预制装配式建筑因具有施工速度快、生产效率高等特点已成为建筑业的重点,在国内外得到了广泛的应用^[1,2]。国内外学者对不同类型的预制装配式节点进行了深入研究,发现预制装配式混凝土整体性和抗震性能差,另外发现梁柱节点是影响预制结构抗震性能的关键,预制装配式梁柱节点通过合理的设计可以表现出更好的抗震性能^[3,4,5,6]。管东芝等^[7]针对预制装配式混凝土框架节点安装施工难度大的问题,提出了预应力钢绞线压花锚连接,试验结果发现该连接方式可以有效提高预制装配式梁柱节点的承载力、刚度和耗能能力。Choi等^[8]研发了一种在节点区加入型钢的预制装配式组合系统,并对连接强度、刚度和耗能能力等进行了研究,发现这种新型预制节点的承载力是普通现浇钢筋混凝土节点的1.15倍。已有装配式框架节点研究采用的梁柱钢筋基本上为普通强度的钢筋^[9],节点核心区配筋较为密集,混凝土浇筑困难,采用高强钢筋可以减少钢筋数量同时提高安全储备。为了实现“强节点、弱构件”的设计原则,本文提出两种装配式带钢连接件混凝土柱-预埋工字钢混凝土梁连接节点,并对其进行拟静力加载试验,研究其在往复荷载下的抗震性能。

　　 试验设计3个足尺的高强钢筋混凝土框架节点试件,其中试件J1为现浇高强钢筋混凝土框架节点,试件J2和试件J3为装配式带钢连接件混凝土柱-预埋工字钢混凝土梁连接节点。试件J2预制柱中部设置方钢管,为了加强节点的连续性,方钢管中部加设两块预开孔水平连接板,预制柱纵筋通过开孔水平连接板全长布置;预制梁预埋工字钢,预制梁内钢筋直接焊在工字钢外翼缘上(采用高强钢筋可以减少焊接工程量),梁端施加的力通过这种转换传递到节点核心区,预制梁外的工字钢的翼缘通过焊接于预制柱方钢管臂的连接板螺栓连接,腹板通过焊接于预制柱方钢管臂的连接板围焊,最后浇筑连接部位混凝土。试件J3与试件J2的不同之处在于:试件J3预制柱中采用带十字隔板的方钢管连接件,预制梁外的工字钢上翼缘焊接,腹板栓接。根据“强节点、弱构件”的设计原则以及等同现浇的设计思想确定节点配筋及所用钢材,试件配筋、详图及试件J2的制作图如图1～3所示。

　　 高强钢筋混凝土框架节点截面尺寸分别为梁250mm×400mm,柱350mm×350mm,梁柱纵筋采用HRB600钢筋,箍筋采用HRB400钢筋。混凝土强度等级为C45,立方体抗压强度为31.17MPa,轴心抗压强度为2.82MPa,弹性模量为33.96GPa。钢板和钢筋的力学性能如表1所示。

　　 试验加载装置如图4所示。将试件吊装固定到万向球铰上,柱端通过钢锚杆的钢板夹紧,钢锚杆另一端锚固于反力墙,梁端与作动器通过两块钢板采用螺栓连接,竖向作动器和千斤顶均固定在横梁上,试件安装完毕后,在梁端布置位移计测量梁端垂直位移。此外,在纵向钢筋、箍筋和H型钢安装应变片,以测量往复荷载作用下的应变。

　　 试验开始前进行预加载,检查仪器运行。随后进行试验,轴向力通过连接于反力架的千斤顶施加,大小恒定为460kN,梁端竖向往复荷载通过连接于反力架的液压作动器施加。试验的加载制度为先荷载控制后位移控制的联合控制,即在试件屈服前通过荷载控制,按正向加荷、正向卸荷、反向加荷、反向卸荷循环一个加荷过程,试件屈服后加载方式采用位移控制,每级荷载循环3次,至荷载降至其峰值荷载的85%以下时终止试验。

　　 图5给出了各试件的破坏图。由图5可以看出,普通现浇试件J1发生典型的节点核心区剪切破坏,核心区混凝土大量脱落,钢筋外露;装配式试件J2和J3由于预制柱中预埋方钢管,节点核心区未发生破坏,发生梁端弯曲破坏,满足“强节点、弱构件”的设计原则。对比试件J2和J3,预制柱中采用带水平连接板的方钢管连接件的试件J2梁端塑性铰处破坏较轻,预制柱中采用带十字隔板的方钢管连接件的试件J3梁端裂缝多而宽,同时装配区工字钢下翼缘外露,螺栓滑移严重,塑性铰区破坏严重。

　　 各试件的荷载-位移滞回曲线如图6所示。由图6可以看出,对比试件J3,试件J2滞回曲线更饱满,表明在预制柱中采用带水平连接板的方钢管连接件装配式框架节点的滞回性能较优。对比试件J1,J2和J3,试件J2和J3滞回曲线的饱满程度比试件J1好,表现出较好的滞回性能。由此可知,这种装配式高强钢筋混凝土框架节点试件能显著改善节点的滞回性能,提高节点抵抗地震的能力。

　　 通过计算得到各试件的刚度退化曲线如图7所示。对比发现,试件J2和J3的初始刚度比试件J1分别提高8.6%和24.9%,这是由于在预制柱中加入方钢管,增加了预制构件的整体刚度,在地震作用下拥有更好的稳定性。另外,试件J3比J2的初始刚度提高16.9%。

　　 与试件J1相比,试件J2和J3刚度退化均得到减缓,同时试件J1的曲线位于最下方,表明采用这种装配式高强钢筋混凝土框架节点能够减缓裂缝的发展,从而推迟节点的刚度退化。对比试件J2和J3可以看出,试件J2比试件J3刚度退化缓慢,说明试件J2变形能力强,表明预制柱中采用带水平连接板的方钢管连接件装配式框架节点在减缓试件的刚度退化方面较好。

　　 各试件的骨架曲线如图8所示。通过对比发现,在加载初期各试件骨架曲线基本重合,试件J2,J3表现出较好的弹性性能。在加载中后期,试件J2,J3的承载力比试件J1明显增高,并且前者的骨架曲线对应的位移较大,说明装配式高强钢筋混凝土框架节点变形能力比较强、平台段比较长,该装配形式能够显著改善节点的强度及刚度。

　　 在正向加载时试件J2和J3比试件J1的极限承载力分别提高17.8%和38.5%,并且试件J3、试件J2总体承载力更高,提高了17.6%。在反向加载时,整体骨架曲线具有相似的特征。总体来说,试件J2,J3比试件J1的承载力更高。并且对比试件J2和J3,试件J3的用钢量稍高于试件J2,预制柱中采用十字隔板比采用水平连接板的承载力提高更显著。

　　 试件的延性可以用延性系数来表征,一般取破坏位移与屈服位移的比值作为延性系数,其中屈服位移根据骨架曲线采用等面积法计算。本文试件J1的位移延性系数平均值为2.34,预试件J2和J3的延性系数平均值分别为2.37和2.15,试件J2位移延性系数平均值最大,试件J3位移延性系数均值略小,表明在装配区采用翼缘栓接、腹板焊接的连接延性较好。此外,破坏位移角是根据骨架曲线通过梁端位移除以加载点到柱表面的距离得到的,由骨架曲线可以明显看出试件J2的破坏位移最大,因此具有较大的位移角,变形能力良好。

　　 各试件的承载力退化曲线如图9所示。对比发现,在加载前、中期,试件J2,J3的承载力退化曲线比试件J1平缓,且前者在正反两个方向都有上升段,整体下降不明显,而后者的承载力降低系数下降迅速。在加载后期,虽然试件J2,J3的承载力降低系数下降较快,但其整体仍然大于试件J1的承载力降低系数,表明装配式高强钢筋混凝土框架节点比现浇高强钢筋混凝土框架节点的承载力退化要缓,具有更好的抗震性能。对比试件J2和试件J3的承载力退化曲线发现,在加载的前、中期,试件J3的承载力降低系数大于试件J2,而在加载后期,试件J3的承载力降低系数小于试件J2,说明试件J2在加载后期具有更好的抗震性能,而在加载初期试件J3优于试件J2。从承载力退化曲线上看,总体来说两者相差不明显,但均优于试件J1。

　　 各试件主要阶段等效黏滞阻尼系数和总等效黏滞阻尼系数分别如表2,3所示。

　　 对比发现,表2中试件J2、试件J3在开裂、屈服、极限和破坏阶段的等效黏滞阻尼系数均大于试件J1。表3中试件J2和J3的总等效黏滞阻尼系数均大于试件J1,同时试件J2的总等效黏滞阻尼系数也大于试件J3,这说明装配式高强钢筋混凝土框架节点的耗能能力优于现浇钢筋混凝土框架节点,装配式节点具有更好的抗震性能。从等效黏滞阻尼系数上也可以看出,试件J2比试件J3具有更好的耗能能力。

　　 (1)与现浇高强钢筋混凝土框架节点相比,装配式高强钢筋混凝土框架节点的滞回性能得到显著提高,刚度得到增加,刚度退化得以延缓,耗能能力得到增加。

　　 (2)装配式高强钢筋混凝土框架节点比现浇高强钢筋混凝土框架节点具有更高的承载能力、变形能力和较大的承载力降低系数。

　　 (3)预制柱中采用带水平连接板的方钢管连接件的方式比预制柱中采用带十字隔板的方钢管连接件的方式在改善装配式高强钢筋混凝土框架节点的滞回性能、延性性能以及耗能能力等方面效果更佳。