預應力混凝土框架自復位節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個預應力混凝土框架自復位節點進行抗剪性能試驗，研究了預應力螺桿軸力、構件連接面尺寸、梁下鋼牛腿對抗剪性能的影響，提出了預應力混凝土框架自復位節點接縫抗剪承載力計算公式，并分析了摩剪系數的取值。研究表明：節點抗剪承載力與預應力螺桿軸力呈正相關關系，構件連接面尺寸對節點抗剪承載力影響不明顯；使用鋼牛

腿能提高節點的抗剪性能。

[關鍵詞]框架節點；預應力；自復位；摩剪系數；鋼牛腿；抗剪性能

[中圖分類號]TU378   

0  引言

    伴隨我國經濟的結構調整和建筑業的轉型升級，建筑產業現代化成為當前我國建筑行業發展的主流趨勢，而預制裝配混凝土結構是實現建筑產業現代化的重要生產方式之一，它符合綠色施工“四節一環保”的要求，也有利于提高建筑質量和施工效率。近年來，隨著經濟的不斷發展以及預制結構體系研究的不斷深入，預制裝配混凝土結構體系在我國已經有較大量的實際工程應用，并制定了相應的標準規范。

    目前，比較常見的預制裝配混凝土結構體系主要有預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制預應力裝配式體系——自復位( self-centering)體系，并在實際工程中得到了應用，美國、新西蘭已將自復位體系納入了規范。自復位體系主要包括自復位框架和自復位剪力墻，其中，預應力混凝土框架自復位節點是指用無粘結預應力筋連接預制梁柱的一類預制預應力節點，其特點是遭遇地震作用時梁柱基本沒有破壞，預應力筋始終保持彈性，節點在震后能回復到原來位置，殘余變形小。一系列試驗研究表明自復位節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比例的梁柱節點進行低周反復加載試驗，研究了預制梁柱節點只有預應力筋連接與普通鋼筋和預應力筋共同連接(見圖1)等類型，試驗發現只有預應力筋連接的節點殘余變形小，但耗能特性差；而由普通鋼筋和預應力筋共同連接的節點——“混合”連接節點表現出更好的耗能特性。因此，在實際工程中，這種“混合”連接節點應用較多。

    節點抗剪性能是自復位框架結構整體抗震性能研究的重要前提，關于自復位節點的抗剪機制，美國規范和新西蘭規范給出了不同的規定：美國規范( ACI T1.2- 03)允許預制“混合”梁柱節點不設永久支撐，由預應力筋拉力產生的摩擦力承擔重力荷載和側向荷載產生的剪力；新西蘭規范( NZS3101)則要求重力荷載產生的剪力由永久支撐等承擔，預應力筋拉力產生的摩擦力只能用來承擔地震荷載產生的剪力。本文通過剪切試驗研究預應力螺桿軸力、構件連接面尺寸、梁下鋼牛腿對自復位節點抗剪性能的影響，分析摩剪系數的取值，并給出相關設計建議。

1試驗概況

1.1  試件設計

    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點各9個。試件主要參數見表1，尺寸配筋圖見圖2。

    剪切試驗試件在構件廠預制后運往試驗室進行組裝，組裝過程如下：預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計強度的50%時，在梁柱預留孔道內穿人預應力螺桿(M304.8級螺桿)并進行初擰纖維砂漿養護。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定軸力30kN灌注梁下20厚砂漿墊層砂漿墊層養護。

1.2  材料性能

    梁柱接縫處澆筑的纖維砂漿設計強度為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，試驗設備采用5000kN壓力試驗機，試件采用倒置方式加載，梁底設2塊寬100mm厚30mm的鋼墊塊。試驗采用單調勻速的加載方式，當接縫處剪切位移達到10mm時停止加載。

    測點布置：在預應力螺桿中穿入穿心式壓力傳感器測量有效預拉力；在柱頂布置荷載傳感器測量荷載大??；在柱子下部靠近接縫側左右各布置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個應變片以測量螺栓的軸力。

2試驗現象

2.1  不帶鋼牛腿試件

    試驗開始前，擰緊預應力螺桿對其施加預拉力至預定力值，等待30min并保持其預拉力恒定。

    加載初期，試件一切正常；達到一定荷載后，接縫處產生豎向細裂縫；繼續加載，剪力達到第一個抗剪承載力峰值，一側接縫發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時試驗結束。試驗結束后，卸去預應力螺桿，接縫砂漿沿剪切面被分成兩部分，預應力螺桿彎曲，試件的典型破壞形態見圖4。

2.2帶鋼牛腿試件

    試驗開始前，擰緊預應力螺桿對其施加預拉力至預定力值，等待30min并保持其預拉力恒定。

    帶鋼牛腿試件的前期試驗現象與不帶鋼牛腿試件類似，表現為一側先開裂另一側后開裂；兩側接縫均開裂后，抗剪承載力降低；繼續加載，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。試驗結束后，卸去預應力螺桿、鋼牛腿，接縫砂漿沿剪切面被分成兩部分，預應力螺桿彎曲，牛腿錨固螺栓彎曲，試件的典型破壞形態見圖5。

3  試驗結果及分析

3.1試驗結果

    整理各試件的抗剪承載力峰值、谷值及其對應的開裂側位移、預應力螺桿軸力如表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．預應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系，預應力螺桿軸力基本不變；剪力增長到100kN左右時，預應力螺桿軸力開始增長；繼續加載，剪力達到一定數值后，接縫處產生多條豎向細裂縫；繼續加載，剪力達到第一個抗剪承載力峰值（大部分試件為200 kN~300kN），一側接縫發生剪切開裂，剪切位移達到0. 6mm~1.7mm，預應力螺

桿軸力比有效預拉力增長2%~15%；開裂后繼續加載，剪切位移增長，抗剪承載力減小至谷值點，預應力螺桿軸力增長；再繼續加載，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，另一側接縫產生剪切開裂；兩側開裂后，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，預應力螺桿軸力增長；繼續加載，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，預應力螺桿已發生銷栓作用而彎曲，預應力螺桿軸力變化較為復雜，剪切位移達到10mm時試驗結束。

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-預應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果可知，帶鋼牛腿試件和不帶鋼牛腿試件一樣經歷了線性階段、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，這是因為接縫未發生剪切開裂前，牛腿基本上不參與受力；繼續加載至剪力達到第一個剪力峰值，一側接縫剪切開裂，桿2、桿4（近梁頂側牛腿錨固螺栓）軸力開始增加，桿1、桿3（遠梁頂側牛腿錨固螺栓）軸力有所降低，說明鋼牛腿受彎剪發揮了支撐作用；繼續加載，桿2、4軸力繼續增加，桿1、3軸力繼續減小。

3.4抗剪承載力

    1)抗剪承載力結果分析

    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，節點的抗剪能力由纖維砂漿和混凝土之間的粘結力及預應力螺桿預拉力產生的摩擦力提供；②剪切開裂后，節點的抗剪能力由機械咬合力和預應力螺桿預拉力產生的摩擦力提供；③預應力螺桿直徑30mm，孔道直徑32mm，剪切位移達到2mm以上時，節點的抗剪能力由機械咬合力、預應力螺桿預拉力產生的摩擦力、預應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?、谝粋冉涌p剪切開裂后，鋼牛腿發揮了支撐作用。

    選取各試件剪力-預應力螺桿軸力曲線的第二谷值點進行分析并計算摩剪系數，摩剪系數為剪力與預應力螺桿軸力的比值，結果見表4。由表4可知，除KJ-Ⅱ．2、KJ-V．3外其他試件的摩剪系數均大于1.0。

    根據表4繪制各組試件的剪力與預應力螺桿軸力的關系，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應力螺桿軸力基本呈線性關系，帶鋼牛腿試件抗剪承載力與預應力螺桿軸力有類似的趨勢；說明節點抗剪承載力與預應力螺桿軸力呈正相關關系；②第Ⅲ組試件的剪切面積較I、Ⅱ大，抗剪承載力與預應力螺桿軸力的關系與第I、Ⅱ組基本一致，說明剪切面積對自復位節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位節點的抗剪承載力。

    2)接縫抗剪承載力計算

    依據本文試驗結果及參考其他文獻資料，僅考慮預應力螺桿有效預拉力產生的摩擦力對接縫處抗剪的貢獻。在此基礎上提出自復位節點接縫處的抗剪承載力的計算公式如下：

    實際設計中，鋼牛腿可按承擔重力荷載設計。

    對于粗糙處理的接縫，摩剪系數取為1.0；對于不經粗糙處理的接縫，摩剪系數取

0.6，由于本試驗試件數量較少，出于安全考慮，摩剪系數取為0.6。按式(1)計算各節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，在設計中采用式(1)計算自復位節點接縫的抗剪承載力有足夠的安全儲備。

4  結論及建議

    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力及預應力螺桿預拉力產生的摩擦力提供；接縫剪切開裂后，抗剪能力由機械咬合力和預應力螺桿預拉力產生的摩擦力提供；當剪切位移達到2mm以上時，抗剪能力由機械咬合力、預應力螺桿預拉力產生的摩擦力、預應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，鋼牛腿可發揮作用但作用較??；一側接縫剪切開裂后，鋼牛腿發揮牛腿的支撐作用。

    3)預應力混凝土框架自復位節點的抗剪承載力與預應力螺桿軸力呈正相關關系，構件連接面尺寸對節點的抗剪承載力影響不明顯；安裝鋼牛腿能提高節點的抗剪承載力。

    4)文中提出的自復位節點的抗剪承載力計算公式，可以用于該類節點的設計，并有足夠的安全儲備。