截面尺寸误差对混凝土框架节点抗震性能影响的试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5 期 ) Nu mb e r 1 1 i n 2 0 1 1 ( T o t e l No 2 6 5 ) 混 凝 土 Co ne r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 I I 1 0 0 2 截面尺寸误差对混凝土框架节点抗震性能影响的 试验研究 周焕廷 ，付力 ，杨志勇 ，李国强 。 ( 1 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 同济大学 土木工程与建筑学院，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 研究截面尺寸的施工误差对混凝土框架结构在低周往复荷载作用下节点滞回性能的影响。 为此， 制作了3 个配筋相同、 截面尺 寸误差不同、 轴向长度相同十字形框架节点构件。 按照相同轴压比对试件施加轴向力， 水平方向分别采用力和位移加载方式， 研究不同误 差的3 个节点在低周往复荷载下的性能。 得到了 3 个误差不同的试件的滞回曲线、 骨架曲线。 试验结果表明： 超出现行规范允许值的不同 误差的试件开裂荷载、 破坏特征是不同的； 在相同的轴压比条件下， 截面尺寸相对较大的试件相对于截面较小的构件， 耗能系数较大 1 0 左右； 截面尺寸大的试件相对于截面尺寸较小的试件， 前者经历的最大荷载明显大于截面尺寸误差为负值的试件， 两者相差达到 3 8 。 在 相同加载制度下正误差的试件极限位移大于误差为负值的试件， 两者相差为 5 ， 前者的变形能力大于后者。 因而混凝土框架结构施工环 节应严格控制截面尺寸， 避免截面尺寸小于设计值的情况， 以保证框架结构在动荷载作用下具有 良 好的抗震性能。 关键词： 混凝土框架；节点； 截面施工误差；抗震性能 中图分类号： T U5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 - 0 0 0 4 0 4 I n f l u e n c e o f s e c t i o n - di me n s i o n e r r o r o n t h e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f r e i n f o r c e d c on c r e t e b e a m - c o l u mn - j o i n t Z H OU Hu a n r i n g ， FU ， YANG Z hi - y o n g ， L IGu o q i a n g。 ( 1 C i v i l E n g i n e e ri n g a n dAr c h i t e c t u r eC o l l e g e ， Wu h an Un v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g in e e r i n g ， T o n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab 吼 r e ct： To s t u d y t h e l n flu e n c e o f be a m c o l u n m J o i n t s d i me n s i o n e r r o r s 1 n d u c e d b y t h e c o n s t r u c t i o n p r oc e s s o n t h e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e fl a me j o i n t ， t h r e e b e a m c o l u m _j o i n t s am p l e s i n c r o s s s h a p e ， wh i c h h a d t h e i d e n t i c a l l o n g itud i n a l l e n g t h ， r e i n f o r c e d b a r s a n d d i f f e r e n t s e c t i o n d i me ns i o ns ， ha d b e e n ma de ； Th e v e i c a l c o n c e n t r a t e d f o r c e we r e l o a d e d a t t h e t o p e n d o f c o l u mn， wh i l e ho r i z o n t a l r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g we r e a p pl i e d a t t h e c o m e r o f t h e l o a d i n g fla me a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n e d l o a d i ng p r o g r am Th e c r a c k e d l o a d， d i s s i p a t i o n c a p a c i t y and l o a d - d i s p l a c e me n t h y s t e r e t i c c u r v e we r e o b t a i n e d T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t d i s s i p a t i v e c o e ffic i e n t s o f l a r g e d i me n s i o n a l s am p l e i s r o u g h l y 1 1 0 a s l a r g e a s the c o e ffi c i e n t o f s ma l l e r s a mp l e the h i s t o r y ma x i mu m d i s p l a c e me n t o ft e s t e d s am p l e s wi t h l a r g e r s e c t i o n are 3 8 l a r ge r t h an t h a t o f s ma l l e r s pe c i me n s an d t h e d e f o r me d c a p a c i t y wi t h l a r g e r s e c t i o n d i me n s i o n i s 5 s t r o n g e r t h an t h a t o f the s p e c i me n s wi t h s ma l l e r s e c t i o n d i me ns i o n u nd e r t h e s am e c o n s t a n t ax i a l l o a d i n g a nd h o riz o n t a l c y c l i c l o a d i n gTo ma k e the r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r am e s t r u c t u r e h a ve g o o d d u c t i l i ty a n d e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y ， me a s u r e s mu s t b e t a k e n t o c o n t r o l t h e e rr o r s o f d i me n s i o n s s t r i c t ly d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s an d a v o i d t h e r e a l d i me n s i o n b e ing s ma l l e r t h a n d e s i gn i n g s e c t i o n s i z e v a l u e K e ywo r d s ： c o n c r e t e f r a me ； b e a m c o l u mn - j o i n t ； d i me n s i o n e r r o r ； s e i s mi c p e r f o r ma n c e 0 引言 框架结构在多层、 高层建筑中应用十分广泛 ， 梁柱通过节 点连成一个整体， 节点是形成框架结构体系的基础。 节点的性能 直接决定整个体系的性能， 尤其是对框架结构在地震作用下的 力学性能， 如强度、 变形能力、 延性等影响较大。 到 目前为止国内外对混凝土框架节点的性能研究几乎都 是基于完善的设计角度出发来考虑问题 ， 即认为设计的框架 梁柱及节点尺寸、 钢筋截面积及混凝土材料与实际竣工后的完 全一致。 很少进行施工过程中产生的截面尺寸 、 梁柱偏心等误差 对节点恢复力特性影响的研究。 施工过程中， 不可避免的存在各 种误差， 这就使得成型后的结构与原设计所规定的结构尺寸不 一 致。 那么误差到底会对节点低周反复荷载下的抗震性能产生 收稿 日期 ：2 0 1 1 J 0 5 - 3 0 4 多大的影响? 本研究针对这一工程中的实际问题开展试验和理 论研 究。 1 施 工误差分类及研 究参数的选取 施工的各项环节如测量放线、 模板的安装 、 钢筋的加工等 都会对最终形成的框架梁柱的性能产生影响。 如梁柱的实际尺 寸与设计尺寸不相符合、 混凝土柱的垂直度与设计的偏差、 钢筋 的保护层厚度太大或太小、 梁柱的相对偏心与设计值偏差等。 现 有施工水平下经常发生的是粱 、 柱截面尺寸误差超限的问题。 因此， 本文主要针对这一误差的效应进行试验研究和分析。 2试 验 研 究 施工过程中， 梁柱截面尺寸误差具有各 自独立的特点， 即同 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 位 移 ra m ( a ) S J 一 1 的柱顶水平力一 位移曲线 20 0 15 0 10 0 Z 5 0 0 50 1 00 -8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 位移 ram ( b ) S J 一 2 的柱顶水平力一 位移曲线 图 6 柱端荷载一 侧移滞回曲线 通过分析和对比可以发现 ， S J 1 、 S J 一 2 、 S J 3的前 3个循环 内， 滞回曲线几乎呈明显的弹性 ， 滞回环的面积几乎为零。 S J 1 相对于 s J 2 、 s J 一 3 试件的滞回曲线略显丰满。 随着位移的增加， 到通裂阶段后， 各节点滞回曲线开始出 现捏拢现象 ， 滞回环在中部缩小呈弓形。 随着循环次数的增加， 捏拢现象越来越严重。 由于滞回环的捏缩， 使得滞回环所包围的 面积减小 ， 这反映出节点的耗能能力的逐渐降低。 1 2 5 1 0 0 75 5 0 Z 2 5 0 一25 50 -7 5 1 00 1 2 5 位移 m m ( c ) S J 一 3 的柱预 水平力一 位移 曲线 S J 2试件的荷载一 位移曲线滞 回曲线捏拢现象出现较晚， 相对于其他两个试件其耗能能力较强， 说明截面尺寸对节点抗 震性能有较大的影响。 骨架曲线反映了试件在低周反复荷载作用下的开裂 、 屈 服、 极限承载力及延性等性能指标。 根据文献 1 6 ， 取每一级循 环第一次加载的峰值点所连成的包络线即为试件的骨架曲线， 图7为试件的骨架曲线图。 位移 ra m (b ) S J 一 2 图 7 骨架曲线 曲线在一、 三象限有些不对称， 可解释为材料性质存在不 均匀和加载装置事实上的不对称引起的。 3 试验结果分析 节点的抗震性能应从破坏形态 、 节点强度 、 延性和耗能能 力等方面进行综合和对比， 以判断节点是否具有良好的恢复力 特性 。 在试验过程中测取了初裂荷载 、 屈服荷载和初裂位移 、 1 2 5 1 0 0 75 5 0 z 2 5 0 一25 5 0 75 1 0 0 1 25 屈服位移等数据 ， 并对获得的数据进行整理、 计算列表如表 3 所示 。 3 1 极限承载能力及延性分析 对于极限承载能力， 从表 3可以看出， S J 2的承载能力大 于其他两个试件， 最大相差约 2 5 ， 说明在约束条件相同、 配筋 相同的梁柱试件中， 截面尺寸较大的试件其极限承载能力较大， 截面尺寸的施工误差对试件的滞回性能影响不能忽略。 表 3 不同试件的试验结果 3 2 耗能能力 采用规范推荐的耗能系数 E 来衡量试件的耗能能力 ： E -5 mc + S A D c 一 ( 1 ) S o 隘 t s a 式中： Js B c 、 S A D c 滞回曲线所包围的面积； |s 锄、 s 图 8 中所示三角形的面积。 E越大， 表示试件的耗能能力越强。 从表 4计算得到的耗能系数可以看出， s J 2试件的耗能能 力较之其他两个试件的耗能能力有所提高， 最大相差约 1 0 。 因 6 。 表4 试件耗能系数 E 此， 截面尺寸的误差对耗能性能的影响不可忽视。 4结论 为研究施工过程中混凝土框架截面尺寸误差对节点性能 的影响， 制作了 3个具有不同梁柱截面尺寸及配筋完全相同的 梁柱组合体试件， 并在低周往复荷载作用下进行了试验研究， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m P J 曰 F A 一 f O C E 五 ) 图 8系数 E计算简图 3 个试件在试验过程中加载制度、 轴向荷载一致。 试验结果表明： ( 1 ) 对于耗能系数， 施工误差为 1 0 n M r l 时， 截面尺寸较大的 试件 比截面尺寸小的试件耗能系数高出 1 3 ， 两类试件的延性 系数最大相差 2 6 。 ( 2 ) 在低周往复荷载下， 截面尺寸大的试件 S J 2相对于截 面尺寸较小的试件 S J 3 ， 前者经历的最大荷载明显大于截面尺 寸误差为负值的试件， 试验结果相差达 3 8 ； ( 3 ) s J 2试件极限位移大于试件 s J 3 ， 两者相差为 5 。 反 应出前者的变形能力大于后者。 在建筑结构施工过程中， 应该严格限制梁柱截面尺寸的施 工误差 ， 提高结构在低周反复荷载作用下的极限承载力及耗能 能力， 保证结构设计所需要的延性、 耗能能力得以实现。 参考文献 ： 1 余琼， 吕西林 ， 陆洲导框架节点反复荷载下的受力性能研究 J 同济 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 1 3 7 6 1 3 8 1 【 2 】郭子雄 ， 吕西林 高轴压比下 R C 框架柱的变形特征及滞回特性试验 研究 c 1 第五届全国地震工程学术会议论文， 1 9 9 9 3 傅剑平 ， 等 考虑轴压比影响的钢筋混凝土框架内节点抗震性能试 验研究 J 重庆建筑大学学报， 2 0 0 0 ( Z 1 ) 4 】 张国军 ， 吕西林， 白国良 周期反复荷载作用下高轴压比框架柱抗震 上接 第 3页 时不发生变化， 都是养护 2 8 d的氯离子浓度大于养护 9 0 d的氯 离子浓度； 深度在 1 2 1 1 1 1 1 1 左右处两个养护龄期的氯离子浓度曲 线差距比较大， 过了这个深度两者大小迅速接近， 因此可以看出 干湿交替作用对混凝土深度的影响范围具有一定的规律性。 3结论 ( 1 ) 在干湿交替作用区， 氯离子浓度不仅受到粉煤灰掺量、 水胶比的影响 ， 也受到干湿循环次数的影响， 循环 5次时粉煤 灰掺量为 2 0 的氯离子浓度最大， 而 1 5 次时掺量为 4 0 的氯离 子浓度最大； 循环 5 次时水胶 比为 0 4 0的氯离子浓度最大， 循环 次数大于 1 0次时水胶比为 0 3 5的氯离子浓度最大。 ( 2 ) 在干湿交替作用区， 不同养护龄期( 2 8 、 9 0 d ) 混凝土氯 离子浓度不受干湿循环次数的影响， 都是养护 2 8 d的氯离子浓 度大于养护 9 0 d的氯离子浓度。 参考文献： 【 1 】贡金鑫 ， 赵国藩 钢筋混凝土结构耐久性研究的进展 J 工业建筑， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 5 0 ) ： 1 - 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1 7 4 6 1 9 DR Y S D A L E R GP l a c e me n t e r r o r s f o r r e i n f o r c i n g i n c o n c r e t e c o l u m n m A C I J o u rna l 。 1 9 7 5 ( 1 ) ： 9 1 5 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 周焕廷( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 博士， 讲师。 武汉市珞狮路 1 2 2 号 武汉理工大学土木工程与建筑学院 ( 4 3 0 0 7 0 ) 1 3 4 3 71 5 6 3 9 0 【 3 洪定海 混凝土中钢筋的腐吐与防护嗍 - 京： 中国铁道出版社， 1 9 9 8 4 洪乃丰混凝土中钢筋腐蚀与防护技术( 3 ) 氯盐与钢筋锈蚀破坏叨 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 6 0 6 3 5 】C O L L E P A RD I M， MA RC I A L I S A， T U R R I Z Z A N I R T h e K i n e t i c s o f p e n - e t r a t i o n o f c h l o ri d e i o n s i n t o t h e c o n e r e t C e m e n t ， 1 9 7 0 ( 4 ) ： 1 5 7 1 6 4 6 N I L S S O N L 0， P OU L S E N E， S A N D B E R G P ， e t a 1 C h l o ri d e p e n e t r a i o n i n t o c o n c r e t e ， s t a t e f - t h e a r t ， t r a n s p o r t p r o c e s s e s ， c o r r o s i o n i n i t i a t i o n， t e s t m e t h o d s a n d p r e d i c t i o n mo d e l s J T h e R o a d D i r e c t o r a t e ， C o p e n h a g e n， 1 9 9 6 、 7 张莹， 张玉敏， 李萍海水侵蚀环境下混凝土强度的研究 J 】 _山东建筑 工程学院学报， 2 0 0 2 ( 2 ) 8 8 张玉敏， 马静， 矫强盐溶液侵蚀环境下混凝土耐久性的研究 应用 科技 ， 2 0 0 3 ( 1 0 ) 9 李岩 氯离子在混凝土中的渗透性能与钢筋腐蚀临界浓度的试验研 究【 D 】 南京 ： 南京水利科学研究院， 2 0 0 3 【 1 0 J 0 H AN N E S S 0 N B F N o n l i n e a r t r a n s i e n t p h e n o me n a i n p o r o u s m e d i a w i t h s p e c i al r e g a r d t o c o n c r e t e a n d d u r a b i l i t y J Ad v n a c e d C e me n t B a s e d M a t e ri a l s ， 1 9 9 7 ， 6 ( 3 4 ) ： 7 1 7 5 作者简介： 陈树东( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 博士后。 联系地址： 南京航空航天大学( 2 1 0 0 1 6 ) 联系电话 ： 1 8 9 3 9 7 0 1 3 1 6 ， 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m