预制装配整体式结构作为一种符合建筑工业化生产的结构形式, 具有优越的经济、环境、社会效益和良好的结构性能, 在欧美、日本等发达国家和地区得到了广泛应用。建筑产业虽在我国国民经济中处于支柱地位, 但其资源能源消耗较高, 生产效率、科技含量、标准化程度偏低。我国建筑工业化水平相对较低, 预制装配技术落后, 有必要对预制装配整体式结构进行深入研究, 推动预制装配式结构在我国的应用和发展。我国是多地震国家, 大部分城市处于抗震设防区, 预制装配整体式结构的发展必然要考虑其抗震能力。

本研究的新型预制预应力梁装配整体式结构体系 (precast prestressed assembled structural system, PPAS体系) 是东南大学等高校和科研机构在引进日本预应力拼装技术的基础上, 结合中国国情开发的高性价比工厂化建造技术, 其节点配筋、梁端构造详图如图1和图2所示。PPAS体系框架梁为预制预应力叠合梁, 采用先张法预应力技术在工厂大批量生产, 主梁端部预埋槽钢连接件, 既可用于梁柱快速螺栓连接, 又可作为节点区新旧混凝土结合面的抗剪件, 并且能主动控制塑性铰的出现位置, 使塑性铰外移, 改善节点区受力状态, 避免出现脆性破坏;PPAS体系框架次梁端部不但设有短槽钢用于主次梁连接, 还焊接抗剪板, 端部加腋增大抗剪截面。PPAS体系预制预应力梁端根据设计需要采用PVC套管释放部分钢绞线预应力, PPAS体系柱采用钢管混凝土叠合柱或节点加短钢管的钢筋混凝土组合柱, 密肋楼板和梁柱节点在工地采用专利模板现浇。

与已有的预制装配式框架建造技术相比, PPAS体系具有柱子少, 梁高小, 使用性能好, 造价省, 施工速度快, 低碳环保等优点, 主要用于跨度大、荷载大、层高高、体量大、标准化的建筑, 如厂房等多层工业建筑、写字楼医院等高层建筑、车站体育馆等公共建筑、保障性住宅、地下工程等。

为能更加真实地反映和还原节点的受力状态, 试验采用基于原型的足尺试件。根据实际工程的设计图纸, 并结合实验室节点架的实际尺寸做出相应调整。构件详细尺寸和配筋如表1所示。

为避免PPAS体系的预制预应力梁在制作过程中因预应力过大而产生开裂或压碎, 在预制预应力梁制作过程中考虑了不同预应力套管释放情况对节点的影响, 具体参数如表2所示。

混凝土和钢筋的材料力学性能参数如表3和表4所示。

新型预制预应力混凝土梁装配整体式框架梁柱组合件低周反复荷载试验在东南大学四牌楼校区结构实验室的节点试验机上完成, 加载装置示意如图3所示, 节点试验如图4所示。

试验过程中, 柱顶采用320t油压千斤顶加载, 在加载过程中控制柱的轴压比为0.2且保持不变。试验采用2点反向加载的方式, 左右梁端距离柱边2.5m分别用2个50t油压千斤顶同步施加反对称的低周反复荷载加载。试件屈服前, 按作用力控制分3级加载, 分别为屈服荷载的1/3F, 2/3F和F, 进入屈服后, 再用位移控制, 取试件屈服最大位移值的0.5倍为级差, 当荷载下降至最大荷载的80%时终止试验。屈服前, 每级荷载反复1次;屈服后, 反复2次。加载制度如图5所示。

RJ0为现浇混凝土对比试件, 加载初期, 在靠近柱的梁端部上、下表面出现数条竖向裂缝, 裂缝分布较均匀;在加载后期, 梁端部上、下表面的裂缝大部分贯通, 部分裂缝发展方向产生倾斜, 梁顶部分的裂缝数量明显多于梁底部分的裂缝数量, 梁顶部分的裂缝长度也大于梁底部分的裂缝长度, 在节点核心区有数条交叉斜裂缝, 最后因配筋数量较少的梁上部混凝土成块剥落, 承载能力下降而破坏。PJ1试件和PJ2试件都有基本相同的破坏过程, 在加载初期, 梁上部裂缝分布较均匀, 梁下部主要有2~3条集中裂缝, 裂缝宽度较大;在加载后期, 梁上部裂缝数量较多, 分布比较均匀, 部分裂缝发展方向产生倾斜, 梁下部2~3条裂缝数量没有增加, 但裂缝宽度急剧增大, 在节点核心区有少量交叉斜裂缝, 最后因梁下部钢绞线被拉断或产生滑移, 下部裂缝急剧增大, 同时, 上部混凝土被压碎, 承载能力下降而破坏 (见图6) 。

各试件的滞回曲线如图7所示。现浇钢筋混凝土对比试件节点RJ0及装配式十字节点试件PJ1滞回曲线形状基本相似, 较为饱满, PJ2试件滞回曲线有轻微捏拢现象 (见图7) 。

3个试件的骨架曲线如图8所示。从3个试件的骨架曲线图可以看出, 在正弯矩和负弯矩作用下梁的骨架曲线略有不同, 但其上升和下降的总体趋势相同。

通过对新型预制预应力混凝土梁装配整体式框架梁柱组合件低周反复荷载试验研究可以得出如下结论。

1) PPAS体系节点具有与现浇混凝土节点基本相同的耗能能力。

2) PPAS体系节点具有与现浇混凝土节点基本相同的骨架曲线。

3) 在预制梁端部增设预应力钢绞线PVC套管虽可提高预制预应力梁的抗裂性能, 但随着套管数量的增加, 其滞回曲线逐渐出现捏拢现象, 对其耗能能力有着不利影响。