裝配式隔震結構隔震節點抗震性能研究

李婕，許浩

（1.內蒙古建筑職業技術學院建筑工程與測繪學院，呼和浩特 010000；2.上海大學力學科學與工程學院，上海 200444）

1 裝配式隔震結構設計、應用的目的

目前，在建筑的施工建設過程中，根據建筑產業現代化的需求，建筑的設計模式、建造方式均發生改變，在保障工程質量的前提下，提高施工效率，滿足節能減排的要求，裝配式建筑成為主要的發展趨勢。在建筑的裝配式結構體系中，以裝配式混凝土結構為主體，由框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻、框架-支撐結構、框架-核心筒、箱式結構等組成，裝配效率高，可以有效提高施工效率，縮短施工周期。地震的發生，會對建筑結構造成嚴重損害，不僅會產生巨大的經濟損失，還會導致建筑內部及周邊的人員傷亡。裝配式隔震結構設計及應用，能夠提高裝配式建筑的抗震性能，可以有效應對地震的發生，避免建筑損毀，保障人們的生命財產安全。將先進的隔震技術應用于裝配式建筑施工的過程中，制訂科學、合理的隔震方案，使建筑具備良好的抗震性能。裝配式隔震結構設計、應用，能夠產生十分有效的隔震效果，降低地震對于建筑的影響[1]。

2 隔震節點設計對于裝配式隔震結構抗震性能的影響

在裝配式建筑的隔震結構中，隔震節點設計是十分關鍵的環節，在很大程度上影響著整體的抗震性能。隔震節點的設計，應該重點關注節點的連接方式、材料力學性能。

1）連接方式。在裝配式隔震結構中，梁柱的節點會受到方向力（上、下、水平等）的影響。隔震節點對力的承受能力越好，說明隔震性能越強。隔震節點的設計，可以根據裝配式建筑施工的實際需要，制訂針對性的節點方案，選擇相應的節點連接方式。常采用2 種梁柱節點：其一，預制上柱、下柱，利用千斤頂，對上柱施加軸向壓力，下柱進行基座固定，應用作動器，現澆混凝土；其二，上柱、下柱為一體，利用千斤頂，對上柱施加軸向壓力，下柱進行基座固定，在節點處現澆混凝土[2]。

2）材料力學性能。在裝配式隔震結構的隔震節點，材料的選用，對于抗震性能產生著重要的影響，主要與材料的力學性能有關。在隔震節點中，混凝土的使用方式，會對抗壓強度產生一定的影響。在混凝土強度等級相同的情況下，現澆式試件、裝配式試件的混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、彈性模量等性能存在著顯著的差異，裝配式試件的抗壓強度、軸心抗壓強度低于現澆式，而彈性模量高于現澆式試件。在裝配式隔震結構的隔震節點，鋼筋的力學性能，同樣也是影響抗震性能的重要因素。選擇鋼筋材料時，需要對鋼筋屈服強度、鋼筋極限強度、彈性模量、延伸率等力學性能參數進行檢測[3]。

3 試驗設計

完成隔震節點設計后，需要對抗震性能進行試驗檢測，結合檢測結果，及時發現缺陷和不足，并對隔震方案做出調整與改進。在試驗中，應用1/2 縮尺模型，設計裝配式混凝土節點試件（規格：上柱截面400 mm×400 mm；下支墩截面750 mm×750 mm；梁截面：200 mm×325 mm）、整體現澆普通鋼筋混凝土試件（規格：與裝配試件一致）。針對兩個節點試件進行試驗對比，評價各自的抗震性能。

3.1 加載裝置與加載制度

選擇裝配試件、現澆試件作為試驗對象，針對隔震結構中的隔震節點進行試驗。在試驗過程中，應該考慮到地震對于隔震結構的影響。在地震場景中，隔震結構的上支墩主要起到承載水平剪力、豎向軸力的作用，無法用于傳遞彎矩。在試驗中，使用連接角鋼、連接螺栓固定上支墩，固定于剛性地面。角鋼對于上支墩轉動并無約束作用，主要用于約束其位移（水平方向、豎直方向）。應用千斤頂連接鋼梁，作用于上柱頂部，模擬實際結構承受的軸向壓力。在兩側梁端，連接作動器，實施梁端反復加載法。試驗裝置示意圖見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖

在豎向荷載2 000 kN、軸壓比0.4 的條件下，向柱頂面施加外力。應用電液伺服作動器，作用于梁端，施加同步反對稱位移，進行混合加載（±10 mm 內：按照±1 mm 的規律遞增；±10 mm 以上：按照±10 mm 的規律遞增）。結合荷載-位移曲線進行分析，針對該曲線的下降段，將荷載降低至試件破壞條件（85%極限承載力），觀察試驗現象，結合試件的破壞形態進行分析。

3.2 試驗現象觀察

觀察裝配式節點試件、現澆式節點試件的試驗現象，根據試件的破壞形態，判斷其抗震性能。

3.2.1 裝配式節點試件

在裝配式節點試件的試驗中，根據梁端位移加載情況，觀察是否有裂縫的形成，確認裂縫的位置。在梁端位移為13 mm左右時，有裂縫形成，裂縫形成位置相距梁柱交界面250 mm左右。在反向加載的情況下，梁端位移為15 mm，有裂縫形成。裂縫形成位置相距梁柱交界面200 mm 左右，同時由梁底延伸。在梁的上表面、側面，均可見裂縫形成。完成加載后，有通縫形成，由正向、反向的裂縫重合所致。增加加載位移，裂縫會進一步延伸。在梁柱交界面，有斜裂縫形成。加載位移的進一步增加，則會引起混凝土的剝落?；炷羷兟涞膮^域主要位于核心區底部，在混凝土發生剝落后，會出現箍筋外露的情況。

3.2.2 現澆式節點試件

在現澆式節點試件的試驗中，通過增大梁端位移加載，觀察試件的破壞形態。在梁端位移加載8 mm 左右時，有裂縫形成。裂縫主要位于梁底面，呈人字形。而在澆筑施工界面，存在斜向的微小裂縫，整體較為穩定，并無進一步發展、延伸的趨勢。實施反向加載時，在梁端位移加載17 mm 的條件下，有斜裂縫形成，與主裂縫交叉。與此同時，梁底部的人字形裂縫發生閉合。進一步增加荷載，裂縫會出現發展、延伸的情況，導致貫通縱向裂縫的形成，該裂縫位于梁端部。同時有剪切裂縫形成，位于梁上塑性鉸區域，呈X 形。在荷載逐漸增加的情況下，裂縫持續擴大，試件遭受破壞的嚴重程度隨之增加。在梁端位移加載50 mm 的條件下，會出現混凝土剝落、箍筋外露的情況。完成試驗后，觀察裝配式節點試件、現澆式節點試件的破壞情況，比較兩者的抗震性能。

3.3 試驗結果分析

通過對裝配試件、現澆試件的抗震試驗，結合試驗結果，分析兩者的抗震性能。

3.3.1 滯回曲線

獲取滯回曲線，根據曲線的特征，對于試件的抗震性能進行準確的評估和判斷，見圖2。

圖2 裝配試件、現澆試件的滯回曲線

觀察裝配試件的滯回曲線，具有捏縮效應的特征，與現澆試件的滯回曲線存在明顯的差異。根據加載后期的滯回曲線，判斷試件有無強度退化、剛度退化的情況。其中，裝配試件無強度退化的情況，剛度退化較為輕微。但是在現澆試件中，加載后期的強度退化、剛度退化較為顯著，在一定程度上反映出現澆試件抗震性能的下降。發生強度退化、剛度退化現象后，試件梁柱承載力下降，隔震節點的抗震性能明顯不及裝配試件。在基礎隔震結構中，對于隔震節點的承載能力、剛度有著更為嚴格的要求。在梁端受拉、受壓的情況下，觀察試件的滯回曲線，表現為曲線不完全對稱的特征時，主要與梁的不對稱配筋有關。由此可見，在加載位移的情況下，根據滯回曲線的變化，能夠準確反映出裝配試件、現澆試件隔震節點的抗震性能，裝配試件的優勢得以充分凸顯。

3.3.2 骨架曲線

在隔震結構隔震節點抗震性能的評估過程中，參考滯回曲線的同時，還需要結合結構的骨架曲線進行判斷。在裝配試件、現澆試件的結構的骨架曲線中，能夠反映出結構的強度、剛度性能，對比不同試件的骨架曲線，判斷兩者在抗震性能方面的差異。相比于現澆試件，裝配試件具有更好的承載能力，極限承載能力更高。在裝配式隔震結構的設計中，構造連接方式的選擇十分關鍵，對于構件的承載能力產生著重要的影響。

3.3.3 剛度退化

通過對裝配試件、現澆試件剛度退化情況的分析，對于結構累積損傷進行評估。試件的隔震節點在荷載的作用下，逐漸形成損傷。在循環往復的過程中，損傷持續積累，進而導致試件的強度、剛度退化。在剛度退化方面，裝配試件、現澆試件較為相似，發展趨勢基本一致。在試件加載的過程中，由于初始剛度較大，裝配試件的剛度退化現象更為顯著，但裝配試件的剛度始終優于現澆試件。試件發生開裂后，開始出現剛度退化的情況。在試件屈服后，剛度退化現象呈現較為平緩的現象。

3.3.4 延性系數

針對隔震結構隔震節點的塑性變形能力進行評估，獲取延性系數指標。在試驗中，需要具體掌握梁端豎向極限位移、屈服位移等指標，以極限位移/屈服位移表示延性。在上部受拉、下部受拉的條件下，分別統計裝配試件、現澆試件的屈服荷載、屈服位移、最大荷載、極限荷載（約為0.85 最大荷載）、極限荷載對應的位移等多項參數，得出延性系數，對于試件的位移延性進行評價?，F澆試件的延性系數高于裝配試件。

3.3.5 累積滯變能量

根據裝配試件、現澆試件的滯回曲線，在反復荷載作用下，計算累積滯變能量，評價試件的耗能能力。在試件加載的過程中，裝配試件、現澆試件初期的累積耗能相近，其中現澆試件的累積耗能呈現平穩增長的趨勢，裝配試件的累積滯變能量低于現澆試件。結合等效黏滯系數，計算能量耗散系數，對于試件的滯回耗能能力進行評價。在試件加載的過程中，分析裝配試件、現澆試件的等效黏滯阻尼系數，初期發展趨勢相近，現澆試件的等效黏滯阻尼系數高于裝配試件[4]。

4 結語

綜上所述，建筑工程的施工建設中，需要根據抗震的需求，進行隔震結構的設計，進而提高建筑整體的抗震性能。在抗震設計中，應用裝配式隔震結構，隔震節點的連接方式、材料力學性能，對于抗震性能有著重要的影響，需要科學、合理地進行設計。為了準確評價裝配式隔震結構隔震節點的抗震性能，需要進行裝配節點的剛度、承載力的評估。在試驗中，觀察裝配試件、現澆試件的試驗現象，以滯回曲線、骨架曲線、剛度退化、延性系數以及累積滯變能量進行評估，反映出裝配試件具有良好的抗震性能。