与现浇混凝土框架相比, 预制混凝土框架具有现场湿作业少、构件质量好、节省模板和支撑、环境污染小等优点, 综合效益显著^[1]。

预制混凝土框架结构的整体性能很大程度上依赖于其节点性能的优劣。节点连接在满足受力性能要求的前提下, 应尽量减少现场拼装时间。节点处构造较为复杂, 施工过程中质量难以保证, 往往使得节点成为结构中的薄弱环节^[2]。地震中预制混凝土框架的破坏多发生在节点处。

目前, 预制混凝土框架中柱纵筋常采用套筒灌浆连接、浆锚搭接连接及螺栓连接等方式连接。套筒灌浆连接、浆锚搭接连接需在套筒或预留插筋孔中灌注高强灌浆料, 施工流程要求严格、质量难以控制且不易检测;相比而言, 螺栓连接构造简单、施工便捷、质量可控, 但其受力性能尚有待进一步研究。

从系统查阅的文献资料来看, 目前国内外针对柱纵筋采用螺栓连接的预制混凝土框架节点的研究很少, 相关研究工作主要针对套筒灌浆连接预制混凝土框架节点展开。在国外, Park等^[3]对节点核心区现浇的预制混凝土框架节点进行了试验研究, 结果表明该类型节点具有较高的承载力、较好的延性及耗能能力, 可以满足设计要求;Stone等^[4]通过对不同构造预应力混合连接节点进行试验研究, 得出了混合连接节点残余变形小、耗能能力强的结论;Ertas等^[5]的研究表明构造合理的螺栓连接节点具有较好的强度、延性和耗能指标。在国内, 2008年薛伟辰等^[6]通过开展现浇柱叠合梁框架节点抗震性能试验研究, 认为现浇柱叠合梁框架节点满足“强柱弱梁”“强节点弱构件”要求;赵斌等^[7]通过试验发现预制高强混凝土结构后浇整体式梁柱组合件与现浇对比试件具有相同或相近的抗震能力。

总体而言, 国内外有关预制混凝土框架节点的试验研究存在以下问题: (1) 目前预制混凝土框架中柱纵筋多采用套筒灌浆连接, 施工过程复杂、质量难以保证且不易检测; (2) 已有试验研究中, 柱轴压比均较小, 高轴压比下预制混凝土框架节点的研究较为缺乏; (3) 已有研究大都未考虑楼板对节点受力性能的影响。

针对上述问题, 本文首先提出了一种新型预制混凝土框架节点, 该节点由预制柱、叠合梁及后浇节点核心区组成。其中, 上、下预制柱间通过预埋的螺栓系统进行连接。本课题组前期完成的框架柱试验表明这一连接构造可保证预制柱具有良好的受力性能^[8]。在此基础上, 本文拟通过高轴压比下足尺框架节点模型试验, 探讨该新型节点的受力性能及其在工程应用中的可行性。

本文提出的新型预制混凝土框架节点由叠合梁、预制柱及后浇节点核心区组成。其中, 上、下预制混凝土柱间采用预埋的新型螺栓系统进行连接。梁底纵筋在后浇节点核心区采用焊接连接, 上部纵筋设置于叠合层并现场绑扎。新型预制混凝土框架节点如图1所示。该节点整体性好、构造简单、施工便捷、质量可控, 适用于大开间住宅、公共建筑和工业厂房等, 应用前景广阔。

新型预制混凝土框架节点中采用的新型螺栓系统由芬兰Peikko集团设计并生产 (见图2) 。该螺栓系统由柱脚连接座 (HPKM) 和连接螺栓 (HPM) 组成, 柱脚连接座预埋于预制混凝土柱底部, 而连接螺栓预埋于预制混凝土柱顶部。柱脚连接座由底座、边板、纵向钢筋和弯起钢筋组成。底座中心设有圆孔, 边板焊接于底座周围, 纵向钢筋焊接于边板内侧上部, 弯起钢筋焊接于边板外侧下部。构件拼装时, 先将上层预制柱置于预先调平的螺母及垫片上, 然后将预制柱与预埋在下层结构的连接螺栓通过相配套的螺母和垫片紧固在一起, 并在预制柱与底部构件间的接缝和螺栓凹槽处灌注高强灌浆料。

需要说明, 为了提高新型预制混凝土框架节点的整体性, 采取了以下构造措施: (1) 在预制梁、板的表面与现浇混凝土接触部分进行了拉毛处理; (2) 在预制梁、柱的端部设置了剪力槽; (3) 在预制板沿梁长度方向的拼缝处设置补强筋; (4) 在预制柱与底部构件间的接缝和螺栓凹槽处灌浆。

该新型预制混凝土框架节点的施工顺序为: (1) 预制梁和预制下柱就位, 预制梁端架设支撑, 预制板按要求搁置在预制梁上; (2) 绑扎后浇节点核心区以及梁板后浇混凝土中的钢筋; (3) 后浇节点核心区和梁板后浇部分混凝土浇筑; (4) 吊装预制上柱, 通过新型螺栓系统形成初步连接; (5) 对上层预制柱与底部构件之间的接缝及螺栓凹槽处进行灌浆。

节点试件的工程原型为某18层装配式混凝土框架结构底部中节点。试件数量为2个, 其中1个是足尺预制混凝土框架节点, 另一个是现浇对比试件。试验轴压比取为0.8。预制试件如图3所示。混凝土强度等级为C50, 梁柱内纵筋和箍筋均为HRB400, 螺栓系统中钢筋和螺栓均为HRB500。

该试验采用柱端加载模式。试验时, 先加载至试验轴压比, 再在上柱端施加水平荷载。2个试件的加载情况如图4所示。试验在同济大学建筑结构实验室10 000k N多功能试验机上进行。该试验机系统可实现竖向荷载对柱端侧移的全自动跟踪以考虑P-Δ效应的影响。

试验的主要测量内容包括: (1) 竖向及水平荷载值; (2) 柱端及梁端位移; (3) 核心区箍筋应变及梁、柱关键截面纵筋应变; (4) 预制梁与预制板、预制板与现浇板的相对滑移。

试件的受力过程可分为开裂、屈服、极限和破坏4个阶段。试件的最终破坏形态如图5所示。可以发现, 2个节点梁上裂缝分布形态基本一致, 柱端出现少量弯曲裂缝, 而核心区未开裂。2个节点的最终破坏形态均为梁端受弯破坏, 具体表现为梁端底部纵向钢筋屈服, 混凝土压碎剥落。该试验节点的破坏形态符合“强柱弱梁”“强节点弱构件”的设计要求。

荷载-侧移曲线能较明确地反映结构的承载力和延性等受力性能。2个节点试件的荷载-侧移曲线如图6所示。

由图6可见:

1) 预制混凝土框架节点的承载力为403k N, 现浇混凝土框架节点的承载力为398k N (比预制混凝土框架节点低约1.2%) , 二者接近。

2) 采用能量法, 确定了2个试件的屈服荷载与位移, 并由此得到现浇混凝土框架节点的位移延性系数为3.12, 预制混凝土框架节点的位移延性系数为2.88, 比现浇节点低约7.7%。这表明本文提出的新型预制混凝土框架节点具有良好的受力性能。

本文提出了一种由预制柱、叠合梁及后浇节点核心区组成的新型预制混凝土框架节点, 该节点中上、下预制柱间采用新型螺栓系统连接。在此基础上, 开展了高轴压比下足尺节点模型的受力性能试验, 主要结论如下。

1) 预制混凝土框架节点与现浇节点具有相似的破坏形态, 均表现为梁端受弯破坏, 柱端仅出现少量弯曲裂缝, 节点核心区未开裂。

2) 预制混凝土框架节点的承载力与现浇节点的承载力接近, 分别为403k N和398k N。

3) 预制混凝土框架节点的位移延性为2.88, 比现浇试件的位移延性低约7.7%, 这表明本文提出的新型预制混凝土框架节点具有良好的受力性能。

基于上述研究成果, 本课题组拟进一步开展该新型预制混凝土框架节点与整体结构的抗震性能试验, 为其在抗震设防地区的推广应用提供依据。