預(yù)應(yīng)力混凝土框架自復(fù)位節(jié)點的抗剪性能試驗研究（建筑）
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預(yù)應(yīng)力混凝土框架自復(fù)位節(jié)點的抗剪性能試驗研究（建筑）
劉家亮，徐福泉
（中國建筑科學研究院，北京100013）
[摘要]通過對6組共18個預(yù)應(yīng)力混凝土框架自復(fù)位節(jié)點進行抗剪性能試驗，研究了預(yù)應(yīng)力螺桿軸力、構(gòu)件連接面尺寸、梁下鋼牛腿對抗剪性能的影響，提出了預(yù)應(yīng)力混凝土框架自復(fù)位節(jié)點接縫抗剪承載力計算公式，并分析了摩剪系數(shù)的取值。研究表明：節(jié)點抗剪承載力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力呈正相關(guān)關(guān)系，構(gòu)件連接面尺寸對節(jié)點抗剪承載力影響不明顯；使用鋼牛
腿能提高節(jié)點的抗剪性能。
[關(guān)鍵詞]框架節(jié)點；預(yù)應(yīng)力；自復(fù)位；摩剪系數(shù)；鋼牛腿；抗剪性能
[中圖分類號]TU378
0 引言
伴隨我國經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)調(diào)整和建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化成為當前我國建筑行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，而預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要生產(chǎn)方式之一，它符合綠色施工“四節(jié)一環(huán)保”的要求，也有利于提高建筑質(zhì)量和施工效率。近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及預(yù)制結(jié)構(gòu)體系研究的不斷深入，預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)體系在我國已經(jīng)有較大量的實際工程應(yīng)用，并制定了相應(yīng)的標準規(guī)范。
目前，比較常見的預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)體系主要有預(yù)制裝配式和裝配整體式。20世紀90年代，美國和日本學者提出了一種預(yù)制預(yù)應(yīng)力裝配式體系——自復(fù)位( self-centering)體系，并在實際工程中得到了應(yīng)用，美國、新西蘭已將自復(fù)位體系納入了規(guī)范。自復(fù)位體系主要包括自復(fù)位框架和自復(fù)位剪力墻，其中，預(yù)應(yīng)力混凝土框架自復(fù)位節(jié)點是指用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋連接預(yù)制梁柱的一類預(yù)制預(yù)應(yīng)力節(jié)點，其特點是遭遇地震作用時梁柱基本沒有破壞，預(yù)應(yīng)力筋始終保持彈性，節(jié)點在震后能回復(fù)到原來位置，殘余變形小。一系列試驗研究表明自復(fù)位節(jié)點具有較好的抗震性能，1987年，Cheok等在NIST試驗計劃中，通過對1/3比例的梁柱節(jié)點進行低周反復(fù)加載試驗，研究了預(yù)制梁柱節(jié)點只有預(yù)應(yīng)力筋連接與普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋共同連接(見圖1)等類型，試驗發(fā)現(xiàn)只有預(yù)應(yīng)力筋連接的節(jié)點殘余變形小，但耗能特性差；而由普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋共同連接的節(jié)點——“混合”連接節(jié)點表現(xiàn)出更好的耗能特性。因此，在實際工程中，這種“混合”連接節(jié)點應(yīng)用較多。
節(jié)點抗剪性能是自復(fù)位框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究的重要前提，關(guān)于自復(fù)位節(jié)點的抗剪機制，美國規(guī)范和新西蘭規(guī)范給出了不同的規(guī)定：美國規(guī)范( ACI T1.2- 03)允許預(yù)制“混合”梁柱節(jié)點不設(shè)永久支撐，由預(yù)應(yīng)力筋拉力產(chǎn)生的摩擦力承擔重力荷載和側(cè)向荷載產(chǎn)生的剪力；新西蘭規(guī)范( NZS3101)則要求重力荷載產(chǎn)生的剪力由永久支撐等承擔，預(yù)應(yīng)力筋拉力產(chǎn)生的摩擦力只能用來承擔地震荷載產(chǎn)生的剪力。本文通過剪切試驗研究預(yù)應(yīng)力螺桿軸力、構(gòu)件連接面尺寸、梁下鋼牛腿對自復(fù)位節(jié)點抗剪性能的影響，分析摩剪系數(shù)的取值，并給出相關(guān)設(shè)計建議。
1試驗概況
1.1 試件設(shè)計
剪切試驗試件分6組，每組3個，共18個試件，其中不帶鋼牛腿與帶鋼牛腿的節(jié)點各9個。試件主要參數(shù)見表1，尺寸配筋圖見圖2。
剪切試驗試件在構(gòu)件廠預(yù)制后運往試驗室進行組裝，組裝過程如下：預(yù)制梁柱就位
在接縫處支模并澆筑纖維砂漿一待纖維砂漿達到設(shè)計強度的50%時，在梁柱預(yù)留孔道內(nèi)穿人預(yù)應(yīng)力螺桿(M304.8級螺桿)并進行初擰纖維砂漿養(yǎng)護。鋼牛腿的安裝工序如下：鋼牛腿坐漿就位一擰緊牛腿錨固螺栓至預(yù)定軸力30kN灌注梁下20厚砂漿墊層砂漿墊層養(yǎng)護。
1.2 材料性能
梁柱接縫處澆筑的纖維砂漿設(shè)計強度為40M Pa，留置2組（每組3塊）100mm×100mm×100mm的砂漿試塊，分別于7d、15d測定其抗壓強度。測試結(jié)果如表2。
1.3 加載裝置及測點布置
試驗加載裝置及測試方案如圖3所示，試驗設(shè)備采用5000kN壓力試驗機，試件采用倒置方式加載，梁底設(shè)2塊寬100mm厚30mm的鋼墊塊。試驗采用單調(diào)勻速的加載方式，當接縫處剪切位移達到10mm時停止加載。
測點布置：在預(yù)應(yīng)力螺桿中穿入穿心式壓力傳感器測量有效預(yù)拉力；在柱頂布置荷載傳感器測量荷載大小；在柱子下部靠近接縫側(cè)左右各布置2個位移計測量接縫處剪切位移；帶鋼牛腿的試件中，在牛腿錨固螺栓中部表面對稱貼2個應(yīng)變片以測量螺栓的軸力。
2試驗現(xiàn)象
2.1 不帶鋼牛腿試件
試驗開始前，擰緊預(yù)應(yīng)力螺桿對其施加預(yù)拉力至預(yù)定力值，等待30min并保持其預(yù)拉力恒定。
加載初期，試件一切正常；達到一定荷載后，接縫處產(chǎn)生豎向細裂縫；繼續(xù)加載，剪力達到第一個抗剪承載力峰值，一側(cè)接縫發(fā)生剪切開裂并伴隨有響聲；開裂后抗剪承載力下降，至谷值點（第一谷值）；繼續(xù)加載，剪切位移增加，剪力也有所上升；當剪力達到第二個抗剪承載力峰值時，試件另一接縫產(chǎn)生剪切開裂；開裂后抗剪承載力下降，至谷值點（第二谷值）；繼續(xù)加載，剪切位移進一步增加，除試件KJ-Ⅲ-3外，其余試件的最終抗剪承載能力均小于第一、第二剪力峰值，加載至剪切位移達到10mm時試驗結(jié)束。試驗結(jié)束后，卸去預(yù)應(yīng)力螺桿，接縫砂漿沿剪切面被分成兩部分，預(yù)應(yīng)力螺桿彎曲，試件的典型破壞形態(tài)見圖4。
2.2帶鋼牛腿試件
試驗開始前，擰緊預(yù)應(yīng)力螺桿對其施加預(yù)拉力至預(yù)定力值，等待30min并保持其預(yù)拉力恒定。
帶鋼牛腿試件的前期試驗現(xiàn)象與不帶鋼牛腿試件類似，表現(xiàn)為一側(cè)先開裂另一側(cè)后開裂；兩側(cè)接縫均開裂后，抗剪承載力降低；繼續(xù)加載，剪力上升較快，大部分試件能達到或超過第一、第二抗剪承載力峰值。試驗結(jié)束后，卸去預(yù)應(yīng)力螺桿、鋼牛腿，接縫砂漿沿剪切面被分成兩部分，預(yù)應(yīng)力螺桿彎曲，牛腿錨固螺栓彎曲，試件的典型破壞形態(tài)見圖5。
3 試驗結(jié)果及分析
3.1試驗結(jié)果
整理各試件的抗剪承載力峰值、谷值及其對應(yīng)的開裂側(cè)位移、預(yù)應(yīng)力螺桿軸力如表3所示。
3.2不帶鋼牛腿試件試驗曲線
典型試件KJ-I-3、KJ-Ⅱ-3、KJ-Ⅲ-2的剪力-位移曲線、剪力．預(yù)應(yīng)力螺桿軸力曲線如圖6所示。由圖6及表3可以看出，加載初期，剪力與位移基本呈線性關(guān)系，預(yù)應(yīng)力螺桿軸力基本不變；剪力增長到100kN左右時，預(yù)應(yīng)力螺桿軸力開始增長；繼續(xù)加載，剪力達到一定數(shù)值后，接縫處產(chǎn)生多條豎向細裂縫；繼續(xù)加載，剪力達到第一個抗剪承載力峰值（大部分試件為200 kN~300kN），一側(cè)接縫發(fā)生剪切開裂，剪切位移達到0. 6mm~1.7mm，預(yù)應(yīng)力螺
桿軸力比有效預(yù)拉力增長2%~15%；開裂后繼續(xù)加載，剪切位移增長，抗剪承載力減小至谷值點，預(yù)應(yīng)力螺桿軸力增長；再繼續(xù)加載，抗剪承載力達到第二個值，大部分試件第二抗剪承載力峰值大于第一峰值，達到150kN~350kN．大部分試件剪切位移為1.5mm~ 3mm，另一側(cè)接縫產(chǎn)生剪切開裂；兩側(cè)開裂后，抗剪承載力降至谷值點，大部分試件抗剪承載力降低30%~55%，剪切位移增長，大部分試件剪切位移達到2.0mm~4.6mm，預(yù)應(yīng)力螺桿軸力增長；繼續(xù)加載，抗剪承載力增長，但試件的剪切剛度很小，除試件KJ-Ⅲ-3外其余試件的剪力均小于第一、第二個抗剪承載力峰值，此時，預(yù)應(yīng)力螺桿已發(fā)生銷栓作用而彎曲，預(yù)應(yīng)力螺桿軸力變化較為復(fù)雜，剪切位移達到10mm時試驗結(jié)束。
3.3帶鋼牛腿試件試驗曲線
典型試件KJ-Ⅳ．3、KJ-V-1、KJ-Ⅵ-2的剪力一位移曲線、剪力-預(yù)應(yīng)力螺桿軸力曲線以及KJ-Ⅳ-3的剪力-牛腿錨固螺栓軸力曲線如圖7所示。
由各帶鋼牛腿試件的試驗結(jié)果可知，帶鋼牛腿試件和不帶鋼牛腿試件一樣經(jīng)歷了線性階段、兩個剪力峰值、兩個剪力谷值，但不同的是，兩側(cè)均剪切開裂后：①帶鋼牛腿試件還有較大的剪切剛度；②當剪切位移達到10mm時，除試件KJ-V-1、KJ-V-3外，其余試件的抗剪承載力值均超過了第一、第二峰值。
由KJ-Ⅳ-3剪力-牛腿錨固螺栓軸力曲線可以看出，加載初期，牛腿錨固螺栓軸力基本沒有變動，這是因為接縫未發(fā)生剪切開裂前，牛腿基本上不參與受力；繼續(xù)加載至剪力達到第一個剪力峰值，一側(cè)接縫剪切開裂，桿2、桿4（近梁頂側(cè)牛腿錨固螺栓）軸力開始增加，桿1、桿3（遠梁頂側(cè)牛腿錨固螺栓）軸力有所降低，說明鋼牛腿受彎剪發(fā)揮了支撐作用；繼續(xù)加載，桿2、4軸力繼續(xù)增加，桿1、3軸力繼續(xù)減小。
3.4抗剪承載力
1)抗剪承載力結(jié)果分析
由前述分析，不帶鋼牛腿的試件的抗剪可分為三個階段：①剪切開裂前，節(jié)點的抗剪能力由纖維砂漿和混凝土之間的粘結(jié)力及預(yù)應(yīng)力螺桿預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力提供；②剪切開裂后，節(jié)點的抗剪能力由機械咬合力和預(yù)應(yīng)力螺桿預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力提供；③預(yù)應(yīng)力螺桿直徑30mm，孔道直徑32mm，剪切位移達到2mm以上時，節(jié)點的抗剪能力由機械咬合力、預(yù)應(yīng)力螺桿預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力、預(yù)應(yīng)力螺桿的銷栓作用提供。
與不帶鋼牛腿試件相比，帶鋼牛腿試件的抗剪中增加了鋼牛腿的作用：①加載初期，由表3對比不帶鋼牛腿試件和帶鋼牛腿試件的第一峰值點可知，鋼牛腿在加載初期的作用較小②一側(cè)接縫剪切開裂后，鋼牛腿發(fā)揮了支撐作用。
選取各試件剪力-預(yù)應(yīng)力螺桿軸力曲線的第二谷值點進行分析并計算摩剪系數(shù)，摩剪系數(shù)為剪力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力的比值，結(jié)果見表4。由表4可知，除KJ-Ⅱ．2、KJ-V．3外其他試件的摩剪系數(shù)均大于1.0。
根據(jù)表4繪制各組試件的剪力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力的關(guān)系，如圖8所示。
由圖8可知：①不帶鋼牛腿試件的抗剪承載力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力基本呈線性關(guān)系，帶鋼牛腿試件抗剪承載力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力有類似的趨勢；說明節(jié)點抗剪承載力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力呈正相關(guān)關(guān)系；②第Ⅲ組試件的剪切面積較I、Ⅱ大，抗剪承載力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力的關(guān)系與第I、Ⅱ組基本一致，說明剪切面積對自復(fù)位節(jié)點的抗剪承載力影響不明顯；③帶鋼牛腿試件的抗剪承載力整體比不帶鋼牛腿試件大，說明鋼牛腿能提高自復(fù)位節(jié)點的抗剪承載力。
2)接縫抗剪承載力計算
依據(jù)本文試驗結(jié)果及參考其他文獻資料，僅考慮預(yù)應(yīng)力螺桿有效預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力對接縫處抗剪的貢獻。在此基礎(chǔ)上提出自復(fù)位節(jié)點接縫處的抗剪承載力的計算公式如下：
實際設(shè)計中，鋼牛腿可按承擔重力荷載設(shè)計。
對于粗糙處理的接縫，摩剪系數(shù)取為1.0；對于不經(jīng)粗糙處理的接縫，摩剪系數(shù)取
0.6，由于本試驗試件數(shù)量較少，出于安全考慮，摩剪系數(shù)取為0.6。按式(1)計算各節(jié)點接縫的抗剪承載力；取試件第一個剪力峰值作為接縫抗剪極限承載力，接縫抗剪承載力計算值和試驗抗剪極限承載力實測值對比情況見表5。
由表5可知，接縫抗剪極限承載力實測值為計算值的1.6~5.5倍，因此，在設(shè)計中采用式(1)計算自復(fù)位節(jié)點接縫的抗剪承載力有足夠的安全儲備。
4 結(jié)論及建議
1)不帶鋼牛腿試件在加載初期的抗剪能力由纖維砂漿和混凝土之間的粘結(jié)力及預(yù)應(yīng)力螺桿預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力提供；接縫剪切開裂后，抗剪能力由機械咬合力和預(yù)應(yīng)力螺桿預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力提供；當剪切位移達到2mm以上時，抗剪能力由機械咬合力、預(yù)應(yīng)力螺桿預(yù)拉力產(chǎn)生的摩擦力、預(yù)應(yīng)力螺桿的銷栓作用提供。
2)與不帶鋼牛腿試件相比，帶鋼牛腿試件的抗剪中增加了鋼牛腿的作用，加載初期，鋼牛腿可發(fā)揮作用但作用較��；一側(cè)接縫剪切開裂后，鋼牛腿發(fā)揮牛腿的支撐作用。
3)預(yù)應(yīng)力混凝土框架自復(fù)位節(jié)點的抗剪承載力與預(yù)應(yīng)力螺桿軸力呈正相關(guān)關(guān)系，構(gòu)件連接面尺寸對節(jié)點的抗剪承載力影響不明顯；安裝鋼牛腿能提高節(jié)點的抗剪承載力。
4)文中提出的自復(fù)位節(jié)點的抗剪承載力計算公式，可以用于該類節(jié)點的設(shè)計，并有足夠的安全儲備。
