基于并筋的装配式混凝土柱抗震性能试验

收稿日期:２０２２－１２－０５ꎮ
基金项目:国家自然科学基金项目(５１９０８２６８)ꎻ江西省地质局科技研究项目(２０２２ＪＸＤＺＫＪＫＹ１０)ꎻ江西中煤建设集团有限
公司科研项目(２０２３ＪＸＺＭＫＪ０２)ꎻ江西省主要学科学术和技术带头人培养项目(２０２３２ＢＣＪ２３０６５)ꎮ
作者简介:谭光伟(１９６４ )ꎬ男ꎬ教授级高工ꎬ研究方向为装配式结构设计与抗震性能ꎮ
㊀∗通信作者:曾思智(１９８６ )ꎬ男ꎬ正高级工程师ꎬ研究方向为装配式结构ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｅｎｇｓｉｚｈｉ１９８６＠１２６.ｃｏｍꎮ
谭光伟ꎬ董新伟ꎬ曾思智ꎬ等.基于并筋的装配式混凝土柱抗震性能试验[Ｊ].南昌大学学报(工科版)ꎬ２０２３ꎬ４５(４):３３６－３４４.ＴＡＮＧＷꎬＤＯＮＧＸＷꎬＺＥＮＧＳＺꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｎｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎｗｉｔｈｂｕｎｄｌｅｄｓｔｅｅｌ
ｂａｒｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)ꎬ２０２３ꎬ４５(４):３３６－３４４.
基于并筋的装配式混凝土柱抗震性能试验
谭光伟１ꎬ董新伟１ꎬ曾思智１∗ꎬ廖志勇２ꎬ胡淑军２
(１.江西中煤建设集团有限公司ꎬ江西南昌３３００１１ꎻ２.南昌大学工程建设学院ꎬ江西南昌３３００３１)
㊀㊀摘要:基于纵筋与并筋等面积原则ꎬ提出一种基于并筋的装配式混凝土柱ꎬ主要包括纵向钢筋㊁并筋㊁异径半灌浆套筒㊁异径机械套筒和抗剪连接件ꎬ可有效提高装配式混凝土柱的连接效率ꎮ设计并制作现浇混凝土柱ＸＪＺ－１㊁
普通并筋柱ＢＪＺ－１和带抗剪件并筋柱ＢＪＺ－２的试验模型ꎬ研究其破坏模式㊁滞回性能㊁钢筋应变㊁骨架曲线和延性系数等ꎮ结果表明:试件ＸＪＺ－１底部先后出现水平和竖向裂缝㊁混凝土压碎和纵筋弯曲现象ꎻ试件ＢＪＺ－１与ＢＪＺ－２均先后出现水平裂缝㊁沿注浆孔对角斜裂缝㊁混凝土压碎㊁灌浆套筒上部纵筋一侧受弯屈服和坐浆层脱落等现象ꎮ试件ＸＪＺ－１承载能力㊁初始刚度和延性系数最大ꎻ相比试件ＢＪＺ－１ꎬ试件ＢＪＺ－２的承载能力㊁初始刚度和延性系数分别提高１３.０２％㊁１３.３３％和１８.５０％ꎮ另外ꎬ各试件在加载时首先产生水平裂缝ꎬ随后出现纵筋屈服和混凝土局部脱落现象ꎬ但箍筋未发生屈服ꎬ均属于弯曲破坏ꎮ
关键词:装配式混凝土柱ꎻ并筋ꎻ抗剪连接件ꎻ破坏形态ꎻ抗震性能
中图分类号:ＴＵ３１９㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００６－０４５６(２０２３)０４－０３３６－０９
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｎ
ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎｗｉｔｈｂｕｎｄｌｅｄｓｔｅｅｌｂａｒｓ
ＴＡＮＧｕａｎｇｗｅｉ１ꎬＤＯＮＧＸｉｎｗｅｉ１ꎬＺＥＮＧＳｉｚｈｉ１∗ꎬＬＩＡＯＺｈｉｙｏｎｇ２ꎬＨＵＳｈｕｊｕｎ２
(１.ＺｈｏｎｇｍｅｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＬｔｄ.ꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００１１ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００３１ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎꎬａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌ￣
ｕｍｎｗｉｔｈｂｕｎｄｌｅｄｓｔｅｅｌｂａｒｓ(ＰＣＣＢＳＢ)ｔｈａｔｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｂａｒｓꎬｂｕｎｄｌｅｄｓｔｅｅｌｂａｒｓꎬｒｅｄｕｃｅｒｈａｌｆ￣ｇｒｏｕｔｅｄｓｌｅｅｖｅｓｐｌｉｃｅꎬｒｅ￣ｄｕｃｅｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｌｅｅｖｅａｎｄｓｈｅａｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄꎬｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓａｍｅａｒｅａｗｉｔｈｂｕｎｄｌｅｄｓｔｅｅｌｂａｒｓａｎｄｌｏｎ￣ｇｉｔｕｄｉｎａｌｂａｒｓ.Ａｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇｔｅｓｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｃａｓｔ￣ｉｎ￣ｓｉｔｕｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎ(ＸＪＺ－１)ꎬＰＣＣ－ＢＳＢｗｉｔｈｏｕｔａｎｄｗｉｔｈｓｈｅａｒｃｏｎｎｅｃ￣ｔｏｒ(ＢＪＺ－１ａｎｄＢＪＺ－１)ꎬｓｏｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓꎬｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓｃｕｒｖｅｓꎬｂａｒｓｔｒａｉｎｓꎬｂｏｎｄｃｕｒｖｅｓꎬｉｎｉｔｉａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓꎬａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ.ＴｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＸＪＺ－１ｓｐｅｃｉｍｅｎｍａｉｎｌｙｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｒａｃｋｓꎬｖｅｒｔｉｃａｌｃｒａｃｋｓꎬｃｏｎｃｒｅｔｅｃｒｕｓｈｉｎｇａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｂａｒｂｅｎｄｉｎｇｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙ.ＢＪＺ－１ａｎｄＢＪＺ－２ｓｐｅｃｉｍｅｎｓｈａｖｅｔｈｅｓａｍｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓꎬｗｈｉｃｈｍａｉｎｌｙｃｏｎｔａｉｎｅｄｆｉｖｅｓｔａｇｅｓ:ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｒａｃｋｓꎬｄｉａｇｏｎａｌｃｒａｃｋｓａｌｏｎｇｔｈｅｄｉａｇｏｎａｌｇｒｏｕｔｉｎｇｈｏｌｅｓꎬｃｏｎｃｒｅｔｅｃｒｕｓｈｉｎｇꎬｏｎｅｓｉｄｅｏｆｌｏｎｇｉｔｕ￣ｄｉｎａｌｂａｒｓｃｌｉｐｐｅｄａｔｔｈｅｔｏｐｏｆｇｒｏｕｔｅｄｓｌｅｅｖｅｓｐｌｉｃｅａｎｄｓｌｕｒｒｙｌａｙｅｒｓｈｅｄ.ＴｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙꎬｉｎｉｔｉａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＸＪＺ－１ｓｐｅｃｉｍｅｎｗｅｒｅｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅＢＪＺ－１ａｎｄＢＪＺ－２ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ.ＢｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅＢＪＺ－１ꎬｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙꎬｉｎｉｔｉａｌｓｔｉｆｆ￣ｎｅｓｓａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＢＪＺ－２ｗｅｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１３.０２％ꎬ１３.３３％ａｎｄ１８.５０％.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｌｌｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓꎬｔｈｅｃｒａｃｋｓｗｅｒｅｆｉｒｓｔｌｙｆｏｒｍｅｄꎬｔｈｅｎｃｏｎｃｒｅｔｅｓｗｅｒｅｃｒｕｓｈｅｄａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｂａｒｓｗｅｒｅｙｉｅｌｄｅｄꎬｂｕｔｔｈｅｓｔｉｒｒｕｐｓｗｅｒｅ
ａｌｗａｙｓｉｎｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｓｔａｇｅꎬｗｈｉｃｈｗｅｒｅａｌｌｅｘｐｒｅｓｓｅｄｗｉｔｈｂｅａｄｉｎｇｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ.
ＫｅｙＷｏｒｄｓ:ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎꎻｂｕｎｄｌｅｄｓｔｅｅｌｂａｒꎻｓｈｅａｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒꎻｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅꎻｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
第４５卷第４期２０２３年１２月
㊀㊀㊀㊀㊀㊀
南昌大学学报(工科版)
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)
Ｖｏｌ.４５Ｎｏ.４Ｄｅｃ.２０２３
㊀
㊀㊀纵向钢筋套筒连接是装配式混凝土结构预制柱之间的主要连接方式ꎬ对预制柱及相应结构的抗震性能影响较大[１]ꎮ在预制柱与预制柱连接处ꎬ须采用全灌浆套筒或半灌浆套筒将每根纵向钢筋进行连接ꎬ以保证钢筋受力的连接性ꎬ并符合等同现浇的要求[２－４]ꎮ然而ꎬ当连接处纵向钢筋数量较多时ꎬ所采用的灌浆套筒数量也较大ꎬ并增加灌浆料用量㊁注浆时间和灌浆套筒施工质量检测步骤等[５－６]ꎮ
在纵向钢筋连接处采用并筋等效直径的连接方
式ꎬ可有效减少纵筋的数量和提高连接效率[７]ꎮ徐有邻[８]对并筋的黏结锚固性能进行试验研究ꎬ并通过统计回归确定并筋的黏结锚固强度ꎬ提出了并筋锚固设计ꎮＡｌｙ等[９]研究基于ＣＦＲＰ钢筋的并筋梁受弯承载力ꎬ并提出极限承载力的计算方法ꎮ李文旭等[１０]对比分析了中国和美国规范中并筋的构造ꎬ指出了２种规范中锚固长度等参数的差异ꎮ薛伟辰等[１１]对并筋混凝土板受力性能进行试验研究ꎬ得到并筋混凝土板的抗弯承载力和设计计算方法ꎮＳｕｎ等[１２]对含普通钢筋和ＦＲＢ筋的并筋混凝土梁进行受弯性能研究ꎬ阐明了并筋的黏结机理ꎬ并得到其受弯承载能力ꎮ
本文提出一种基于并筋的装配式混凝土柱ꎬ包
括普通纵向钢筋㊁并筋㊁异径半灌浆套筒㊁异径机械套筒和抗剪连接件(由抗剪件㊁抗剪钢板和预埋钢筋组成)等ꎮ基于并筋的装配式混凝土柱如图１所示ꎮ并筋柱的特点在于连接处采用角部并筋㊁其他纵筋不变的方法ꎬ且并筋总面积与非套筒灌浆截面纵筋总面积相等ꎬ使得角部连接处并筋钢筋截面总面积与普通纵筋截面总面积相等ꎮ对于并筋截面处的其他纵筋ꎬ其上㊁下间断开ꎬ仅通过角部４根纵向钢筋进行连接ꎮ同时ꎬ在柱－柱连接处设置抗剪连接件ꎬ以提高其受剪承载力ꎬ可应用于多层建筑或装配式柱中反弯点连接处ꎮ因此ꎬ并筋与上部普通纵筋之间采用异径半灌浆套筒ꎬ使其能将２种不同直径的纵向钢筋进行可靠连接ꎻ并筋与下部普通纵筋采用异径机械套筒连接ꎮ
设计和制作现浇混凝土柱㊁基于并筋的普通装配式混凝土柱(下文简称普通并筋柱)和基于并筋的带抗剪连接件装配式混凝土柱(下文简称带抗剪件并筋柱)的试验模型ꎬ并进行拟静力加载试验ꎬ得到其破坏模式㊁钢筋应变㊁滞回性能和骨架曲线等ꎮ预计将有效减少套筒数量和灌浆料的用量ꎬ并提高装配式混凝土柱中套筒灌浆连接的注浆和检测效率ꎮ
抗剪连接件
并筋
异径半灌浆套筒普通钢筋普通钢筋
中间断开异径机械套筒
坐浆层
普通半灌浆套筒(ａ)普通装配式混凝土柱
(ｂ)普通并筋柱(ｃ)带抗剪件并筋柱
图１㊀基于并筋的装配式混凝土柱
Ｆｉｇ.１㊀Ａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎｗｉｔｈｂｕｎｄｌｅｄｓｔｅｅｌｂａｒｓ
１㊀试验概况
１.１㊀试件模型与材料性能
１)试件模型ꎮ设计了３个试验模型ꎬ如图２所
示ꎬ分别为现浇混凝土柱(ＸＪＺ－１)㊁普通并筋柱(ＢＪＺ－１)和带抗剪件并筋柱(ＢＪＺ－２)ꎬ以研究基于并筋的装配式混凝土柱的抗震性能ꎮ各试件中混凝
土柱截面均为３００ｍｍˑ３００ｍｍꎬ高度为１５００ｍｍꎻ混凝土底座截面尺寸均为４５０ｍｍˑ４５０ｍｍꎬ长度为
１２００ｍｍꎬ强度等级为Ｃ４５ꎻ预埋钢板尺寸为１５０ｍｍˑ１５０ｍｍˑ１０ｍｍꎻ图２(ｃ)中ꎬ抗剪连接件尺寸为４０ｍｍˑ４０ｍｍˑ３ｍｍꎬ高度为１２０ｍｍꎬ为Ｑ３４５钢材ꎮ另外ꎬ异径半灌浆套筒满足ＪＧ/Ｔ３９８ ２０１９
«钢筋连接用灌浆套筒»[１３]规范要求ꎬ且纵向钢筋在
７３３ 第４期㊀㊀㊀㊀㊀谭光伟等:基于并筋的装配式混凝土柱抗震性能试验
(ａ)ＸＪＺ－１(ｂ)ＢＪＺ－１(ｃ)ＢＪＺ－２图２㊀各试验模型构造详图
Ｆｉｇ.２㊀Ｄｅｔａｉｌｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｏｄｅｌｓ
套筒内的埋深为７倍的钢筋直径ꎮ
２)并筋柱的设计原则ꎮ为保证并筋柱角部４根纵向钢筋在连接具有足够承载力ꎬ须使并筋处半灌浆套筒内的纵向钢筋总面积与未设套筒截面处钢筋的总面积相等ꎬ具体可表示为
４Ａｓ并＝ｎˑＡｓ普(１)式中:Ａｓ并为并筋处单根角部纵筋的面积ꎻｎ为装配式混凝土柱中纵向钢筋总数量ꎻＡｓ普为单根普通纵筋的面积ꎮ因此ꎬ在试件ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２中ꎬ普通纵筋直径为１６ｍｍꎬ并筋处角部纵筋直径为２２ｍｍꎬ且箍筋的设置满足ＪＧ/Ｔ３９８ ２０１９的要求[１３]ꎮ另外ꎬ试件ＢＪＺ－２预埋件底部与预埋钢板焊接连接ꎬ且在预埋钢板底部设置４根１６ｍｍ预埋钢筋ꎮ３)材料性能ꎮ各模型中所采用的１６ｍｍ钢筋屈服强度值ｆｙ和抗拉强度值ｆｕ分别为４３４ＭＰａ和６０７ＭＰａꎬ伸长率为１７.４４％ꎻ２２ｍｍ钢筋的ｆｙ和ｆｕ分别为４７３ＭＰａ和６２６ＭＰａꎬ伸长率为２１.５５％ꎮＣ４５混凝土平均轴心抗压强度为２７.８５ＭＰａꎮ１０ｍｍ厚预埋钢板的ｆｙ㊁ｆｕ㊁弹性模量Ｅ㊁伸长率δ分别为３６０ＭＰａ㊁５２５ＭＰａ㊁２０４ＧＰａ㊁２２.１％ꎮ对异径半灌浆套筒连接进行拉伸试验研究ꎬ断裂发生在１６ｍｍ钢筋上ꎬ即灌浆套筒有足够承载力ꎮ
１.２㊀加载装置与加载制度
１)加载装置ꎮ本次试验在南昌大学结构工程实验室进行ꎮ试验装置如图３所示ꎬ主要包括水平作动器㊁反力架㊁竖向千斤顶㊁限位装置㊁球铰㊁地锚㊁连接螺杆㊁连接钢板等ꎮ水平作动器一侧与反力墙之间采用固定连接ꎬ另一侧与柱顶一侧之间也采用固定连接ꎬ最大输出荷载为１０００ｋＮꎬ并配合高精度伺服液压控制台使用ꎬ可同时采集荷载和位移ꎮ竖向千斤顶一端固定在反力架上ꎬ另一端与试件间设置球铰ꎬ由此施加竖向荷载且试件在水平荷载下能发生水平变形ꎮ另外ꎬ试件的底梁通过２根螺杆与地槽固定连接ꎬ并在梁的两端安装有限位装置ꎬ以满足限制底梁在水平荷载输出时发生移动
ꎮ
(ａ)正面图(ｂ)侧面图
图３㊀加载装置
Ｆｉｇ.３㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｅｔｕｐｄｉａｇｒａｍ
８３３ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀
㊀㊀２)加载制度ꎮ本次试验分２次进行加载ꎮ首先通过竖向千斤顶沿柱轴向施加轴力ꎬ使柱的轴压比达到０.２ꎮ随后ꎬ保持竖向轴力不变ꎬ通过作动器施加水平往复荷载ꎬ各加载部中位移分别为ʃ１㊁ʃ２㊁ʃ４㊁ʃ８㊁ʃ１２ｍｍ㊁随后以４ｍｍ级差逐渐加载ꎬ直至
试件发生破坏时停止加载ꎮ另外ꎬ加载方式采用三角波循环加载ꎬ每级位移幅值循环往复３次[１４]ꎮ１.３㊀量测方案
对各试件的量测内容主要包括水平往复加载时
各加载步的荷载和位移ꎬ以及纵向钢筋和箍筋在关键位移处的应变ꎮ对于位移和应用的量测方法ꎬ具体如下:
１)位移测量ꎮ虽然采用的水平作动器可直接
输出不同位移下所对应的荷载和位移ꎬ但仍在加载处混凝土柱两侧各施加一个水平位移计１和水平位移计２ꎬ以校正所输出的位移ꎬ位移测点布置如图４所示ꎮ
S 6
S 5
S 6
S 5
S 6
S 5
位移计1
位移计1
位移计2
S 7
S 4S 3S 2S 1位移计1
位移计2
S 7
S 4S 3S 2S 1位移计2
S 4S 3S 2S 1(ａ)ＸＪＺ－１
(ｂ)ＢＪＺ－１(ｃ)ＢＪＺ－２
图４㊀位移及应变测点布置
Ｆｉｇ.４㊀Ｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅｓ
㊀㊀２)应变测量ꎮ为判断混凝土柱的破坏模式和应变分布ꎬ须对纵向钢筋应变进行准确测量ꎮ结合所设计的各试件ꎬ在异径灌浆套筒上端纵向钢筋上设置应变片Ｓ１和Ｓ２ꎬ灌浆套筒中间处设置应变片Ｓ３和Ｓ４ꎬ机械套筒下侧纵向钢筋上设置应变片Ｓ５和Ｓ６ꎻ在底梁上侧水平箍筋上设置应变片Ｓ７ꎬ如图４所示ꎮ各应变片测量的量程为－０.１５~０.１５ꎮ
２㊀试验现象与破坏形态
２.１㊀试件ＸＪＺ－１
对ＸＪＺ－１往复加载后ꎬ其破坏形态如图５所示ꎬ主要包括弹性阶段㊁开裂阶段和破坏阶段ꎮ由于加载时柱截面的东面和西面㊁南面和北面分别对称ꎬ对以下分析时仅取东面和南面进行描述
ꎮ
(ａ)东面裂缝发展
(ｂ)南面裂缝发展
图５㊀试件ＸＪＺ－１破坏过程图
Ｆｉｇ.５㊀ＦａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＸＪＺ－１ｓｐｅｃｉｍｅｎ
９３３ 第４期㊀㊀㊀㊀㊀谭光伟等:基于并筋的装配式混凝土柱抗震性能试验
㊀㊀１)弹性阶段ꎮ当加载位移小于８ｍｍ时ꎬ无裂缝产生ꎬ荷载－位移曲线基本处于弹性ꎮ
２)开裂阶段ꎮ当加载位移为１２~３２ｍｍ时ꎬ裂缝均发生东面ꎮ位移为１２ｍｍ的第１个正向加载时ꎬ距柱底６００ｍｍ处出现水平裂缝１２－①－１(位移－循环次数－第几条裂缝ꎬ下同)ꎬ随后出现水平裂缝１２－①－２ꎮ位移为１６ｍｍ时ꎬ试件出现水平短裂缝１６－②－１ꎬ继续加载时出现水平裂缝１６－②－２~１６－②－５ꎮ位移为２０ｍｍ时ꎬ底部向上发展竖向裂缝２０－①－１ꎬ随后出现水平长裂缝ꎬ且裂缝２０－③－１与裂缝１２－①－１相交ꎮ位移为２４ｍｍ时ꎬ第１次和第２次加载时均出现水平长裂缝并贯穿整个截面ꎮ位移为３２ｍｍ时ꎬ出现水平斜裂缝３２－②－１ꎬ并与１６－②－５相交ꎮ
３)破坏阶段ꎮ加载方向的南面ꎬ位移为３６ｍｍ时ꎬ右侧出现贯穿柱的水平裂缝３６－①－１ꎮ位移为４４ｍｍ时ꎬ南面中间出现水平裂缝ꎻ东面左侧柱底出现斜裂缝ꎮ位移为４８ｍｍ时ꎬ左侧出现水平裂缝４８－①－１和斜裂缝４８－①－２ꎻ随后沿底部中间产生斜裂缝４８－③－１和垂直裂缝４８－③－２ꎮ位移为５２ｍｍ时ꎬ将产生水平裂缝３６－①－１相交的竖向裂缝５２－③－１和５２－③－２ꎮ最后ꎬ位移为５６ｍｍ时ꎬ柱底出现混凝土被压碎ꎬ且发生纵筋弯曲ꎬ并有明显的非弹性变形ꎬ试验停止ꎮ
以上分析表明ꎬ试件在东面柱底两侧出现大量水平裂缝ꎬ随后在南面柱底部出现水平和竖向裂缝ꎬ并伴随着柱底混凝土压碎和纵筋弯曲后ꎬ试件发生受弯破坏ꎬ最终达到极限位移ꎮ
２.２㊀试件ＢＪＺ－１
ＢＪＺ－１进行往复加载后的破坏形态如图６所示ꎬ同样包括弹性阶段㊁开裂阶段和破坏阶段ꎮ１)弹性阶段ꎮ当加载位移小于４ｍｍ时ꎬ无裂缝产生ꎬ荷载－位移曲线基本处于弹性ꎮ
２)开裂阶段ꎮ位移为８ｍｍ时ꎬ南面出现竖向短裂缝８－②－１ꎮ位移为１２ｍｍ时ꎬ东面左侧出现水平裂缝１２－①－１㊁斜裂缝１２－①－２和水平裂缝１２－③－１与１２－③－２ꎮ位移为１６ｍｍ时ꎬ此时东面出现斜裂缝１６－①－１~１６－①－４ꎬ随后南面沿短裂缝８－②－１向上发展斜裂缝ꎮ位移为２０ｍｍ时ꎬ东面右侧出现水平裂缝２０－①－１和斜裂缝２０－①－２ꎻ随后南面出现水平裂缝２０－②－１和２０－②－２ꎮ位移为２４ｍｍ时ꎬ东南出现水平裂缝２４－②－１ꎬ且随后出现斜裂缝２４－②－２ꎬ并与裂缝１６－①－４相交ꎮ位移为３２ｍｍ时ꎬ右侧出现竖向裂缝３２－②－１ꎬ且裂缝宽度为１.７ｍｍ时脱落ꎮ同时ꎬ２个异径半灌浆套筒上部纵筋一侧受弯屈曲ꎮ
３)破坏阶段ꎮ位移为４０ｍｍ时ꎬ东面左侧距柱底３００~８００ｍｍ区域出现混凝土大面积压碎并脱落现象ꎻ随后ꎬ东南左侧距柱底３００ｍｍ以下的混凝土也出现压碎现象ꎬ灌浆套筒出现外露ꎮ位移为４４ｍｍ时ꎬ底部坐浆层出现脱落ꎻ位移为４８ｍｍ时ꎬ已经发生明显破坏和非弹性变形ꎬ试验停止
ꎮ
(ａ)东面裂缝发展(ｂ)南面裂缝发展
图６㊀试件ＢＪＺ－１破坏过程图
Ｆｉｇ.６㊀ＦａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＢＪＺ－１ｓｐｅｃｉｍｅｎ
㊀㊀以上分析表明ꎬ试件东面产生大量水平裂缝和
沿注浆孔对角斜裂缝ꎬ南面底部也产生水平和斜裂
缝ꎬ且柱底混凝土被压碎ꎮ随后ꎬ２个灌浆套筒上部
的纵筋连接处一侧受弯屈服ꎬ且坐浆层大面积脱落ꎬ
试件受弯破坏ꎬ最终达到极限位移ꎮ
２.３㊀试件ＢＪＺ－２
对ＢＪＺ－２进行往复加载后ꎬ其破坏形态如图７
所示ꎮ具体破坏形态如下:
０４３ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀
１)弹性阶段ꎮ当试件位移不超过４ｍｍ时ꎬ各
截面无裂缝产生ꎬ力学曲线基本处于弹性ꎮ
２)开裂阶段ꎮ位移为８ｍｍ时ꎬ东面左侧出现水平裂缝８－②－１和８－②－２ꎻ继续加载时ꎬ沿柱底中部出现短斜裂缝８－③－１和水平裂缝８－③－２ꎮ位移为１２ｍｍ时ꎬ沿左右两侧边缘产生水平裂缝１２－①－１㊁竖向裂缝１２－①－２以及水平裂缝１２－①－３ꎮ位移为１６ｍｍ时ꎬ南面左侧出现水平裂缝和坐浆层裂缝ꎻ东面沿注浆孔方向产生斜裂缝ꎮ
位移为２０ｍｍ时ꎬ南面左侧发生水平裂缝和斜裂缝ꎮ位移为２８ｍｍ时ꎬ东面左侧出现水平裂缝ꎬ南面出现竖向长裂缝和水平裂缝ꎻ继续加载后ꎬ东面出现水平裂缝２８－③－１~２８－③－３ꎮ位移为３２ｍｍ时ꎬ南面左侧出现开裂并形成裂缝ꎮ位移为３６ｍｍ时ꎬ南面左侧出现竖向裂缝和水平裂缝ꎮ另外ꎬ位移为４０ｍｍ时ꎬ东面左㊁右两侧各一个灌浆套筒上部纵筋的一侧也发生受剪破坏ꎮ
３)破坏阶段ꎮ位移为５６ｍｍ时ꎬ南面出现水平裂缝５６－③－２ꎬ且柱底坐浆层出现大面积脱落ꎮ位移增大时ꎬ裂缝数量不再增加ꎬ但部分裂缝发生不同程度的扩展和延伸ꎬ且部分灌浆套筒外的混凝土出现压碎和脱落现象ꎮ位移为８０ｍｍ时ꎬ此时试件已经发生了明显破坏和非弹性变形ꎬ在这种情况下ꎬ试验停止
ꎮ
(ａ)东面裂缝发展
(ｂ)南面裂缝发展
图７㊀试件ＢＪＺ－２破坏过程图
Ｆｉｇ.７㊀ＦａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＢＪＺ－２ｓｐｅｃｉｍｅｎ
㊀㊀以上分析表明ꎬ试件ＢＪＺ－２与试件ＢＪＺ－１基本相同ꎬ首先东面产生大量水平裂缝和沿注浆孔对角斜裂缝ꎬ南面底部和上部也产生水平和斜裂缝ꎻ随后
混凝土出现压碎和脱落ꎬ且部分灌浆套筒上部纵筋一侧受弯屈服ꎬ试件发生预期的受弯破坏ꎬ坐浆层出现脱落ꎬ最终达到极限位移ꎮ
３㊀试验结果分析
３.１㊀荷载－位移曲线
往复荷载下ꎬ试件ＸＪＺ－１㊁ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２的荷载－位移曲线如图８所示ꎮ具体描述如下:
１)试件ＸＪＺ－１ꎮ往复加载下ꎬ其滞回曲线基本
对称且饱满ꎮ加载初期位移小于２.６ｍｍ(小震)时ꎬ试件处于弹性ꎬ曲线呈线性关系ꎮ随着位移增大ꎬ在东南和南面均出现水平和竖向裂缝ꎬ并进入弹塑性阶段ꎬ混凝土与钢筋之间的相对滑移逐渐增大ꎬ但承载力无明显下降ꎬ未出现捏缩现象ꎮ当位移为２７ｍｍ(大震)时ꎬ试件的承载力为８２.０３ｋＮꎬ各截面损伤较小且仍有较大延性ꎮ当位移为５６ｍｍ时达到
极限状态ꎬ柱底混凝土被压碎且纵向钢筋发生屈服和弯曲现象ꎮ
２)试件ＢＪＺ－１ꎮ往复加载下ꎬ当试件位移小于２.６ｍｍ时ꎬ荷载－位移曲线为线性关系ꎬ无任何裂缝ꎮ继续加载时ꎬ试件产生大量水平裂缝和斜裂缝ꎬ
且坐浆层也出现裂缝ꎮ位移为２７ｍｍ时ꎬ试件承载力为６１.５２ｋＮꎬ小于试件ＸＪＺ－１的承载力ꎮ当位移为３２ｍｍ时ꎬ滞回曲线开始出现不对称现象ꎬ这主要是由于正向加载时有２个灌浆套筒与上部连接处的钢筋一侧发生屈服现象ꎬ其正向承载力和刚度发生明显下降ꎻ反向加载时由于钢筋未屈服ꎬ其承载力不受影响ꎮ位移为４０ｍｍ时混凝土出现压碎和脱落现象ꎬ且位移为４８ｍｍ达到极限状态ꎮ
３)试件ＢＪＺ－２ꎮ往复加载下ꎬ当位移小于２.６ｍｍ时ꎬ试件力学曲线呈线性关系且无任何损伤ꎮ继续加载时ꎬ试件进入弹塑性阶段ꎬ东面出现大量水平裂缝和沿注浆孔对角斜裂缝ꎬ且南面底部和上部也产生水平和斜裂缝ꎮ位移达到２７ｍｍ时ꎬ试件承载力为７２.３６ｋＮꎬ高于试件ＢＪＺ－１的承载力ꎬ即柱
１４３ 第４期㊀㊀㊀㊀㊀谭光伟等:基于并筋的装配式混凝土柱抗震性能试验
底设置抗剪连接件可提高其承载力ꎮ当位移为４０
ｍｍ时ꎬ由于正向和反向加载时各有１个灌浆套筒与上部钢筋连接处发生受弯屈服现象ꎬ其承载力有所下降ꎬ但滞回曲线仍然对称ꎮ继续加载时ꎬ试件承
载力还有所提高ꎬ且裂缝数量不再增加但会继续扩展ꎮ当位移为８０ｍｍ时达到极限状态并停止加载ꎮ
第1条斜裂缝第1条水平裂缝
小震
大震
出现贯穿裂缝
位移/ｍｍ(ａ)ＸＪＺ－１
坐浆层开裂
第1条水平裂缝小震
大震出现贯穿裂缝
混凝土被压碎
纵筋一侧被剪断
位移/ｍｍ(ｂ)ＢＪＺ－１
坐浆层开裂
第1条斜裂缝
小震
大震混凝土被压碎
纵筋一侧被剪断
第1条水平裂缝位移/ｍｍ
(ｃ)ＢＪＺ－２
图８㊀各试件的荷载－位移曲线图Ｆｉｇ.８㊀Ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
３.２㊀骨架曲线
提取每次往复荷载中最大的力和位移ꎬ并将其相连得到骨架曲线ꎬ可确定实际的力－位移关系[１５]ꎮ试件ＸＪＺ－１㊁ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２的骨架曲线如图９所示ꎬ试件ＸＪＺ－１㊁ＢＪＺ－１㊁ＢＪＺ－２的初始刚度分别为
１０.５２㊁６.７５㊁７.６５ｋＮ ｍｍ－１ꎬ即现浇混凝土柱的初始刚度最大ꎻ普通并筋柱的初始刚度值最小ꎬ且设置抗剪件可使初始刚度值增大１３.３３％ꎮ另外ꎬ试件ＸＪＺ－１㊁ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２的最大荷载值分别为
９７.２５㊁６７.７０㊁８１.３１ｋＮꎬ对应的位移值分别为３６㊁３２㊁４０ｍｍꎬ但试件ＢＪＺ－２的极限位移最大ꎮ另外ꎬ３条骨架曲线在弹塑性阶段均存在波动现象ꎬ分析可能由于加载过程中水平和斜裂缝的产生使试件的承载力下降ꎮ然而ꎬ在随后的加载中纵向钢筋继续强化ꎬ使试件承载力在下一个位移步中又出现增大现象
ꎮ
位移/ｍｍ
图９㊀各试件的骨架曲线Ｆｉｇ.９㊀Ｂｏｎｄｃｕｒｖｅｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
３.３㊀应变变化规律
由于异径半灌浆套筒与上部１６ｍｍ纵筋连接处的纵筋受力和应变均大于其他部分ꎬ故在试件ＸＪＺ－１㊁ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２中取测点Ｓ１的荷载－应变曲线为研究对象ꎬ如图１０所示ꎮ各试件荷载－应变曲线与荷载－位移曲线走势也基本相同ꎮ试件ＸＪＺ－
１在小震和大震作用下对应的应变分别为０.１６３ˑ１０－３㊁１.７４０ˑ１０－３ꎬ小于１６ｍｍ直径钢筋的屈服应变
２.１７０ˑ１０－３ꎻ在位移为５６ｍｍ时的应变为３.２０８１ˑ１０－３ꎬ大于钢筋的极限应变３.０３５ˑ１０－３ꎮ试件ＢＪＺ－１
在小震和大震下的应变分别为０.２１５ˑ１０－３㊁２.０１２ˑ１０－３ꎬ小于屈服应变２.１７０ˑ１０－３ꎻ在位移为４８ｍｍ
时ꎬ极限应变为３.９６０ˑ１０－３ꎬ这主要是由于加载后期刚度退化严重所导致的ꎮ试件ＢＪＺ－２在小震和大震下的应变分别为０.１３３ˑ１０－３㊁１.７２４ˑ１０－３ꎬ小于屈服应变２.１７０ˑ１０－３ꎻ在位移为８０ｍｍ时ꎬ极限应变为
５.５９６ˑ１０－３ꎬ此时试件位移已经远超前２个试件的最
测点S 1
应变/１０－３
(ａ)ＸＪＺ－１
２４３ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀
测点S1
应变/１０－３
(ｂ)ＢＪＺ－１
测点S1
应变/１０－３
(ｃ)ＢＪＺ－２
图１０㊀各试件的荷载－应变曲线图
Ｆｉｇ.１０㊀Ｌｏａｄ￣ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
大加载位移ꎮ各试件在大震作用下纵向钢筋仍处于弹性状态ꎬ且具有较大延性ꎮ另外ꎬ各试件在达到极限状态时ꎬ纵向钢筋都发生了屈服ꎬ但箍筋均未见屈服ꎬ均发生弯曲破坏ꎮ
３.４㊀延性系数
延性系数μ是反映构件抗震性能的重要参数之一ꎬ为峰值位移Δｐ与屈服位移Δｙ的比值[１６]ꎮ表１给出了各试件的荷载与位移试验结果ꎬ包括屈服点㊁峰值点和极限点对应的正反向加载荷载及位移ꎬ以及延性系数ꎮ由于试件ＸＪＺ－１在达到极限位移时滞回曲线无明显下降ꎬ其峰值点和破坏点所对应的荷载与位移值分别相等ꎬ平均延性系数为５.４５ꎮ由于试件ＢＪＺ－１正向加载时在达到峰值后纵筋一侧发生受弯屈服现象ꎬ正向峰值位移取荷载降至８５％峰值荷载时所对应的位移ꎬ反向取极限位移点所对应的位移ꎬμ为３.５１ꎮ试件ＢＪＺ－２正㊁反向加载时的峰值位移也取荷载降至８５％峰值荷载时对应的位移ꎬμ为４.４３ꎮ因此ꎬ现浇混凝土柱的延性最好ꎬ且在并筋柱中设置抗剪连接件可有效提高其延性和承载力ꎮ
在轴力㊁剪力和弯矩的共同作用下ꎬ普通并筋柱(ＢＪＺ－１)和带抗剪件并筋柱(ＢＪＺ－２)相比现浇混凝土柱(ＸＪＺ－１)ꎬ其最大承载能力分别下降３０.７４％㊁１６.８０％ꎬ峰值位移和钢筋应变等也有所增大ꎬ即试件ＸＪＺ－１的抗震性能优于比试件ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２ꎮ然而ꎬ对于带抗剪件的并筋柱ꎬ其底部抗剪连接件的设置可提高其受剪承载力ꎮ另外ꎬ由于结构柱中部可能出现反弯点ꎬ可将该种带抗剪件并筋柱用于反弯点处ꎮ其中ꎬ轴力和较小弯矩由套筒灌浆连接承担ꎬ剪力由套筒和抗剪连接件共同承担ꎬ其连接处的承载要求可低于柱底的承载要求ꎮ同时ꎬ所有装配式混凝土柱均在楼层中间处进行套筒灌浆连接ꎬ在装配式混凝土柱与装配式混凝土梁连接处采用干式节点ꎬ可更好地形成全装配式混凝土结构ꎬ为装配式建筑结构的发展提供新的方法ꎮ
表１㊀试件ＸＪＺ－１㊁ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２的延性系数
Ｔａｂ.１㊀ＤｕｃｔｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓＸＪＺ－１ꎬＢＪＺ－１ａｎｄＢＪＺ－２
编号方向
屈服峰值极限
Δｙ/ｍｍＰｙ/ｋＮΔｐ/ｍｍＰｐ/ｋＮΔｕ/ｍｍＰｕ/ｋＮμ均值
ＸＪＺ－１正向１０.３６４７.９０５６.００９６.１９５６.００９６.１９５.４１负向－１０.２２－４７.３４－５６.００－９５.８０－５６.００－９５.８０５.４８
５.４５
ＢＪＺ－１正向１０.９４４２.７０３３.０７５７.５０４８.００４０.９０３.０２负向－１１.１２－４２.６７－４８.００－６７.６０－４８.００－６７.６０４.００
３.５１
ＢＪＺ－２正向９.９７４１.１０４１.３８６２.２４８０.００７６.５２４.１５反向－９.７２－４１.２２－４０.７８－６１.５８－８０.００－７５.８５４.２０
４.１８
４㊀结论
㊀㊀１)试件ＸＪＺ－１在东面柱底出现水平裂缝ꎬ随后南面柱底出现水平和竖向裂缝ꎬ最后柱底混凝土压碎和纵筋弯曲ꎻ试件ＢＪＺ－１与ＢＪＺ－２的破坏形态基本相同ꎬ表现为东面产生水平裂缝和沿注浆孔对角斜裂缝ꎬ随后南面产生水平和斜裂缝ꎬ混凝土出现压碎和脱落现象ꎬ最后异径灌浆套筒上部纵筋一侧受弯屈服ꎬ且坐浆层大面积脱落ꎮ
２)对比试件ＸＪＺ－１㊁ＢＪＺ－１和ＢＪＺ－２荷载－位
３４３
第４期㊀㊀㊀㊀㊀谭光伟等:基于并筋的装配式混凝土柱抗震性能试验
移曲线可知ꎬ现浇混凝土柱试件ＸＪＺ－１承载能力㊁初始刚度和延性系数最大ꎬ具有最好的抗震性能ꎻ相比未设抗剪件的并筋柱ＢＪＺ－１ꎬ设置抗剪件的并筋柱ＢＪＺ－２的承载力㊁初始刚度和延性系数分别提高
１３.０２％㊁１３.３３％㊁１８.５０％ꎮ
３)试件ＢＪＺ－２的屈服荷载㊁峰值荷载和极限荷载均小于试件ＸＪＺ－１ꎬ但极限位移值高于试件ＸＪＺ－１ꎬ即该种在带抗剪连接件的并筋柱可用于装配式混凝土柱受力较小处(如柱间)ꎬ且宜尽可能增大抗剪件面积和高度ꎮ
(４)各试件在加载过程中ꎬ均产生水平裂缝ꎬ继续加载时出现纵筋屈服且混凝土出现局部脱落现象ꎬ但箍筋未发生屈服ꎬ即各试件的破坏模式均为弯曲破坏ꎬ满足 强剪弱弯 的要求ꎮ
基于并筋的装配式混凝土柱中ꎬ纵筋与套筒连接处的屈服现象会导致承载力下降和往复荷载下荷载不对称ꎮ对并筋柱进行设计时须防止此处截面发生受剪破坏ꎮ另外ꎬ抗剪连接件的高度也须进一步开展有限元参数化研究ꎬ这也是下一步须重点解决的问题之一ꎮ
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４４３ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀。