一種新型裝配式梁柱節點的抗震性能研究

崔建華，秦琦琦

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230000）

0 引言

裝配式結構建筑是目前一種新型的建筑建造方式，是在工廠中事先預制好各種梁、柱、板構件，在施工現場直接拼裝完成，具有工廠化程度高，施工速度快，受季節影響小，有利于住宅產業化的優點[1]。這種建筑的節點采用干式連接，基本都使用螺栓連接，避免了傳統現澆濕作業的缺陷，使得現場作業安裝更加的便捷，方便指揮與管理，提高了安裝速度。同時裝配式建筑也是符合我國綠色、節能減排型建筑的目標[2]。

我國一直高度重視防震減災工作[3-4]。很多學者對裝配式建筑的抗震性能展開了研究。在國內，高向玲等對于采用型鋼連接預制混凝土的梁柱節點的力學性能進行了研究[5]，于建兵等對于裝配式梁柱節點核心區是否需要設置附加箍筋進行了研究[6]，吳叢曉等對于不同軸壓比對于裝配式梁柱節點的影響做了研究[7]，我國臺灣地區在90年代引進了芬蘭的“Partex”預制生產技術，并將這些技術成功的運用到各種大型建筑、商業綜合體中[8]。在國外，裝配式建筑的研究已經取得了很多成果[9-11]，美國、日本、歐洲等國家對于裝配式結構的研究發展已經形成了一套基礎理論[12-13]。尤其是日本，眾所周知日本處于地震帶上，屬于地震高發國家，他們制定了裝配式結構的規范標準，使施工質量有了很大的保障[14]，并且他們攻克了一系列的問題，其中比較有名的有關于裝配式縱筋的連接方法以及關于預制部件端口的連接形式的設計[15]。

總得來說，裝配式建筑由于梁柱節點起荷載傳遞和抗震耗能的作用，破壞了之后很難復原，而且節點破壞對于整個結構也是有巨大的危險，所以要避免節點的受剪破壞[16]。本文展示了一種完全由螺栓干式連接的新型裝配式梁柱節點形式的抗震性能試驗和數值分析結果，并且對于減少螺栓數量后的模型進行了對比分析。

1 實驗概況

1.1 節點計算模型

為了研究裝配式半剛性混凝土梁柱節點的抗震性能，設計了一種新型的裝配式梁柱節點，并針對此節點展開了實驗。此節點的計算模型采用普通建筑常用的框架結構，軸網為3跨乘6跨，每個柱跨徑均為8.4米，該模型的每層樓的層高均為4.2米，本節點采取的是七層的邊柱作為設計節點，原設計為八根10.9級的高強螺栓作為此節點的連接構件。筆者作為改良意見擬將八根高強螺栓改為六根高強螺栓作為此節點連接構件，并以此六螺栓模型的數值模擬結果與八螺栓模型的結果作為對比分析。

圖1 典型框架平面布置圖Fig.1 A typical frame layout

1.2 節點設計

本文主要研究目標為此節點的各種力學性質，采用的是在此節點施加往復力模擬地震的情況。先介紹下此節點，如圖，該節點是由預制T型梁、預制牛腿柱、預埋承壓鋼板、柱頂承壓鋼板、8根直徑30mm的螺栓組成，其中預制的T型梁尺寸如下圖，使用的為C40混凝土，預制的牛腿柱為750mm×750mm×4200mm，具體尺寸見下圖，為C80混凝土，柱與梁分別開8個螺栓孔，預埋承壓鋼板對應梁柱也分別開孔，孔洞直徑均為36mm，鋼板使用Q345鋼。承壓鋼板設置在柱頂，柱與梁通過螺栓與預埋承壓鋼板連接，最后螺母固定。為了使此節點更加高效便捷，節省成本以及人力，提出將八根螺栓改為六根螺栓的新方案，并且重新設計螺栓之間的距離，為保證新節點的力學性能，通過理論計算對其進行支持[17]，關鍵部分的理論計算結果如下：

螺栓抗拉承載力設計值：

螺栓抗剪承載力設計值：

折減系數：

受力最大的為最外側螺栓

螺栓承壓驗算：

則在彎矩和剪力的作用下，驗算為：

滿足要求

所以6根螺栓的節點是符合設計要求的，在稍后的章節中將利用數值模擬技術進行對比研究。

圖2 新型節點試驗現場圖Fig.2 On site test of the new design of joints

圖3 新型節點試驗設計圖Fig.3 On site test of the new design of joints

如圖4-10所示分別是八根螺栓的節點簡圖以及六根螺栓的節點圖，為方便表述，規定六根螺栓節點模型為model1，八根螺栓節點模型為model2。

圖4 節點計算簡圖Fig.4 A diagram for calculations related to the joint

圖5 預制梁主視圖Fig.5 Front view of the precast beam

圖6 預制梁左視圖Fig.6 Left view of the precast beam

圖7 預制柱正視圖Fig.7 Front view of the precast column

圖8 預制柱左視圖Fig.8 Left view of the precast column

圖9 預制柱右視圖Fig.9 Right view of the precast column

圖10 配筋位置示意圖Fig.10 Schematic diagram of reinforcing bar arrangements

如圖11所示，分別為該節點的配筋圖，model1與model2的配筋基本一樣。

圖11 節點配筋圖Fig.11 Reinforcement arrangement diagram of the joint

由圖4-8可看出預制柱上留有的螺栓孔洞與預制梁梁端翼緣處的孔洞相對應，通過螺栓來進行連接。在建筑的抗震設計中，基本的原則就是“強柱弱梁”，所謂“強柱弱梁”指的就是柱子的破壞在建筑中是屬于結構的破壞，所以地震發生時不能讓柱子先行破壞，相對的梁的破壞對于建筑的整體而言并沒有柱那么重要，所以要使梁先破壞對于整體的結構更為安全，抗力構件唯一可靠的耗能措施是形成彎塑性鉸，這樣可以充分利用鋼筋的單項受力屬性和延性。梁先于柱形成塑性鉸，可靠的辦法是柱子的承載力要大于梁的承載力。為此設計時梁用的是C40混凝土，柱用的是C80高強混凝土。并且在柱子的節點區以及梁的節點區設置箍筋加密區，從而保證節點的強度以及節點核心區的抗震性能和延性。

2 試驗過程及現象

2.1 加載制度

此試驗的新型裝配式梁柱節點采用的是擬靜力加載，并且施加的為低周往復荷載，這是因為地震時也是往復荷載，這樣可以模擬地震作用對于該節點的影響。為了模擬框架結構所以要在柱頂施加軸力，經測試施加67kN軸力最合適。之后通過力和位移混合加載來控制，首先是力加載，先從20kN開始，作用力朝下的為正值，作用力朝上的為負值，按20kN，-35kN，25kN，-40kN，30kN，-45kN，35kN，-50kN每次增加5kN以此類推，直到70kN，-85kN。接著是位移加載控制，以75mm為一級，并且每級加載循環三次。

圖12 梁端加載制度Fig.12 A demonstration of the low-frequency cyclic load applied on the end of the beam

2.2 試驗結果

試驗以及模擬運算的結果如圖13、14所示，在低周反復加載初期，無明顯裂縫產生，繼續直到出現第一條裂縫，此時為40kN，此裂縫最大寬度為0.54mm，到-55kN時，這些產生的裂縫大部分可以閉合，繼續加載，裂縫以及承壓板附近的變形繼續增大，當加載至75kN時，梁端的裂縫變為0.8mm，承壓板附近的裂縫變為了0.75mm，此時加載的力已經使T型梁的上部鋼筋達到了屈服從而停止加載力控制，改為位移控制。剛開始加載位移控制時，即75mm時，裂縫并無明顯變化，隨著繼續加載，當加載位移至85mm時，螺帽開始產生變形，裂縫開始繼續增長，并且一直延伸到梁的中部左右，并且在之后的位移加載過程中裂縫的長度不再延長，僅是加大寬度。當繼續加載至125mm時，螺栓屈服，此時停止加載，裂縫寬度為12mm，梁耳附近裂縫為8mm，柱和牛腿處均無裂縫。

圖13 節點處破壞Fig.13 Destruction at the joint

圖14 節點滯回曲線Fig.14 The hysteric curve of the joint

3 新型節點形式的數值模擬

有限元方法為更徹底地研究新型裝配式梁柱節點提供了便利，該方法可以大大減少所需進行的試驗。在驗證前文提到減少螺栓數量至六螺栓的對比試驗方面，有限元分析變成了非常有力的工具。詳細的有限元分析使用非線性有限元程序abaqus進行。

3.1 建模過程

通過理論計算，作者認為相比于8根螺栓的連接件，6根螺栓作為連接件也是可以滿足抗震性能需求的，通過數值模擬進行對比試驗，6螺栓模型被命名為model1，與之對應的8螺栓模型被命名為model2。模型建立的步驟，先是畫出牛腿柱和t型梁，螺栓，然后編輯各個部件的材料屬性，比如鋼筋的密度，楊氏模量，泊松比，本構關系曲線等，節點的模型如圖15所示。再創建各個材料的截面屬性，之后進行裝配，設置各個部件的相互作用和約束，以及邊界條件，然后在梁端施加位移加載方案，設置分析步，建立幅值。最后進行畫網格，并且提交作業分析。

模型中混凝土所使用的應力應變曲線依據《混凝土結構設計規范GB50010-2010》計算生成，而損傷因子在眾多計算方法[18-19]中采用的是Sidoroff提出的能量法，公式為：

式中，d為混凝土損傷因子；σ為混凝土真實應力；ε為混凝土應變；E0為混凝土初始彈性模量?？紤]到6根螺栓所受剪，受彎能力比8根要小，所以改變加載方案，位移控制加載為10mm，20mm，40mm，60mm，80mm，120mm，130mm來進行加載。

圖15節點的模型Fig.15 Abaqus models of the joint

3.2 滯回曲線的對比

圖17 中分別給出了利用數值模擬獲得的model1和model2的滯回曲線圖，為了更加明確的對比六螺栓模型的抗震性能，圖16中也給出了傳統現澆試件的試驗滯回曲線。通過圖14、16和17的對照可以看出：（1）對于被測試的試件，有限元模型在捕捉屈服載荷、極限載荷和極限位移能力方面是令人滿意的；（2）隨著螺栓連接件的減少，節點的抗剪承載力隨之減小，耗能性能也會減弱，但經過理論計算，6根螺栓的設計仍是符合設計規范的；（3）利用有限元數值模擬得到的滯回曲線比試驗所得的滯回曲線更加的飽滿，這是因為數值模擬過程中所設置的材料的力學性質被簡化為各項同性勻質材料而不像實際試驗那樣不平均，并且數值模擬表現不出來混凝土開裂的實際效果。

圖16 現澆節點的滯回曲線Fig.16 The hysteric curve of the cast-in-place joint

圖17 model1與model2滯回曲線對比Fig.17 The comparison between the hysteric curve of Model 1 and Model 2

3.3 骨架曲線的對比

骨架曲線是指滯回環上的峰值點所連成的曲線。骨架曲線比滯回曲線可以更直觀的得到關于這個節點的各種特征值，比如極限荷載、屈服荷載等。

接著從model1和model2的滯回曲線中分別提取骨架曲線，可以看出model1和model2的差別并不是很大，model1的屈服荷載為70kN，極限荷載為88kN。model2的屈服荷載為76kN，極限荷載為95kN?？梢钥闯鰉del1的極限和屈服荷載均小于model2，分別減少了8%和7.9%。對比于現澆節點，現澆節點的屈服荷載為48.7kN，極限荷載為60kN，model1比現澆節點的屈服荷載、極限荷載分別增加了30%和31%。

圖18 model1與model2骨架曲線對比Fig.18 The comparison between the skeleton curve of Model 1 and Model 2

3.4 節點的耗能能力的對比

節點的耗能能力是節點非常重要的一個屬性，它反映了該節點的抗震性能，節點的耗能能力與節點的抗震性能呈正相關。而節點耗能系數可以反應節點耗能能力[21]，這兩者呈正相關，節點的耗能系數是通過節點的滯回曲線來計算的，如圖19所示[22]。

圖19 滯回環示意Fig.19 A demonstration of hysteric curve

主要是滯回環包絡的面積以及圖中三角形陰影面積之比[23]，公式如下：

可見分母是三角形陰影面積的和，分子是滯回環包絡面積的和。E為能量耗散系數。model1，model2耗能系數折線圖如圖20所示，位移單位為mm。

圖20 model1與model2耗能系數曲線對比圖Fig.20 The comparison of energy consumption coefficient curve between Model 1 and Model 2

由圖20可見，雖然model1的耗能能力不及model2，但是model1的折線與model2的折線越來越接近，并且在model2的折線趨于平緩的時候model1的折線仍然在上升，最終model1的耗能系數僅比model1的少了20%，說明抗震性能還是較好，詳細數據見下表所示。

表1 model1與model2耗能系數表

4 結論與討論

通過對這個新型裝配式梁柱節點進行的實驗以及使用abaqus進行的八根螺栓模型和六根螺栓模型的數值模擬進行的對比可以得出：

（1） 提出了一種新型的梁柱裝配式節點，此節點符合抗震要求且通過實驗可以發現他的屈服荷載、極限荷載均比現澆節點有所提升，說明他的抗震性能比起現澆節點是有所進步的。

（2） 通過選取合理的參數。例如材料的本構模型，以及選取各個材料的截面屬性，設置各個部件的相互作用和約束，以及邊界條件，接觸屬性來建立有限元模型，這個模型可以較為準確的分析該節點的破壞形式。

（3） 通過使用abaqus建立八螺栓節點和六螺栓節點的有限元模型，并進行低周往復荷載作用下的數值分析，得出滯回曲線，并且通過對比發現六螺栓模型的滯回曲線飽滿程度略低于八螺栓模型，相較于八螺栓模型滯回環包絡面積少25%，屈服荷載少8%，但是總體來說六螺栓模型的抗震性能也是較好的，經過理論計算可以符合抗震規范要求，并且總體抗震強度明顯優于傳統現澆節點。

（4） 本文提出的六根螺栓型的節點是在原有的八根螺栓型節點的力學特性的基礎上，在符合抗震標準的情況下，考慮到成本以及人力的因素所提出的方案。有限元數值模擬結果表明六螺栓型節點具有較好的抗震性能，具有良好的應用前景。