反復荷載下裝配整體式梁板節點延性分析

李真真 張鵬 鄧宇 吳賢情

摘 ? ?要：為研究裝配整體式梁板節點的延性性能，分別對2個預制梁板節點和2個現澆梁板節點進行豎向低周反復荷載試驗，觀察節點的破壞過程和破壞形態，對比分析節點的延性性能、剛度退化規律.試驗結果表明：預制梁板節點和現澆梁板節點的破壞形態均為彎曲破壞，兩類節點延性系數基本相同并且都大于3，說明各節點延性性能均較好;按照等強度設計的裝配整體式梁板節點滿足受力要求，表現出良好的延性性能;利用ABAQUS有限元分析軟件建立模型對試件進行模擬分析，有限元模擬結果與試驗結果接近，驗證了試驗方法和有限元模型的有效性.

關鍵詞：裝配整體式;梁板節點;低周反復荷載;延性

中圖分類號：TU375 ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.004

引言

裝配式混凝土結構是一種新型建筑結構，具有眾多優越性能，符合我國綠色建筑的標準及新時期建筑業的發展方向[1-2].相比傳統建設方法，裝配式混凝土結構生產效率高、施工速度快，既節省模板，降低工程費用，又具有外裝飾效果，適合工業化生產，因此其在土木工程中得到越來越多的應用.但是該結構形式也存在整體性較差、抗震性能弱、節點開裂及滲水等缺陷[3]，因此改善裝配式混凝土結構的整體性和抗震性能對其在土木工程中的應用與發展尤為重要.

預制板-現澆梁裝配整體式梁板節點（Prefabricated plate-cast-in-place beam assembly integral beam-plate joint，以下簡稱預制節點）既具有普通裝配式結構的優點，可在工廠進行批量生產，減少現場濕作業，縮短工期[4]，又可以改善裝配式結構整體性，提高裝配式結構的抗震性能.文獻[5]對裝配式梁板節點進行足尺單調靜力加載試驗，研究了其在靜力加載下的力學性能;文獻[6]對裝配整體式節點和現澆對比節點進行靜力加載試驗研究，試驗表明裝配式節點的受力性能與現澆節點基本相同.目前此類預制節點的研究多為靜力加載試驗研究，缺少對節點的抗震性能研究，對其設計方法、受力機理還不了解，限制了其在工程中的應用.為了全面了解其延性性能，分別對2個預制節點和2個現澆梁板節點（Cast-in-place beam-slab joint，以下簡稱現澆節點）進行豎向低周反復荷載下的試驗研究，對比分析兩類節點的破壞過程、破壞形態、剛度退化規律和延性性能，并通過ABAQUS軟件對試件進行模擬分析，為這種預制節點在工程中的應用及設計方法的完善提供了參考依據，推動了裝配整體式混凝土結構的可持續發展.

1 ?試驗概況

1.1 ?試件設計

按照《混凝土結構設計規范》GB50010-2010[7]中對配筋率和構造要求的規定，并采用等強度設計進行配筋，設計制作了兩類梁板節點，分別為預制節點和現澆節點，試件具體參數見表1.

兩類梁板節點的板面和板底配筋均采用B8@150的HRB335級鋼筋，不同之處是預制板端預留鋼筋錨入梁內，現澆板鋼筋沿板長通長布置;梁的縱筋為4B16的HRB335級鋼筋，箍筋為 ? ? ? B8@160，箍筋保護層厚度為18.5 mm.試件具體尺寸及配筋見圖 1.

預制節點試件后澆區采用的混凝土等級為C30，預制板和現澆節點試件混凝土等級為C20，試件材料力學性能見表2和表3.

1.2 ? 加載方案

本試驗采用MTS電液伺服加載裝置對試件進行豎向低周反復加載，試件兩板端為一端固定鉸支座一端滑動鉸支座，豎向荷載施加在中間梁上，具體加載裝置如圖2所示.本試驗加載方式采用荷載和位移混合控制加載[8]，試件屈服前按荷載控制，每級荷載增量為3 kN，每級荷載反復 1次;試件屈服后，按屈服時豎向位移的倍數逐級增加，每級循環3次，直到豎向荷載下降到試件峰值荷載的85% 左右時，結束試驗.試驗加載制度如圖 3 所示.

1.3 ? 測量方案

試驗主要觀測內容為試件豎向荷載、豎向位移、節點區縱筋、箍筋和混凝土應變、試件受力過程中裂縫開展情況，并在外部采用位移計測量節點豎向位移.內部測點及位移計布置見圖4.

2 ? ?試件破壞過程

經過試驗觀測，4個試件的破壞形態均為彎曲破壞，可把試件受力后的破壞過程分為3個階段：彈性階段、屈服階段、破壞階段.

1）彈性階段：從加載開始直至混凝土開裂以前，試件處于彈性階段，此時鋼筋和混凝土應變較小，試件變形可以恢復;

2）屈服階段：隨著荷載的加大，梁板節點核心區附近的板面出現裂縫，并且在板面豎向緩慢延伸，鋼筋應變出現突變現象;繼續加載，部分裂縫在板面貫穿，并向試件正面梁處延伸，板面裂縫數量增多，試件位移加大，鋼筋屈服;

3）破壞階段：隨著反復循環加載，板面原有的裂縫寬度增大，并且貫穿形成幾條通長裂縫，梁板節點區附近開始有混凝土剝落，內部發出劈裂聲，豎向荷載開始下降，當荷載下降至85%的峰值荷載時，板混凝土被壓碎，試件喪失承載能力并破壞，試驗結束.

試驗加載過程中，預制節點試件與現澆節點試件的裂縫分布大體一致，預制節點試件的裂縫多出現于預制板與現澆梁的新舊混凝土交接處，現澆節點裂縫多分布于節點核心區附近，加載后期現澆節點的極限位移要略大于預制節點，但是二者相差不大.由于設計時預制板采用鋼筋伸入梁內進行錨固，在節點的受力過程中梁板連接處并未產生剪切破壞，預制節點試件整體性較好，各節點破壞形態見圖5.

3 ? ?剛度退化

結構在受力過程中抵抗變形的能力稱為剛度，在低周反復荷載作用下，試件內部出現累計損傷，其剛度隨加載和位移循環次數的增加而不斷減小，這種現象稱為剛度退化.為研究試件的剛度退化規律，本文采用折算等效剛度公式：

式中，[Pi ， Δi] 分別為第 i 級循環對應的正向或負向豎向荷載最大值和相應位移，各試件的剛度退化曲線如圖6所示.

從圖中各試件剛度變化可以看出，加載初期，試件處于彈性階段，剛度退化現象不明顯;隨著控制荷載的增加，混凝土開始出現裂縫，試件有效截面減小，剛度退化速度開始加快;當荷載和位移循環次數繼續增加，試件進入彈塑性階段至破壞前，因為混凝土表面原有裂縫發展緩慢，試件形成梁端塑性鉸，剛度退化速度減慢.現澆節點初始剛度比預制節點大，但隨著試驗加載，預制節點與現澆節點的剛度退化速率基本一致，在反復循環荷載作用下表現出較好的抵抗變形的能力.

4 ? ?延性性能分析

延性是指結構或構件在某個截面屈服后，其承載能力還沒有明顯下降期間的可承受變形的能力[9-10].本文對兩類梁板節點的位移延性系數做了研究，對比分析了各試件的延性性能.

4.1 ? 位移延性系數的確定

結構的延性性能通常可以采用延性系數μ來表示，位移延性系數為極限位移與屈服位移的比值即 ? ? ? μ=Δu/Δy[11-12].一般可根據試驗所測滯回曲線的骨架曲線，采用能量等值法確定構件的屈服點及屈服位移，極限位移取為荷載下降到85%峰值荷載時所對應的位移值，通過計算，各個梁板節點試件的延性系數見表4.

[構件編號 加載方向 屈服點 峰值點 破壞點 位移延性

注：[Pty]為屈服荷載實測值，[Ptmax]為峰值荷載實測值，[Ptu]為破壞荷載實測值;Δy、Δmax、Δu分別為[Pty]、[Ptmax]、[Ptu]所對應的位移值.

4.2 ? 位移延性系數對比分析

通過對各試件位移延性系數分析可知，預制節點試件位移延性系數介于5.1～6.0，現澆節點試件位移延性系數介于5.7～6.6，現澆節點的延性系數要略大于預制節點，但是兩類梁板節點的延性系數均大于3，說明兩類節點的延性性能都較好，采用預制板-現澆梁的裝配整體式混凝土梁板節點的抗震性能滿足規范要求.

預制節點試件的極限位移平均值為72.30 mm，現澆節點試件的極限位移平均值為82.84 mm，表明兩類試件在完全喪失承載力之前都有較大豎向位移，二者變形能力相差不大，均具有良好的延性及耗能能力.

通過以上對比分析，按等強度條件設計的新型裝配整體式梁板節點與現澆梁板節點構件的特征荷載、特征位移、延性系數都基本相同，新型裝配整體式梁板節點在豎向低周反復荷載作用下表現出良好的延性性能，滿足抗震要求.

5 ? ?有限元分析

有限元模擬以現澆及預制試件為原型進行實體建模，采用ABAQUS有限元軟件對試件進行了非線性有限元分析，為提高計算效率及建模的簡便易行，模擬時不考慮混凝土和鋼筋之間的黏結滑移，并將模擬結果與試驗實測結果進行了對比分析.

5.1 ? 有限元模型的建立

混凝土選用C3D8R單元，考慮到混凝土在反復荷載下的損傷、裂縫開展和閉合、剛度恢復等問題，本構模型采用了混凝土損傷塑性模型，該模型收斂效果較好，適用于混凝土構件在反復荷載下的抗震性能分析，混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）所建議的單軸應力-應變曲線[13].鋼筋選用T3D2單元，本構關系采用雙線性模型，鋼筋抗拉強度為實測值，不考慮鋼筋屈服后的強化階段，采用*embedded 將鋼筋埋入混凝土模型中[14].預制節點與現澆節點最大區別在于梁板后澆區混凝土強度和節點處錨固連接鋼筋，建立的非線性數值模型見圖7，其中預制節點模型為矢量圖，以便顯示節點處連接鋼筋.

5.2 ? 結果分析

5.2.1 ? 應力分布及變形

對節點進行豎向低周反復加載，圖8為非線性節點模型的應力分布圖，試件節點區附近混凝土開裂后鋼筋應力增大，塑性變形主要發生在梁板節點區附近，最終破壞形態為彎曲破壞，有限元模擬結果與試驗測得結果相吻合，有限元模型較好地反映了試件在反復荷載下的應力分布及變形情況.

5.2.2 ? 承載力

承載力特征值的實測值與模擬值對比見表5.從表5可知，現澆節點模型和預制節點模型的有限元模擬結果與實測結果相差不大，屈服荷載較接近，有限元模擬的峰值荷載大于實測峰值荷載.分析認為，有限元模擬時沒有考慮反復加載時混凝土開裂發展、鋼筋和混凝土之間的黏結滑移、邊界條件差別等因素對試件承載力的影響，因此導致峰值荷載差距相對較大.但是總體來看，模擬結果與實測結果誤差在允許范圍內，說明ABAQUS軟件可以在一定程度上模擬節點試件在低周反復荷載下的抗震性能.

[構件編號 加載方向 屈服荷載模擬值[Pcy/kN] 峰值荷載模擬值[Pcmax/kN] [PcyPty] [PcuPtu] XJJD-3 正向 ?26.1 ?32.1 1.10 1.20 反向 -30.6 -37.3 YZJD-3 正向 ?25.6 ?30.1 1.07 1.21 反向 -30.0 -36.2 ]

6 ? ?結論

1）按等強度條件設計的預制節點的破壞過程與現澆混凝土梁板節點的十分接近，預制節點裂縫分布與現澆節點的基本一致，兩者破壞形態最終都是彎曲破壞;

2）預制板采用鋼筋伸入梁內進行錨固，試驗過程中預制節點核心區沒有出現剪切破壞，改善了裝配整體式梁板節點的整體性，保證了梁板在受力過程中的協同工作;

3）現澆節點的初始剛度比預制節點略大，但加載后期預制節點與現澆節點的剛度退化速率基本一致，預制節點在反復循環荷載作用下表現出較好的抵抗變形的能力;

4）預制節點的延性系數與現澆節點基本相同，延性性能較好，滿足抗震要求，表明按照等強度設計后的裝配整體式預制節點提高了普通裝配式結構的抗震性能，改善了裝配式結構的整體性，具有較好的耗能能力，在未來建筑中具有廣闊的應用前景;

5）基于ABAQUS有限元軟件對預制節點和現澆節點受力過程進行了非線性模擬，并將模擬結果與試驗結果進行對比分析，試驗結果與模擬結果基本接近，驗證了試驗方法和有限元模型的有效性，對裝配式結構的工程應用和進一步科學研究具有重要意義.

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Abstract：In order to study the ductility of the assembled integral beam plate joints， the low cycle cyclic loading tests were carried out respectively on two prefabricated beam plate joints and two cast-in-place beam plate joints .The failure process and failure pattern of the joints were observed. The ductility and stiffness degradation of joints were compared and analyzed. The experimental results show that the failure pattern of the beam plate joints and the cast-in-place beam plate joints is the bending failure， the ductility coefficient of the two types of joints is basically the same and is greater than 3， which indicates that the ductility performance of each joints is good. The prefabricated assembled beam-plate joints designed according to equal strength meet well with the requirement of stress and show good ductility. The model was simulated by ABAQUS finite element analysis software. The finite element simulation results were close to the experimental data， which verified the validity of the experimental method and the finite element model.

Key words： precast; beam plate joint; low cycle cyclic loading; ductility

（責任編輯：黎 ?婭）