束，减小了节点核芯区的局部挤压应力，使得节点区裂缝发展较少，但同时也让梁顶混凝土保护层反复受压而破坏严重.现浇试件RK-1的柱外侧纵筋弯入节点顶部但在末端又未设向下的90°弯折，在负弯矩作用下，钢筋水平段除上部混凝土保护层外无任何侧向约束，便将混凝土保护层崩裂并向上弹起，而在节点顶部发生破坏，可在节点区设置竖向插筋约束柱筋水平段来防止此类破坏[15].

3 试验数据结果及分析

3.1 滞回曲线及耗能能力

各试件的荷载-位移滞回曲线如图8所示.其中，P为试件加载端水平荷载.由图8可知：

a 试件PK-1

b 试件PK-2

c 试件PK-3

d 试件PK-4

e 试件RK-1

(1)装配式试件PK-1～PK-4的滞回曲线更为饱满，循环次数更多；达到峰值荷载前，各装配式试件的滞回曲线形状相似，有轻微的捏拢，并由梭形转变为弓形；达到峰值荷载后，则由弓形转变为Z形，包围的面积减少，耗能降低.现浇试件RK-1的滞回环更为细长，包围面积较小，循环次数更少.

(2)试件PK-1、PK-2的滞回曲线基本相同，而试件PK-3、PK-4的滞回曲线较为相近.其主要原因是，试件节点的配筋较充分，未在节点核芯区发生破坏，而是梁端受弯破坏，故节点的构造对滞回曲线的影响不明显.

(3)达到峰值荷载前，现浇试件与装配式试件的滞回曲线基本相同；但达到峰值荷载后，现浇试件的滞回环圈数明显少于装配式试件.其主要原因是，现浇试件的节点核心区的约束较少，过早出现了外推裂缝和顶部混凝土崩裂，导致其耗能能力较差.

3.2 荷载-位移骨架曲线

图9 试件荷载-位移骨架曲线Fig.9 Load-displacement skeleton curves of specimens

由图9和表3可知：

(1)各试件在开裂之前，骨架曲线大致呈线性发展；开裂之后，试件刚度有所降低，曲线斜率减小；进入屈服阶段后，曲线出现明显拐点，随后进入下降段.

(2)屈服前，各试件骨架曲线基本重合；屈服后，装配式试件PK-1～PK-4骨架曲线上升平缓，现浇试件RK-1上升较快，并且峰值荷载较大、峰值位移较小；达到峰值荷载后，试件PK-1～PK-4有较长的下降段；现浇试件RK-1下降较快，对应的极限位移也相应较小.

由此可见，装配式试件的极限承载力比现浇试件有所降低；不同的构造对装配式试件的极限承载能力影响不大；与柱端无上伸试件相比，柱端上伸试件的极限位移较小.

3.3 位移延性

各试件的位移延性系数见表3.由表3可知：

表3 试件特征状态的试验结果Tab.3 Test results of specimens at characteristic points

(1)装配式试件的正向位移延性系数最小为试件PK-3的2.70，最大为试件PK-2的3.66，大于现浇试件RK-1的2.69；反向位移延性系数最小为试件PK-4的2.54，最大为试件PK-1的3.04，大于现浇试件RK-1的2.27.装配式试件较现浇试件表现出更好的延性，主要是因为现浇试件的节点核芯区缺少约束，转动能力及节点变形能力较弱[14].

(2)装配式试件的位移延性系数偏低(小于3.0).其主要原因是，500 MPa级纵筋的强度高，屈服应变大，使得试件在梁端达到屈服时，梁端、节点区的裂缝发展较充分，使得屈服位移Δy较大，尽管试件破坏时的极限位移Δm不小，但得到的位移延性系数却偏低.这与文献[16]的试验结论一致.

(4)采用倒U形插筋的柱端无上伸试件PK-1、PK-2的延性系数和极限位移角均大于柱端上伸试件PK-3、PK-4，说明其节点区的转动能力更好.这是由于上伸的柱端对节点区顶部混凝土的约束过大，导致节点区刚度偏大，限制了节点区的裂缝发展，从而降低了试件的延性.

(5)对比试件PK-1、PK-2可知，随抗弯箍筋量增加，位移延性系数增大.说明箍筋的约束作用提高，可减小承载力的下降速度.

3.4 核芯区剪切变形

节点核芯区剪切角可通过测量核芯区对角线的位移按下列公式计算确定[13]：

(1)

式中:a、b分别为测点区的高度和宽度，均取为300 mm；u、v分别为节点核芯二个方向对角线的位移，取位移计L3、L4测出的应变值乘以节点区对角线长度；γ为节点核芯区剪切角.各试件核芯区的剪切角-位移骨架曲线如图10所示.由图10可知：

(1)屈服前，各试件的剪切角都很小，节点区基本处于弹性状态；屈服后，随着位移增加，节点核芯区裂缝出现并迅速发展，剪切角增长较快.

(2)现浇试件RK-1剪切角发展大于装配式试件PK-1～PK-4.这是由于现浇试件节点核芯区缺少约束，斜裂缝发展较快所致.

(3)试件PK-1剪切变形大于试件PK-2.这是因为在核芯区初裂以后，试件PK-1节点区箍筋较少，对混凝土的约束较小，导致变形发展较快.

(4)柱端上伸试件PK-3、PK-4剪切角发展小于柱端无上伸试件PK-1、PK-2.

图10 试件核芯区的剪切角-位移骨架曲线Fig.10 Shear angle-displacement skeleton curves of specimens in core region

3.5 荷载-钢筋应变滞回曲线

3.5.1梁纵筋应变

在试验过程中，部分试件的梁纵筋应变测点损坏，未能获得有效应变数据.装配式试件PK-1和现浇试件RK-1的梁纵筋应变滞回曲线如图11所示.其中，ε为梁纵筋应变.由图11可知：

(1)在屈服荷载前，纵筋滞回环细长，残余变形较小，基本处于弹性状态；进入屈服阶段后，纵筋残余变形增大.

(2)在达到峰值荷载前，试件的梁顶、梁底纵筋的拉应变均达到了实测屈服应变2 560×10-6.

(3)装配式试件纵筋应变的变化斜率小于现浇试件，说明装配式试件梁端结合面处的纵筋应变增长较快.

a 试件PK-1

b 试件RK-1

3.5.2节点箍筋和插筋应变

柱端无上伸试件PK-1、PK-2节点区端部的水平箍筋和倒U形插筋的荷载-钢筋应变滞回曲线如图12所示.其中，εh为水平箍筋应变，εv为倒U形插筋应变.

由图12可知：

(1)在加载初期，各试件节点区的箍筋和插筋基本处于弹性受力状态，卸载后残余变形较小，但在节点区出现裂缝后，箍筋和插筋应变骤然增加.随着加载进行，应变随荷载增大而增大.

a 试件PK-1节点箍筋

b 试件PK-2节点箍筋

c 试件PK-1节点插筋

d 试件PK-2节点插筋

(2)在整个加载过程中，节点区水平箍筋的最大应变为1 860×10-6，未达到实测屈服应变2 100×10-6；倒U形插筋的最大应变为2 020×10-6，未达到实测屈服应变3 100×10-6.

(3)试件PK-1与PK-2节点区的箍筋和插筋的应变发展情况相近，但试件PK-1的应变值更高，是由于试件PK-1节点区用于抗弯的水平箍筋和倒U形插筋量较少.

3.6 极限承载力

3.6.1节点承载力

对于梁顶面纵筋与柱外侧纵筋搭接的顶层端节点以及柱端上伸且柱外侧纵筋锚固充分的节点，在节点主对角线斜截面能形成有效的抗拉机制，自然可以保证节点斜截面的受弯承载力.但对于图2b所示配筋构造的装配式顶层端节点，由于梁顶和柱外侧的纵筋分别在节点区中锚固，需通过节点端部集中设置的水平箍筋和倒U形插筋保证斜截面的受弯承载力，箍筋和插筋用量根据计算确定，其计算模型如图13所示.

图13 顶层端节点斜截面受弯承载力计算示意图Fig.13 Flexual capacity of inclined section in knee joint

α1fcbxc=∑Ashfyhsinα+∑Asvfyvcosα

(2)

(3)

(4)

Mu=∑AshfyhZsh+∑AsvfyvZsv

(5)

式中:Ash、Asv分别为水平和竖向附加箍筋的截面面积；fyh、fyv分别为水平和竖向附加箍筋的抗拉强度；h、b分别为节点区的高度和宽度；Zsh、Zsv分别为水平和竖向附加箍筋合力中心至斜截面受压区合力点的距离；lsh、lsv分别为水平附加箍筋合力中心至节点区顶部距离、竖向附加箍筋合力中心至节点区外侧距离；Mu为节点斜截面受弯承载力.

3.6.2试件承载力计算值与试验值

(1)各试件满足强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强接缝弱构件的基本抗震要求.

(2)装配式试件均发生梁端受弯破坏，即极限承载力计算值取为PubM+、PubM-，正向加载的极限承载力计算值和试验值之比为0.68～0.70，反向加载的极限承载力计算值和试验值之比为0.62～0.71，具有较高的安全度.

(3)装配式试件PK-1～PK-4的极限承载力相近.其主要原因是，装配式试件均发生梁端受弯破坏，节点区强度未充分发挥.

(4)装配式试件极限承载力的试验值比现浇试件的低10%.其主要原因是，装配式试件的破坏集中在梁端结合面，处于弯剪复合受力状态，承载力会有所降低，而现浇试件的腰筋伸入节点，梁端结合面的受剪承载力提高，进而可提高试件的极限承载力.梁端结合面在弯剪复合受力下的承载力有待进一步研究.

表4 试件的极限承载力试验值与计算值Tab.4 Test and calculated bearing capacity values in specimens

4 结论与建议

(1)装配式试件均发生梁端受弯破坏，且集中在梁端结合面较小范围内；框架梁的水平叠合面未见开裂.

(2)装配式试件相比于现浇试件表现出更好的延性与耗能能力，滞回曲线更为饱满，其位移延性系数为2.54～3.66，极限位移角为1/29～1/26，且柱端无上伸试件的延性略优于柱端上伸试件.

(3)装配式试件的极限承载力比现浇试件约低10%，但其极限承载计算值与试验值之比平均为0.62～0.71，仍具有较高的安全储备.梁端结合面在弯剪复合受力下的承载力建议进一步研究.

(4)本文所提出的两种顶层端节点构造措施，适于装配施工，可保证节点的承载力和抗震性能.