新型鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點力學性能有限元分析

盛汝健, 黃慎江

(合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年我國在各地大力推進裝配式建筑的發展。以合肥市為例，設立總體建設目標，力求在2020年將裝配式建筑面積突破千萬平方米，并讓全市在建裝配式建筑關鍵崗位從業人員培訓上崗率達100%[1]。而在安徽省，近日出臺的《關于促進裝配式建筑產業發展的意見》明確提出，到2025年，各設區的市培育或引進設計施工一體化企業不少于3家，并形成集設計、生產、施工于一體的裝配式建筑企業；全省培育50個以上省級裝配式建筑產業基地、裝配式產業園，力爭裝配式建筑達到新建建筑面積的30%，基本形成立足安徽、面向長三角的裝配式建筑產業基地[2]。結合鋼骨混凝土節點的承載力強、延性等力學性能好，因此有學者針對預制裝配式混凝土結構界定連接的便捷性，研發了幾種螺栓連接。本課題根據現有研究成果，通過ABAQUS有限元軟件建立一種新型預制裝配式鋼骨接頭鋼筋混凝土節點來研究鋼骨接頭中節點力學性能。

1 鋼骨接頭鋼筋混凝土節點構造

預制裝配式鋼骨接頭鋼筋混凝土邊節點，其具體梁柱配筋圖及梁柱鋼骨接頭尺寸如圖1所示。

圖1 節點配筋示意和鋼骨尺寸

在梁端、柱端預埋一段長度的鋼骨，一端與縱向受力鋼筋焊接埋入混凝土，即為工廠預制加工部分，露出的一端方便現場通過螺栓進行節點連接，再進行現場澆筑。這種節點最大優點就是施工方便、速度快，梁柱主體工廠預制，易于保證質量，其節點連接多為螺栓連接，方便快捷，節點的現場施工質量也可得到保障。所以對該節點進行性能研究，對我國裝配式建筑產業發展具有重要意義。本文運用ABAQUS有限元分析軟件進行非線性有限元分析，主要研究該節點的承載力及其影響因素。

2 有限元模型

2.1 鋼骨接頭鋼筋混凝土節點設計

本文采用ABAQUS有限元軟件建立數值模型，如圖2所示。

圖2 節點設計示意圖

利用有限元軟件建立數值模型，對該邊節點與普通鋼筋混凝土邊節點抗震性能對比分析，其具體參數設置見表1。

表1 各類型節點工況設計

本文節點所用縱筋均采用HRB400鋼筋；所有箍筋均采用HRB300鋼筋；預埋鋼骨鋼材牌號為Q345B；所有螺栓均采用10.9級的M20高強螺栓，具體配筋見表2。

表2 梁柱配筋及截面尺寸

2.2 單元選取及網格劃分

本文有限元模型中各類鋼材與鋼筋構件的網格劃分如圖3所示，其中包括鋼筋籠、加載板、端板、鋼骨、螺栓和混凝土梁柱。本文模型，除鋼筋籠以外的其他部件均采用減縮積分實體單元 C3D8R 模擬。而鋼筋籠采用三維桁架線性單元 T3D2 模擬。

圖3 節點模型圖

2.3 接觸關系

本文使用ABAQUS有限元數值模擬包括混凝土與鋼筋之間相互作用，混凝土與鋼材之間的相互作用，鋼筋與鋼材之間的相互作用等。其中混凝土與鋼筋之間的相互作用設置的接觸關系中，混凝土梁柱與鋼筋籠之間以及端板、鋼骨與混凝土梁柱之間設置為嵌入作用關系。鋼筋籠縱筋與梁端鋼骨設置為綁定作用關系。

2.4 邊界條件和荷載

本文對混凝土梁端面固定x、y方向的轉角和z方向位移;對上柱頂面固定y方向的轉角和x、z方向的位移，對下柱底面設置完全固定約束。在柱頂施加靜力，加載板上部設置參考點，來模擬軸壓比;對中節點兩邊梁端施加方向相反的其梁端加以位移為控制的低周往復荷載，對邊節點梁端參考點進行豎直向下的低周往復荷載及加載制度,如圖4、圖5所示。

圖4 中節點荷載和邊界條件

圖5 施加在梁端的往復加載制度

2.5 本構關系及參數設置

材料的本構關系在ABAQUS有限元分析軟件模擬中，對模擬結果的精準性有很大的作用。不同的物質在不同的變形條件下，有著不同的本構關系，也稱為不同的本構模型[3]。本構關系可以綜合反映結構或者材料的宏觀力學性能。在有限元模擬分析中，合理確定材料的本構關系是模型進行非線性計算的基礎，可以更加準確地模擬出構件在荷載作用下力學性能。

混凝土單軸拉伸和壓縮下的應力應變關系曲線以及鋼材受拉下應力應變關系曲線如圖6所示。

圖6 各材料應力應變關系曲線

3 數值分析結果

3.1 節點應力及破壞形式

通過對ABAQUS有限元軟件建立的鋼骨接頭鋼筋混凝土節點模型計算結果分析，本文分析討論PSRC-1節點試件數值模型破壞模式，與普通鋼筋混凝土節點試件RC-1進行對比，如圖7所示。

文化圈（cultural circle）是社會學與人類學描述文化分布的概念之一，主要指一系列具有共同文化因素的復合體，該復合體又體現了一定的共同趨勢。人們把某幾個地域相近、溝通頻繁、共同發展成相近文化特征，并且具有共同特征的地理范圍劃分為同一文化圈。因此，學者把世界劃分為五大文化圈，即東亞文化圈、西方文化圈、印度文化圈、東歐文化圈和伊斯蘭文化圈。中國和東南亞國家則屬于大的東亞文化圈范圍，而對于區域內加強合作與信任，共同抵御西方文化的滲透，還需要構建一個強大穩定的泛北部灣文化圈。

圖7 典型破壞模式

ABAQUS有限元軟件中，Mises應力能夠準確地反映模型部件主應力的大小，可以用來判斷材料的應力狀態；在往復加載過程中，結構塑性應變累積的結果可以用等效塑性應變PEEQ來反映，通過云圖可以輕易地判斷試件的裂縫發展情況以及破壞形態。從圖7可以看出，在梁端往復荷載作用下，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點SRC-1的破壞位置在鋼筋混凝土段和柱上鋼骨接頭過渡處，而對照組普通鋼筋混凝土中節點TRC-1的破壞位置則發生在梁柱節點核心區。鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點因為鋼骨的存在，有效地保護了節點核心區。

3.2 滯回曲線

滯回曲線能夠反映結構或構件在低周反復荷載中，變形性能、剛度退化、節點耗能能力及滯回性能等[4]。如圖8所示。因此，滯回曲線可以很好地綜合反映節點的力學性能。

相對比普通鋼筋混凝土中節點試件TRC-1,鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點試件SRC-1中的鋼骨承擔了較大部分荷載，因此滯回曲線更加飽滿。同時，鋼骨接頭鋼筋混凝土節點的塑性變形能力比普通鋼筋混凝土節點更強，具有良好的變形能力。

3.3 承載力退化

節點承載力退化是指在低周往復荷載作用下，節點在進行同級位移加載時每進行一次循環加載后承載力降低的速率[5]。其曲線如圖9所示。

b.TRC-1

圖9 承載力退化曲線

從圖9可知，此試件SRC-1的破壞荷載較極限荷載下降很少，此外與TRC-1相比，鋼骨接頭鋼筋混凝土試件SRC-1由于內置鋼骨的承載能力較高，試件在達到極限荷載后仍具有一段較長的水平階段，說明鋼骨接頭鋼筋混凝土節點具有較好的延性。而作為對照試驗的普通鋼筋混凝土節點TRC-1的承載力退化明顯，因此相較于鋼骨接頭鋼筋混凝土試件SRC-1節點延性較差。

3.4 剛度退化

剛度退化作為結構抗震性能的重要組成部分，能夠反映結構損傷的累積。試件剛度退化的原因有：混凝土裂縫不斷發展、等梁柱節點組合體開裂后的彈塑性性質、鋼材與混凝土之間的黏結滑移等。剛度退化可以用環線剛度Kj來衡量[6],如圖10所示。

圖10 剛度退化曲線

圖10為節點環線剛度Kj隨加載位移級別(△/△y)的變化情況。從圖10可以看出,SRC-1和TRC-1試件的剛度均為初始階段較大，隨著變形的增加，試件的剛度均逐漸減低。鋼骨接頭混凝土構件SRC-1比普通鋼筋混凝土TRC-1的節點剛度退化更加平緩，退化速度更慢，強度保持更好。

3.5 節點延性

延性是指結構或構件破壞前能承受的最大變形能力，也就是構件或結構的承載能力在某一截面屈服后沒有明顯下降前的變形能力[7]。

本文采用梁端極限位移和屈服位移的比值，即位移延性系數來表示構件延性：

(1)

式中:δu為試件荷載-位移骨架曲線下降段中對應0.85Pu的位移值;δy為試件屈服位移[8]。

按照上述方法得到本文試件的位移延性系數見表4。

表4 位移延性系數對比

由表4可知，鋼骨接頭混凝土中節點試件的平均位移延性系數大于3.1。研究表明，鋼筋混凝土結構位移延性系數應大于3.0。因此鋼骨接頭混凝土中節點具有較好的延性。

在低周往復荷載作用下，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點的極限承載力和極限位移，相比普通鋼筋混凝土中節點均大幅提高，因此鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點不僅可靠穩定，還顯著提高了節點的承載能力。

4 結 論

本文通過ABAQUS有限元軟件對數值模型的模擬，得出以下結論：

(1)通過試件中各材料的各循環加載階段應力云圖，混凝土等效塑性應變的分析，可以對比出鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點試件SRC-1的破壞位置位于鋼骨接頭段與鋼筋混凝土段交接處，鋼骨接頭的存在，有效地提高了鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點試件SRC-1節點核心區的整體剛度，使得節點未發生破壞。而作為對照組的普通鋼筋混凝土中節點試件TRC-1破壞位置在節點核心區。

(2)在梁端往復低周荷載作用下，相比普通鋼筋混凝土中節點TRC-1，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點試件SRC-1具有較高的承載力和良好的延性，以及更強的變形能力。

(3)在同級荷載作用下，相比普通鋼筋混凝土中節點TRC-1,鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點試件SRC-1的剛度退化趨勢較慢，以及剛度保持性能。

(4)綜上所述，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節點具有良好的力學性能，可在工程中推廣使用。