預壓裝配式結構半剛性節點剛度折減系數探討

馬 磊， 黃慎江

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

裝配式建筑有著諸多優點，是未來發展的主流方向，但是其抗震性能一直飽受詬病，連接節點尤為突出。采用預應力鋼筋連接預制梁柱構件在發揮預應力與裝配式結構各自優勢的同時，又提高了節點的整體性與抗震性能。但是預壓裝配式混凝土框架結構在梁柱拼接處采用了預應力鋼筋連接，節點在荷載作用下承受彎矩的同時也有一定的轉動能力，受力性能是介于剛接和鉸接之間的，所以應為半剛性連接節點[1]。目前，對于預壓裝配式混凝土框架結構梁柱節點的研究，主要集中在節點耗能、延性等抗震性能等方面[2-7]，而對節點剛度退化的研究甚少，尤其是這種采用預應力連接的新型半剛性節點。但是節點剛度的退化對結構的影響是非常重要的，所以掌握節點剛度的退化規律至關重要。因此本文在考慮到節點的半剛性前提下，利用ABAQUS來建立有限元模型，來模擬地震作用下此類型節點的剛度退化率。

1 有限元模型

本文有限元模型是以合肥工業大學柳炳康[8]的實驗為例所建立的。模型的平面圖以及配筋圖如圖1所示。

圖1 模型的平面圖以及配筋圖

預壓裝配式結構的梁柱節點是將預制梁在柱的牛腿處吊裝就位以后，采用預應力鋼筋進行拼裝，最后在節點處灌注環氧樹脂水泥漿來增加混凝土與鋼筋的粘結作用，也在一定程度上提高了節點的整體性。由于考慮到節點半剛性的因素，所以此模型的節點是建模中的重點，預應力的施加采用降溫法，定義好預應力鋼筋的膨脹系數后，根據溫度=-力/(膨脹系數×彈性模量×鋼筋面積),即可得到所需的預應力值。為了體現節點的半剛性，對于節點處梁柱的拼接面設置面面接觸，切向設置庫侖摩擦，摩擦系數為0.6，法向設置硬接觸，來模擬環氧樹脂水泥漿的粘結作用。混凝土實體單元劃分為大小為0.05 m×0.05 m的網格。

2 地震波的選取

地震波在選擇時主要是要注意所選地震波的特性要與建筑場地的地震烈度與地震強度、場地條件、卓越周期、反應譜以及遠場和近場地震等參數盡可能一致，其中最主要的是所選地震波的主要周期要與建筑場地的卓越周期相接近。以往大量的計算結果表明，采用不同的地震記錄進行分析計算，所得到的內力以及位移等結果會有很大差異，所以合理地選擇地震波直接影響到分析結果的準確性[9]。

本文所選取的是EL-Centro 波和Taft 波，這是美國歷史上的兩條實際記錄的地震波。EL-Centro 波里氏震級為6.7級，峰值加速度為341.7 cm/s2；Taft 波里氏震級為7級，峰值加速度為 175.9 cm/s2。

假設模型結構處在8度區，場地類別為Ⅱ類，由于半剛性的預壓裝配式混凝土結構暫時還沒有相應的規范與指導取值，所以地震波最大加速值參照《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)，并將Taft波的峰值加速度調至70 cm/s2。

3 模擬結果分析

3.1 多遇地震下的結果分析

地震作用下結構的受力是一個動態的過程，不同的時間結構受力不同，所產生的位移與破壞也同。將Taft波的峰值加速度調整到70 cm/s2后，進行模擬分析得到了如圖2所示的梁的最大變形云圖以及如圖3所示的柱的最大變形云圖。根據模擬結果所顯示的梁柱變形圖可知：在多遇地震作用下，梁是先于柱達到最大變形的，這說明節點與梁在地震的破壞下可以先行吸收一定的能量，隨后才是柱的變形達到最大值，這符合“強柱弱梁”的設計理念，說明此種預壓裝配式結構地節點具有不錯的抗震性能。

圖2 梁的最大變形云圖

觀察圖2可以發現：梁柱的節點位置和梁的下端變形較大，這是由于在“強柱弱梁”的設計理念下，在地震作用下梁端首先產生塑性鉸，而后混凝土梁的受力增大，這可能是因為地震作用下梁柱節點起粘結作用的環氧樹脂水泥漿隨著地震作用的增強逐漸開始退出工作以及由于變形的出現預應力鋼筋的長度有所變化導致預應力有一定程度損失導致的。通過圖3可以得知,在此次地震作用模擬下,柱腳的受力與變形較大，而且柱最大變形的出現是滯后于梁的。

圖3 柱的最大變形云圖

由此可知預壓裝配式混凝土框架結構在地震作用下梁優先于柱破壞，而且梁的受力是從下端的受拉開始，屬于延性耗能破壞；柱的最大變形是從柱頂開始而后轉移到柱腳，這樣的受力形式不會過早造成柱的失穩，符合“小震不倒”的抗震設防原則，所以結構在地震作用下的變形符合混凝土的受力特性與破壞特征，體現了良好的抗震性能。

結構在地震作用下的剛度退化率(SDEG)的變化云圖如圖4所示。

圖4 模型多遇地震下剛度退化云圖

從圖4可以看出,預壓裝配式混凝土結構梁柱半剛性節點的剛度退化是比較明顯的，而且在整個結構中節點的剛度退化也是出現比較早的，側面說明梁柱節點的受力性能相比于預制的梁柱是有所欠缺的。

整體結構在地震作用下的剛度退化主要體現在柱和梁柱節點上，如圖5所示，梁的剛度退化處在整體剛度退化的偏低位置。

圖5 梁柱節點的剛度退化率

由圖5可知,梁柱節點的剛度最大下降率為23%，但是加載前期的剛度退化率很小,幾乎沒有退化，這說明加載的前期在未到達加速度峰值的時候結構處于彈性狀態，剛度幾乎不退化。

根據多個地震作用下模擬結果可知：結構混凝土已經度過了彈性階段進入彈塑性狀態，混凝土帶有裂縫工作但是還沒有進一步的發展。此時節點的剛度下降率為23%，即如果在計算分析時取剛度折減系數應為0.77左右，這與《混凝土結構設計規范》中規定的梁類構件剛度折減系數為0.4有較大差異。

3.2 罕遇地震作用下模擬結果分析

在同一次地震作用下，建筑物距離震中的位置不同時所遭受的震害也不一樣，所以極有可能在震源區域的震害遠大于地震動的邊緣區域。鑒于此，我們進行了罕遇地震作用下的有限元模擬分析。模擬結果中，節點和邊節點的位移走勢大致相同，所以仍然是以左梁左端的節點位移為例進行分析。罕遇地震作用下結構位移最大的地方在柱腳處，這也是在實際強震作用下混凝土結構常有的破壞形態。

罕遇地震作用下結構的整體剛度下降率(SDEG)云圖如圖6所示。

圖6 罕遇地震作用下結構剛度退化云圖

由圖6可知，剛度下降最嚴重的地方出現在梁柱節點的拼接處和柱腳處，最嚴重的位置剛度下降率接近75%。因為在地震作用下采用預應力鋼筋以及環氧樹脂水泥漿拼接的梁柱節點出現變形，而且隨著位移值的不斷增大梁柱拼接處在力的傳遞方面存在著缺失，所以導致梁跨中的剛度下降率較低。

梁柱節點在罕遇地震作用下的剛度下降率如圖7所示。

圖7 罕遇地震作用下梁柱節點的剛度退化率

由圖7可知，其與多遇地震作用下的剛度退化率相似，在前地震作用的前期即大約2 s內節點的剛度幾乎都不下降，這說明預壓裝配式混凝土梁柱節點是有一定的抗震能力，能夠吸收一部分的地震能量。沒有在地震波加載的初期很快出現剛度退化，說明這種通過預應力鋼筋鏈接的梁柱節點中，預應力鋼筋既能夠使梁柱節點拼接在一起共同受力，又能夠在節點出現裂縫后獨立承擔荷載以保證結構的穩定性以及延性。

所以在罕遇地震作用下節點的剛度下降是比較迅速的而且下降程度較大，節點最大的剛度下降率達到了64%，這是由于在罕遇地震作用下結構以及構件的損傷比較嚴重，而且伴隨著大量的不可恢復的變形。這說明結構破壞也已經經歷了混凝土梁的裂縫發展階段進入了屈服階段，剛度下降率加劇達到了64%，即如果在計算分析時取剛度折減系數應為0.36左右，這與《混凝土結構設計規范》[22]中規定的梁類構件剛度折減系數為0.4比較接近。

4 結 論

本文利用ABAQUS軟件對預壓裝配式混凝土框架結構進行了多遇與罕遇地震作用下的模擬，分析了此類型結構半剛性節點的剛度退化程度與剛度折減系數，并將其與《混凝土結構設計規范》中規定的梁類構件剛度折減系數相比較，得出如下結論：

(1)不管是在多遇還是罕遇地震作用下，預壓裝配式混凝土框架結構中，梁柱節點的變形和剛度的退化總是大于柱。

(2)多遇地震作用下，結構的破壞與構件的損傷并不嚴重，節點的剛度退化也不那么明顯，在以后的計算分析中，剛度折減系數取0.77比較合適；而罕遇地震作用下，結構和構件都已經產生了大量不可恢復的變形，材料也幾乎都進入了屈服階段，剛度下降率加劇達到了64%，剛度折減系數大概為0.36，與規范中的0.4比較接近。

(3)規范中規定的剛度折減系數是對構件的剛度進行一次折減，并不能準確體現出真實的剛度退化規律，由模擬結果可知：在結構受力的前期，構件尚未屈服，節點的剛度退化約為23%，若剛度折減系數取0.4則過大，這說明節點的剛度退化是一個動態的過程，對剛度的折減也應該是分為多階段采取不同的剛度折減系進行折減。