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预制混凝土梁柱连接的开发与试验
H.-K. Choi a , Y.-C. Choi b , C.-S. Choi a,*
a Hanyang University, Department of Architectural Engineering, 17 Haengdang-Dong, Seongdong-Gu, Seoul 133-791, Republic of Korea
b Chungwoon University, Department of Building Equipment and Fire Protection System, San 29 Namjang-ri Hongseong-gun, Chungnam 350-701, Republic of Korea
摘 要：五个1/2缩尺框架的一部分的梁柱中节点进行模拟地震荷载试验，包括1个整体件和4个预制试件。变量包括在节点处用于实现梁钢筋结构连续性的细节，以及连接处的特殊钢筋类型(无论是ECC还是横向钢筋)。试件设计遵循强柱弱梁的概念。梁钢筋的详细设计是为了在梁上行成塑性铰以满足在接缝处施加较大的非弹性剪切力的要求。从连接强度、刚度、耗能和侧移能力方面对节点性能进行评价。从试验结果来看，梁的塑性铰控制了试件的破坏。总的来说，梁柱连接的性能是令人满意的。节点强度是整体钢筋混凝土构造预期强度的1.15倍。由于ECC和屈服钢板的拉伸变形能力，试件性能是有延性的，因此当偏移到3.5%的时候，强度几乎是恒定的。
关键词：预制混凝土；梁柱；连接；钢板连接；工程水泥基复合材料；抗震性能
- 引言
与现浇混凝土相比预制混凝土构件在使用和质量上,有着诸多优势:质量控制更好,随时供应的优质骨料,因为通过专业工厂劳动力进行更好的配料和质量控制得到更高的强度。然而，预制构件之间的节点存在一些问题。节点可以被认为是预制混凝土结构中最薄弱和最关键的部分。预制混凝土框架结构在大多数国家的高震区应用并不广泛[1-4]。特别是梁柱连接，是预制混凝土施工的重要组成部分。为了满足框架整体的结构要求，每个节点必须具有在预制构件之间安全地传递竖向垂直剪切、横向水平剪切、轴向拉伸和压缩、偶然传递弯矩和扭转的能力。构件之间的力的传递以及最终框架的性能是由连接的特性决定的。然而，在实践中，预制连接件的性能没有很好地确定，也没有完全理解，以满足预制技术设计和施工发展所需的要求。
现浇钢筋混凝土节点预制钢筋混凝土系统是一种设计用于多层建筑抗震的现浇钢筋混凝土结构。由于预制钢筋混凝土系统对地震荷载是明显不合理的，这些预制混凝土系统被设计为具有适当水平的强度，刚度，延性和能量耗散特性，至少等效于常规钢筋混凝土(RC)系统。这使得预制体系不能广泛应用于各种建筑[5]。众所周知，预制框架结构的挑战在于找到经济和实用的方法来连接预制混凝土构件，以确保足够的刚度，强度，延性和稳定性。近年来进行的一些试验研究显著提高了我们对预制混凝土构件[6]之间连接性能的理解。例如，内部抗力机制已经被确认和理解，并且设计和详细要求已经开发出来[7-10]。在一些研究项目中，预制构件被连接在梁柱节点区域;在其他情况下，构件连接在跨中(梁)和高度（柱）中间。由于使用单向周边框架的一个优点是降低了梁柱节点设计和施工的复杂性，许多研究都集中在周边预制混凝土框架节点的性能上[1-10]。
在仿真系统中，预制梁在梁柱节点处通常拼接连接。可以通过专用钢套管或搭接钢筋弯曲成90°标准弯钩实现拼接。在其他情况下，实现节点处连续性的方法有粘结后拉，无粘结后拉，或在低碳钢筋节点处灌浆，但在与柱的连接处无粘结力[6-10]。本文报道了混凝土框架在循环荷载作用下的性能预制混凝土梁柱连接的加载是在韩国开发和应用的。在研究的框架中，根据ACI- asce[11]和ACI 318-05的要求，设计和细节旨在模拟整体结构[12]。本研究的主要目的是研制一种能抵抗地震荷载的混凝土框架的预制钢筋混凝土构件延性抗弯连接。本研究是为了评估节点在大剪切力和粘结力的要求下的性能、刚度、变形、和强度。
- 研究意义
基于对1/2缩尺连接的实验研究，研究的目的是进一步发展形成安全和经济的延性预制钢筋结构，符合建筑规范的要求。本研究提供的试验数据表明，所研制的梁柱节点的抗震性能相当或由于传统现浇连接节点。使用它们节省了施工时间和成本，保证了更好的质量控制，并建议实现标准化。
- 文献综述
3.1传统的连接
近年来，对设计预制梁-柱连接节点的性能抵抗地震荷载进行了一些研究。主要问题与预制构件耗能能力低和在节点处的强度有关，即结构承受大的非弹性变形而不损失强度的能力。许多类型的梁柱连接已经研制出连接预制梁和柱。预应力混凝土协会（PCI）推荐的25个典型预制梁柱连接详图是基于简单性、耐久性和施工容许误差而不是基于强度和刚度。因此，这些细节都表现出以下一个或多个缺点:安装缓慢，没有可靠的弯矩承载能力、施工容许误差问题，以及造价昂贵连接硬件。预应力和混合连接的细节是主要的减少对关节的损害的延性连接。然而,必须在梁柱节点处设置穿筋孔道使其施工复杂并且需要引入额外的设备和技术来引入预应力[13-14]。Dywidag延性连接(DDC)方法，将延性荷载插入柱中，用螺栓连接梁柱，从而完成所有的结构连接，是一个经济的连接方法具有良好的延展性。然而，它具有延性荷载造价高、施工精度要求高等缺点 [15-17]。
1993年，Soubra[18]提出了一种新的预制柱-梁连接节点的方法，即在预制梁柱上安装U型钢筋，将钢筋连接在一起，并在节点处现场浇筑纤维钢筋混凝土(FRC)。对外部类型连接的抗震性能进行了试验研究，结果表明，纤维显著提高了抗震性能。然而，这种连接方式在装配U型钢筋和浇筑FRC方面存在缺点。Alcocer[2]研制了一种新的连接方法，使用箍筋限制预制柱下部的钢筋的弯钩。对构件的抗震性能的评估表明，节点设计所需的强度、刚度和变形得到了保证。然而, 在较窄的缝芯中需要安装多个钢筋，使得钢筋的制作比较复杂。为了提高连接的可构造性，Khaloo [19]研制了一个连接方法，其中接头用于连接接合面处的半预制梁的下部钢筋，而不是将其连接到预制梁柱节点。研究表明，节点承载力受轴向荷载的影响，连接长度内设置的水平钢筋对变形能力有很大影响。虽然研究发现这些细节在抗震性能方面非常出色，但它们的现场应用并不十分可行。
3.2发展的连接
本研究中提出的新连接细节的特点是延性连接，钢连接件，工程水泥基复合材料（ECC）是一种高性能的多细裂纹纤维增强水泥基复合材料（hpfrcs），用于改善预制构件的节点处施工性能，并有效地在非连续预制构件之间传递应力。钢连接件的制作包括用螺栓连接钢管和钢板，这些钢管和钢板通常放置在预制柱和梁内，并在现场将ECC浇筑到梁和接头的某些部分 (参考图1和2)。
该连接件具有连接简单、可施工性好等优点。此外，与标称混凝土相比，ECC中1%的纤维体积分数可将拉伸变形性提高3–4%。它能提供足够的韧性来抵抗水平荷载(如地震)引起的剪应力，从而提高了节点的抗震性能。在本研究建议的ECC中，确保流动性是必不可少的。因此，通过改变纤维类型和体积分数而得到自密实ECC[20 21]。此外，本文还提出了两种梁柱连接方式:一种是在一定距离(0.3d;d是从柱面（图3所示的外部类型)开始的梁宽度）, 另一种是在柱面处连接梁和柱（图3所示的类型）。对于外部类型，通过确保与柱面之间的距离（0.3d），在连接件的外部设计了一个塑料铰链，并且通过更容易的构件提升，预计可加工性将得到改善。连接处避免了在接缝处相互交叉的钢筋之间的相互打断，预制梁处的下部钢筋不会突出到外面，并且可以在工厂中轻松生产。其制作过程如下:(1)预制柱搭设后，将预制梁拼装并栓接连接到柱钢连接件上;(2)板采用同一钢连接件或承板安装;(3)对螺栓施加初始预应力，提高节点刚度和抗震性能;(4)将ECC浇筑到每个节点上。
- 试样设计及试验程序
4.1试样设计
为了评估本研究中开发的预制梁柱连接的抗震性能，设计了内部连接的梁柱试件，包括U形梁柱接头的现场ECC面积、梁柱强度比、横向钢筋的存在和连接细节等变量。根据先前研究[22,23]中建议的塑性铰移动距离1.0d，决定梁中的原位ECC面积在0.7d（250mm）和1.4d（500mm）之间，因为由于ECC的高拉伸变形能力，梁柱接合面处的塑性铰可以扩散到梁的内部。
图1 系统概念描述 图2 预制混凝土梁柱连接的说明
一般来说，在进行结构抗震设计时，通过允许结构的非线性工作性状，可以显著降低设计地震荷载。为了保证结构的延性性能，各构件应有足够的位移能力，并且塑料铰应均匀分布在建筑物的整个高度上。为此，需要通过为此，需要通过提高柱的承载力来延缓柱的弯曲屈服，并通过将非线性变形均匀分布到每层梁上来提高结构的延性和耗能能力，就是通常采用的强柱弱梁的设计概念。为了满足这一概念，ACI 318-05[10]和KCI[11]指出上、下柱抗弯强度之和应比两侧梁的抗弯强度总和大1.2倍，以避免特殊抗弯框架体系中柱的过早垮塌。此外，ACI-ASCE 352[12]建议在强震区为1.4倍。
图3 建议的连接类型
抗弯框架体系的线性分析表明，连接处的上、下柱呈现两种不同的弯矩分布。然而，根据已有的研究成果[24,25]，具有非线性性状的实际抗弯框架的弯矩分布与理想的门式刚架不同，即使采用强柱弱梁的概念设计结构，柱的弯曲屈服的可能性也很大。因此，Bracci和Dooley[25] 超过生命安全极限状态的可能性的角度研究了钢筋混凝土框架系统的性能，并提出柱梁强度比应大于2.0。一般情况下，当抗弯强度比大于1.0时，则在梁上形成塑性铰。然而，在这种情况下，大部分损伤集中在梁柱连接处。如果抗弯强度比远远大于1.0，则临界损伤发生在离节点稍远的梁段。梁柱连接的承载力随着抗弯强度比强度比从1.0到1.9的变化而增加 [24-26]。
如前所述，抗弯强度比对连接能力有较大的影响。因此，评估抗弯强度比对本研究中研制的连接方法有影响。对照试件的抗弯强度比设计为1.6，在规范[11,12]建议的范围。PC试件的抗弯强度比为1.3小于对照试件的抗弯强度比。通过设计，研究了抗弯强度比较小的PC试件在连接处的破坏机理和性能。另外，还设计了上述两种连接方式来评估连接方式对PC性能的影响:外部连接方式和内部连接方式。
这些试件代表了一个原型办公结构底层的1/2缩尺的梁柱连接。这座建筑的基本结构体系为周边抗弯框架。原型建筑为矩形，15层高，平面图尺寸为24 times; 30 m。所有预制柱的尺寸为350 times; 350 mm，并采用200 times; 200 times; 12 合金型钢作为插入预制柱的钢管。在两侧焊接与梁连接。梁的尺寸为350 times; 400 mm, PL-334 times;748(690) times; 12作为插入预制梁的钢板。混凝土的公称抗压强度为27 MPa，钢接头和钢筋均采用SD40。螺栓的紧固强度提高了结构的刚度连接。
ACI 318-05[12]标准将地震荷载下钢筋混凝土梁柱节点的设计分为非地震区(类型1)和地震区(类型2)。作为柱的一部分，梁柱节点至关重要的，因为节点失效会对结构造成相当严重的损害。因此,在满足梁柱节点的设计延性准则之前，梁柱节点的塑性铰承载力应大于梁的承载力。为了满足这一要求，通过比较柱的设计强度得出的以及梁的超额强度(通过考虑钢筋的应变硬化)，柱设计为不在柱中出现塑性铰 (参考当前的设计抗弯强度比[11,12])。然而，由于梁中存在塑性铰，梁柱节点的承载力有时会降低，因此在达到设计延性标准之前，节点可能会发生破坏。这是由于靠近节点的梁中主受拉钢筋屈服形成塑性铰时，梁截面中性轴高度减小，残余变形增大的现象。在这种情况下，贯穿节点的梁中主受拉钢筋的应变增加会影响节点混凝土受压区斜裂缝宽度的增加，从而改变节点的性能。因此，本研究考虑梁内主受拉钢筋的屈服点，计算梁的抗弯强度比。
因此，所有试件在梁屈服和承载能力后都要经历节点破坏。根据公式(1)(ACI 352R-02)，乘以有效节点截面积，计算节点抗剪强度Vj。式中，抗剪强度系数c为1.660（类型1）和 1.245（类型2）。
（1）
梁钢筋屈服时的节点抗剪强
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