混凝土结构防倒塌性能试验与设计方法

基于上述数值分析中研究边跨跨数对平面框架防倒塌性能的影响，其结果表明侧向约束刚度随着边跨跨数的增加而增加，悬索作用效应更加明显。且目前关于考虑周边约束混凝土梁柱结构防倒塌性能的试验研究较少，约束形式与刚度对倒塌受力性能与转换机理方面的影响不够清楚，因此设计周边约束试验加以研究。

随着装配式建筑不断推广，装配式结构节点连接薄弱、整体性差等技术层面的问题愈加凸显。现行装配式结构规范中，采用传统现浇框架结构的方法对装配式结构进行分析和设计，基于“等同现浇”设计的装配整体式混凝土结构是其中的主要设计思想。故通过对比现浇连接节点与规范连接节点的装配整体式梁柱结构移柱加载试验，探讨装配整体式梁柱结构与现浇梁柱结构在破坏形态、承载能力以及变形能力等防倒塌性能方面的差异。

依据本试验研究的目的，以及《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）、《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1—2014）、《装配式混凝土建筑技术标准》（GB/T 51231—2016）[64]，设计4榀完全相同的2跨钢筋混凝土梁柱结构平面模型框架，以达到对比试验的目的。其中3榀为不同侧向约束刚度的现浇结构，另外1榀为采用规范设计的钢筋焊接连接节点的装配整体式结构。试验获取了钢筋混凝土梁柱结构倒塌过程中的荷载位移、侧向约束、水平位移、应变变化、裂缝开展与破坏形态等试验结果，为下一步混凝土梁柱结构防倒塌性能分析提供数据支持。

拟进行表4-4所示的试验工况，工况1至工况3采用整体现浇节点，通过三种不同的约束方式：弱约束、非对称约束和对称约束，研究不同周边约束的现浇梁柱结构防倒塌性能。工况4采用钢筋焊接节点，叠合层后浇，采用对称约束，研究按照规范设计的焊接节点的装配式梁柱结构防倒塌性能。对每项工况进行编号，XJL表示现浇梁，DHL表示叠合梁，各工况均加载至纵向钢筋断裂。

表4-4　试验工况

4.2.2.1 试验设计

（1）试件设计。

试验框架模型如图4-10所示，配筋图如图4-11所示。梁柱结构的梁截面尺寸为150mm×320mm，柱截面尺寸为300mm×300mm，总跨度6400mm，高度2570mm，梁高跨比为1∶10。其中纵筋采用HRB400，箍筋采用HPB300，梁配筋率1.3%，柱配筋率1.0%，混凝土强度为C30。装配式结构的预制率为24.9%，后浇混凝土为C30，梁柱结构均按照二级抗震等级进行构造设计。

图4-10　模型试验结构

图4-11　梁柱结构配筋图（单位：mm）

图4-12为现浇结构详图，为了更好地研究结构的受力机制，现浇梁顶层和底层的钢筋都是通长连续的。按照抗震设计要求，对梁两端600mm 区域范围内进行箍筋加密的构造措施，加密区箍筋间距100mm，非加密区箍筋间距200mm。纵筋采用直角弯钩锚固方式，锚固长度依据规范GB 50010—2010，计算得到。

图4-12　现浇结构详图（单位：mm）

图4-13为装配式结构详图，配筋形式和现浇结构完全相同，其中阴影部分表示预制梁部分。叠合梁叠合层高度为120mm，顶层钢筋为通长连续的。在装配式规范中，梁柱节点下部纵向受力钢筋的连接方式有：锚固连接、机械连接和焊接。本试验采用底层钢筋焊接连接的方式。采用两端做成135°的钩箍筋帽，与预制梁的开口箍筋一起形成组合封闭箍筋。

图4-13　装配式结构详图（单位：mm）

预制梁详图如图4-14所示，在梁表面做粗糙处理以使后浇层与预制梁良好结合。为便于试件的吊装，预制梁梁端各多浇出20mm，并在预制梁中间安装吊环。预制梁安装示意图如图4-15所示，图中黑色部分表示预制梁，白色部分表示后浇层。当预制梁吊装就绪后，焊接梁底部纵筋，安放后浇层梁顶部的纵筋并将其与135°的钩箍筋帽一起绑扎形成钢筋骨架，最后安装模板并浇筑后浇混凝土。预制梁的连接以及安装现场如图4-16、图4-17所示。

图4-14　预制梁详图（单位：mm）

图4-15　预制梁安装示意图

图4-16　装配式结构节点焊接

图4-17　预制梁安装现场图

（2）约束设计。

采用图4-18所示的梁柱结构简化示意图，模拟结构的周边约束情况，以完成各工况试验。试验中以底层柱高的一半即550mm 作为反弯点位置，通过设置在反弯点位置的约束装置模拟边跨作用。弱约束试验不施加约束装置，模拟无边跨约束作用；非对称约束试验在左边柱一侧施加约束装置，模拟1边跨约束作用；对称约束试验在左、右边柱两侧各施加约束装置，模拟2边跨约束作用。

图4-18　周边约束简化示意图（单位：mm×mm）

图4-19为周边约束装置设计详图，装置使用Q235钢，图中未标注的钢材厚度均为30mm。为确保约束装置的强度和刚度满足试验要求，已经对其进行了抗剪、抗拉、抗冲切、焊缝强度等验算。约束装置主要由三部分组成：位于约束装置两端的可转动的铰支座及用于固定铰支座的丝杆和钢板，用于连接刚架和梁柱结构的钢杆，以及用于测量钢杆应变的应变片组。

图4-19　周边约束装置设计详图（单位：mm）

铰支座如图4-19（a）（b）所示，保证了约束装置可以平面内转动。两个铰支座均焊接于钢板上，钢板则通过四根直径20mm 的丝杆固定于试验刚架和子结构边柱上。钢杆如图4-19（c）（d）所示，总长470mm，直径50mm，在杆端150mm 范围内各车一道顺丝和反丝。钢杆通过插在铰支座里面的中空车丝销铰与铰支座相连。由于钢杆一端顺丝另一端反丝，故沿着一个方向拧动钢杆即可将钢杆和两端的销铰固定，从而使整个约束装置拧紧固定。

由于需要测量约束装置中的轴力，所以通过测量钢杆顶面和底面布置的“T”形应变片的应变大小，可以间接得到轴力大小。约束装置应变片布置如图4-19（e）所示，采用测量拉伸压缩应变的惠斯登电桥全桥（四工作片桥路），可以抵消钢杆弯曲带来的影响。

试验中使用的惠斯通电桥，电压与应变关系为

式中，ν为泊松比；K 为灵敏度；ε为应变；Uout为输出电压；Uin为输入电压。

通过应变测量软件设置合理参数，测量得到钢杆拉压应变数据，并通过式（4-1）、式（4-2）计算转换为约束装置的轴力。

约束装置的轴力与应变的关系为

式中，ε为应变；E 为钢材弹性模量；A 为钢杆截面面积。

（3）测量与加载。

为实现梁柱结构中柱加载工况，设计加载装置如图4-20所示。位于试件外围的“H”形刚架，以及防止试件平面外失稳的“A”形反力架，刚架通过压梁可靠地固定于地槽槽台。梁柱结构亦通过压梁及地脚螺栓固定于地槽槽台，在柱脚左、右各布置一副压梁以防地梁发生变形。为保证中柱竖向加载，在千斤顶上部安放铰装置，并加装防坠落措施保障安全。试验选取中柱作为失效柱，在模型浇筑的过程中，预先使用机械千斤顶代替框架中柱。

加载共分为两个阶段，采用表4-5所示的加载制度：

第一阶段为试件及各试验装置安装就绪后，中柱下部千斤顶缓慢卸载，以模拟中柱失效情况。采用荷载控制进行卸载，待千斤顶和传感器完全脱开试件后，移去下部千斤顶、传感器和临时支撑以便下一步试验加载，此时第一阶段试验完成。

第二阶段为中柱上部千斤顶分级加载，每级加载稳定2min后，读取各测点的荷载、位移、应变等测量数据，对结构裂缝进行观察记录。第二阶段开始采用荷载控制进行加载，当结构进入塑性阶段后，再采用位移控制进行加载。

表4-5　加载制度

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图4-20　加载装置

为便于对梁柱结构的受力机制进行分析，布置如图4-21和图4-22所示的测点位置。试验过程中测量内容包括四个部分：裂缝、荷载（包括测量中柱卸载荷载和中柱加载荷载、周边约束轴力荷载）、位移（包括中柱竖向位移，各节点水平位移，梁跨中位移。W1～W11为位移计测点）、应变（C1～C12为混凝土应变片测点，主要测量梁端、柱端混凝土应变变化情况；S1～S20为钢筋应变片测点，主要测量梁端、梁跨中、柱端钢筋应变变化情况）。

图4-21　钢筋应变片、荷载传感器布置图

图4-22　混凝土应变片、位移计布置图

（4）材性试验。

本试验中各试件，包括预制梁及叠合层，均采用强度等级为30的人工浇捣混凝土。为控制混凝土强度等级，筛选最大粒径在20mm 以下的卵石作为混凝土粗骨料，依据现场砂石种类、级配和含水率，设计并调整配合比。在浇筑过程中，每榀框架预留4组试块，其中2组为150mm×150mm×150mm 的立方体标准试块，另外2组为直径150mm、高度300mm的圆柱体试块。将试块与试件在相同条件下养护，在试件正式加载前，依据混凝土材性试验规范《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）[65]，利用万能试验机测得各试块的抗压强度，并计算出混凝土力学指标，见表4-6。

表4-6　材性试验

梁柱结构均采用C14的纵向受力钢筋和A8的箍筋。依据《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）[66]、《钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋》（GB 1499.1—2017）[67]、《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB 1499.2—2018）[68]，利用拉伸试验机测得钢筋的各项力学指标，试验结果见表4-6。为得到钢筋的屈服应变，便于应变结果分析，在钢筋表面粘贴应变片，测量得到钢筋屈服应变范围为2200με～2500με。

4.2.2.2 试验结果

（1）荷载位移。

各试件的荷载-位移曲线如图4-23、图4-24、图4-25以及图4-26所示，并将各试件在各工作阶段倒塌破坏情况描述如表4-7所示。从三组试件荷载-位移曲线上看，随着中柱竖向位移的不断增加，试件经历了弹性阶段、弹塑性阶段、压拱机制和复合机制、悬索机制等五个工作阶段。但是弱约束试件基本无悬索工作机制，在复合机制结束后试件就发生破坏；非对称约束与对称约束试件悬索机制比较明显，其中对称约束试件悬索阶段承载力显著提高，非对称约束试件承载力不够明显。装配式结构和现浇结构两者抗弯承载力能力基本一致，现浇结构的悬索阶段承载能力大于装配整体式结构。现浇结构和装配式结构钢筋断裂时，中柱竖向位移分别为280mm、680mm。由于装配式结构存在初始缺陷，在大变形情况下中柱偏转情况更严重，导致受拉钢筋提前断裂，无法提供足够的变形能力，其倒塌破坏承载力小于现浇结构。试验结果说明，按照规范设计的装配整体式梁柱结构，其悬索阶段承载能力、极限变形能力远不如现浇结构。

图4-23　XJL-1中柱竖向荷载-位移曲线

图4-24　XJL-2中柱竖向荷载-位移曲线

图4-25　XJL-3中柱竖向荷载-位移曲线

图4-26　DHL-1中柱竖向荷载-位移曲线

表4-7　结构各阶段倒塌破坏

续表

（2）裂缝开展。

各试件裂缝开展情况对比见表4-8。裂缝发展主要集中在两个阶段：第一阶段为结构处于弹塑性阶段（AB 段），梁端和节点处裂缝发展迅速；第二阶段为竖向位移加载约至400mm以后，随着结构悬索作用的发展，梁跨中裂缝再次迅速发展，增加若干条垂直受拉裂缝。

总体上讲，XJL-1的裂缝发展只经历了第一阶段。XJL-2和XJL-3第一阶段裂缝开展情况基本相同，但试件XJL-3的梁跨中裂缝在第二阶段再次发展的时间更长，增加的垂直受拉裂缝更多。

装配式结构的裂缝开展和现浇试件类似，但是由于试件DHL-1的中柱柱头水平偏转严重，导致荷载集中在中柱左侧，使中柱左端底部两根纵向钢筋提前断裂。中柱左右梁端的破坏形态不一致，具体表现为左侧梁端形成塑性铰，右侧梁端未出现明显破坏情况。

表4-8　各试件裂缝开展情况对比

续表

（3）破坏形态。

框架梁破坏形态如图4-27所示，L，R分别表示梁柱结构的左跨与右跨。试件XJL-1梁中裂缝集中在梁端，主要为弯曲裂缝。XJL-2以弯曲裂缝为主并有若干条受拉裂缝。与XJL-1，XJL-2相比，XJL-3梁表面布满全截面受拉裂缝。DHL-1梁表面更加密集地布满全截面受拉裂缝。图中红线表示叠合层交界面，在梁叠合层交界面未观察到水平裂缝，说明预制梁粗糙面施工满足要求，后浇混凝土与预制梁结合良好。

边节点、中节点破坏形态如图4-28、图4-29所示。从图中可以看出，随着约束的增强，现浇结构节点破坏愈加严重。XJL-3边节点处形成环状贯通裂缝，这些环状贯通裂缝将在之后的加载试验下继续开展。DHL-1左边柱节点核心区混凝土拔出[见图4-28（g）]。装配式结构破坏比现浇结构严重。

中柱节点受压区混凝土压碎，受拉区混凝土剥落。由于梁端塑性铰的形成，中柱柱头发生水平偏转。DHL-1中柱左侧节点受压区混凝土压溃，受拉区混凝土剥落严重；右侧节点未形成塑性铰，混凝土未剥落。

图4-27　框架梁破坏形态

图4-28　边节点破坏形态

图4-29　中节点破坏形态

边柱破坏形态如图4-30所示，XJL-1，XJL-3由于左右边柱均受到相同的约束作用，左边柱和右边柱出现多条裂缝，裂缝基本对称发展。XJL-2由于受到非对称约束作用，右边柱比左边柱出现更加多的裂缝，右边柱靠近地梁区域出现若干条全截面裂缝。

钢筋断裂与混凝土压碎如图4-31所示，可以观察到钢筋断裂处具有明显的黏结滑移现象。现浇结构的中柱右端底部两根纵向钢筋均已断裂，由于中柱柱头发生水平偏转方向不同，装配式结构的钢筋断裂位置则处于中柱左端底部两根纵向钢筋。为研究剩余结构的防倒塌性能，继续加载中柱竖向位移，XJL-2在中节点钢筋断裂后右边柱节点顶部两根纵向钢筋又发生断裂，XJL-3右边柱受压区混凝土则完全压碎。

图4-30　边柱破坏形态

图4-31　钢筋断裂与混凝土压碎