裝配式可更換混凝土框架節點非線性分析*

包 偉，于建兵

(1.鎮江市規劃設計研究院，江蘇 鎮江 212004；2.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

在我國，每年因建筑物拆除而產生大量廢棄混凝土，對環境造成巨大影響。因此，實現混凝土的可循環使用對解決日益嚴重的環境問題和緩解自然資源枯竭至關重要。在過去的幾十年中，廢棄混凝土的回收技術和利用取得了長足的進步，這主要得益于學術界和工業界對再生混凝土力學和結構特性的認識[1]，及有關實現混凝土構件再利用的一系列研究。對建筑物來說，一些受損構件的可更換，是提高建筑構件可重復利用以節約自然資源的最直接方法。如果一棟建筑物采用了可更換構件的技術，那么這棟建筑物可能會在它達到第一次使用壽命后，對其一些受力構件進行更換，使其能夠被繼續使用。通過CIB(國際建筑施工研究與創新理事會)報告可以發現，在一些發達國家已經有進行可更換建筑物構件的案例[2]。

本文對可更換新型混凝土框架梁柱節點的抗震性能進行了仿真研究，采用有限元軟件ABAQUS對節點進行了非線性有限元分析，以期為設計提供指導。

1 節點試驗介紹

1.1 節點設計

對于可更換建筑，不同結構單元的連接節點是實現可更換建筑構件可重復利用的關鍵部位。在此基礎之上，提出了一種新型可更換連接框架梁柱節點。為了能夠讓構件更好地抵抗彎矩作用，設計中采用了木結構榫連接來實現可更換梁和柱之間的連接，如圖1～3所示。該新型可更換連接節點包括2個可更換梁體及1個預制柱，在梁柱結合面處伸出一小段梁體作為可更換梁體之間的連接區域，梁體受力鋼筋焊接連接。在可更換梁的薄弱區域配置I型鋼和T型鋼，以保證梁體不發生局部剪切破壞，并防止高剪力作用下縱向鋼筋的屈曲。待中間部分的預制梁及受力筋均固定好，即可澆筑混凝土，完成梁體之間的連接。

圖1 新型裝配式可更換梁柱節點

圖2 可更換預制梁

圖3 連接區域

可更換混凝土框架接頭可輕松拆卸，且不會損壞接頭核心區域。進行預制梁更換時，可將連接段后澆混凝土剔除，利用機械將焊接連接的鋼筋切斷，更換預制梁，原有的預制柱還可繼續使用，從而實現建筑物構件的可持續利用。

本次試驗節點為2個足尺中節點，其中，一個為現澆整體節點(MNJ)，另一個為新型可更換裝配式節點(DNJ)。柱截面尺寸為350mm×350mm，高 3 200mm； 預制梁截面尺寸為200mm×400mm，節點兩端預制梁的2個鉸鏈間距為3 200mm。

1.2 材料特性

所有試件的混凝土抗壓強度設計值為30MPa，后澆混凝土強度等級為C30。采用普通硅酸鹽水泥和中砂作為膠凝材料及細骨料，制作6個邊長為150mm的立方體試塊，與節點同條件養護，以驗證節點混凝土的強度等級，通過混凝土立方體試塊得出混凝土軸心抗壓強度為36MPa。采用拉拔試驗測出節點中鋼筋的屈服強度及彈性模量如表1所示。

表1 鋼筋的力學性能

1.3 試驗設置和加載過程

節點的加載裝置如圖4所示，框架梁和柱的端部都鉸接于加載裝置上，梁和柱端部只能轉動或沿水平方向移動，采用千斤頂在柱頂部施加400kN的軸力，并保持該軸力固定不變，使軸壓比保持在0.15。在水平方向采用作動器施加低周反復荷載以驗證節點的抗震性能，通過位移控制水平方向低周反復荷載施加，每級位移荷載循環3次，直至荷載值下降到峰值的85%，停止加載。

圖4 加載裝置

1.4 試驗結果

通過試驗發現，可更換構件節點的開裂特征與現澆整體節點有明顯不同，可更換構件的預制節點裂縫沿新老混凝土交界面處在預制梁連接區域不斷擴展。隨著梁的受力鋼筋屈服，2個節點破壞特征均表現為梁柱結合面處梁底混凝土剝落，破壞特征符合設計目標。

試驗結果如表2所示，Py，Pmax，Pu分別表示屈服荷載、最大荷載和極限荷載，其中，Pu為最大荷載值的85%；δy，δmax，δu分別為對應于Py，Pmax，Pu荷載下的位移角。由表2可知，可更換構件節點DNJ承載力略低于現澆整體節點MNJ，這也表明裝配式可更換構件節點的抗震性能與現澆整體節點的抗震性能存在一定差異。

表2 試驗結果

2 有限元模型的建立

采用ABAQUS軟件建立結點模型，二維模型可不考慮平面外影響因素，三維模型可提高仿真準確性。在本次試驗時，嚴格控制平面外影響，且根據文獻[3]的研究，如果梁、柱及黏結面的截面尺寸相同，采用二維建模就能很精確模擬結構的受力性能。為了提高計算效率，建立新型節點二維模型。

2.1 混凝土材料模型

根據混凝土預留試塊試驗可知本次混凝土的抗壓強度為36MPa，ABAQUS提供的可塑性損傷模型可用來模擬混凝土的非線性行為，并結合裂縫帶模型來模擬節點的開裂特征。Lubliner和Lee等提出的屈服面和破壞面及相關的流動規則在本次建模中都得到了應用，以反映混凝土在拉伸和壓縮過程中的不同響應[3-4]。

2.2 建模所用單元及網格劃分

采用縮減積分的4結點平面應力單元(CPS4R)模擬混凝土，2結點桁架單元(T2D2)模擬鋼筋，4結點縮減積分殼單元(S4R)模擬型鋼。根據試驗和數值計算結果，發現這種特殊連接的性能由彎矩而非剪切力決定，這意味著嵌入式型鋼對結構性能無顯著影響。因此，忽略混凝土的約束效應不會對有限元結果產生顯著影響。混凝土與混凝土界面間的相互作用使用4節點接觸單元(COH2D4)進行模擬，采用彈簧元件(SPRINGA)模擬鋼在界面上的銷釘作用。新老混凝土接觸面建模如圖5所示，實體單元網格尺寸為25mm×25mm，可在計算效率和計算精度上都得到令人滿意的結果[4]。

圖5 混凝土與混凝土接觸面

2.3 邊界和加載條件

柱底限制x方向和y方向的位移，柱兩邊的梁端限制其y向位移，邊界條件與試驗邊界條件相對應。加載過程中，首先在柱頂施加一固定的軸向荷載，然后根據試驗過程在柱頂施加水平方向荷載，采用耦合方法進行恒定的軸向載荷和橫向載荷施加，以避免應力集中。有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型

3 有限元計算結果驗證

通過對MNJ和DNJ節點進行模擬計算，提取骨架曲線并與試驗數值進行對比，如圖7所示。

圖7 骨架曲線對比

由圖可知，數值模擬計算結果與試驗結果基本一致，相差5%～10%。當水平荷載加載到最大值后，節點的抗震性能會因節點類型不同而存在差異，相對于現澆節點，裝配式可更換節點的骨架曲線下降段逐漸變陡，這也進一步說明了裝配式可更換節點的變形能力及延性變差。在加載到最大荷載之后，由于裝配式可更換節點存在拼接，其協同工作的性能下降，從而導致整個節點的承載力下降。通過比較側向荷載與位移角骨架曲線，說明計算結果可有效反映節點的抗震性能。

4 參數化分析

4.1 混凝土-混凝土界面的影響

對于可更換裝配式節點的設計，需考慮構件之間混凝土與混凝土接觸情況，即接觸面是光滑的還是粗糙的。在此有限元模型中，混凝土與混凝土界面的剪切特性將受到界面粗糙度的影響。影響因子m對應于混凝土與混凝土界面的粗糙度。將m設置為0.4，0.6，0.8，分別表示光滑界面，部分粗糙界面和完全粗糙界面。混凝土黏結界面對節點影響如圖8所示。

圖8 混凝土黏結界面對節點的影響

由圖8可知，將混凝土與混凝土之間表面由光滑變到粗糙，節點的承載能力變化不超過1%。通過預埋型鋼的應力可得，所有預埋型鋼均處于彈性變形階段。當節點達到最大荷載，混凝土與混凝土之間粗糙度可提高節點承載能力，該結果表明，混凝土與混凝土界面對裝配式可更換混凝土框架節點整體承載力的影響非常有限，但對節點延性的影響最大可達到5%。

4.2 型鋼厚度的影響

設計時，在可更換預制梁內部預埋了I型鋼和T型鋼，以增強預制梁的抗剪能力，從而防止節點在高荷載作用下發生剪切破壞或鋼筋屈曲。試驗節點型鋼厚5mm，為了得到型鋼厚度對節點的影響，計算了8，16mm厚型鋼對節點變形及承載力的影響，如圖9所示。

圖9 型鋼厚度對節點的影響

由圖9可知，型鋼厚度對節點極限荷載的影響不是很大，且隨著型鋼壁厚的增加，節點的剪切能力并沒有發生特別大的變化。同時通過加載到最大值時埋在連接區域型鋼的應力圖，可發現型鋼仍處于彈性變形階段，說明梁體發生的是彎曲破壞，可為今后該類節點的設計提供參考。

4.3 鋼筋連續性的影響

在試驗中，現澆節點的鋼筋連續，而可更換節點梁上部和下部受力筋與預制構件焊接連接。鋼筋焊接長度為100mm，為研究鋼筋連續性對節點的影響，計算了連接區域內考慮鋼筋焊接與不焊接2種情況下節點力學性能變化情況，計算結果如圖10所示。

圖10 鋼筋連續性對節點的影響

由圖10可知，連接區域鋼筋不連續的節點，其峰值荷載較鋼筋連續節點下降了約75%，鋼筋不連續節點在連接區域內混凝土的應力值也較大。在較大的位移加載階段，在有限元分析結果中可發現混凝土梁具有較大局部變形。此外，由于鋼筋不連續節點終止加載時間較早，在梁柱結合面處未發現混凝土剝落現象。鋼筋連續性對節點的側向承載力和延性都有較大影響。

5 結語

1)建立的二維有限元模型能較準確預測新型節點的抗震性能，與試驗結果對比發現通過有限元計算可提前了解節點裂縫的開展趨勢，同時可得到水平荷載與位移角之間及內部預埋型鋼應力情況。

2)在梁中預埋型鋼，能提高梁的總體抗剪強度，即加載到節點的極限荷載，預制梁的型鋼仍保持在線彈性范圍內。對于可更換式裝配式節點，因存在新舊混凝土結合面，其開裂模式與現澆整體節點存在一定差異。混凝土柱和梁的應力行為也表明，可更換混凝土框架節點具有良好的完整性，可在不連續的梁和柱之間傳遞應力。

3)通過參數化分析發現，新老混凝土之間的界面狀態對節點影響非常有限，但對節點的延性有一定影響。梁鋼筋的連續性對節點的側向承載力影響較大，而型鋼厚度對混凝土框架節點的整體抗震性能影響較小。