新型裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)非線性分析

包 偉，郎 迪

（鎮(zhèn)江市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212004）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，裝配式建筑作為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、綠色發(fā)展和提質(zhì)增效的重要突破口，得到黨中央、國(guó)務(wù)院的高度重視并上升為國(guó)家戰(zhàn)略，已迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇。作為商業(yè)建筑主要結(jié)構(gòu)形式的框架結(jié)構(gòu)成為我國(guó)建筑行業(yè)的首要關(guān)注與重點(diǎn)發(fā)展，其作為我國(guó)裝配式建筑技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵抓手及實(shí)現(xiàn)裝配式建筑推廣目標(biāo)的重要載體，將借助國(guó)家政策與行業(yè)導(dǎo)向，不斷迎來(lái)發(fā)展高潮。

1 預(yù)制裝配節(jié)點(diǎn)分類

現(xiàn)有研究將預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)分為干式節(jié)點(diǎn)、混合連接節(jié)點(diǎn)和濕連接節(jié)點(diǎn)。

1）干式節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)采用鋼制元件或螺栓連接可歸為干式節(jié)點(diǎn)，很多學(xué)者對(duì)干式節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用鋼制元件或螺栓的干式節(jié)點(diǎn)在承載力方面弱于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，而耗能能力和延性均強(qiáng)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

2）混合連接節(jié)點(diǎn) 在連接區(qū)澆筑混凝土的同時(shí)使用機(jī)械連接。混合連接節(jié)點(diǎn)往往采用延性較好的鋼材和后張法預(yù)應(yīng)力相結(jié)合使用，軟鋼的主要作用是增加節(jié)點(diǎn)的耗能能力，而預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用是在梁柱接頭處提供抗剪強(qiáng)度。

3）濕連接節(jié)點(diǎn) 通常由鋼筋接頭和現(xiàn)澆混凝土組成。在不同類型鋼筋接頭中，環(huán)形接頭連接表現(xiàn)出非常好的機(jī)械性能。研究表明，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，這種類型接頭的力學(xué)性能與普通現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)類似。此外，在實(shí)踐中，環(huán)形拼接的節(jié)點(diǎn)連接形式也常用于鋼-混凝土組合橋梁中預(yù)制橋面構(gòu)件之間的連接。

研究發(fā)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)中使用鋼纖維可提高節(jié)點(diǎn)的延性性能，在地震荷載作用下塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力更強(qiáng)，高性能纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料（HPFRC）基體被用在地震區(qū)預(yù)制或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)處，通過(guò)使用鋼纖維減少連接處橫向鋼筋的數(shù)量。超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（UHPFRC）與鋼筋之間的錨固長(zhǎng)度要求較短，這就可保證節(jié)點(diǎn)之間連接的連續(xù)性，從而確保施工過(guò)程的安全性，縮短施工時(shí)間并避免節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋布置過(guò)于復(fù)雜，保證高質(zhì)量施工。

2 新型節(jié)點(diǎn)的提出

2.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式

在既有研究中，大多數(shù)濕式連接均將節(jié)點(diǎn)區(qū)作為后澆區(qū)，而節(jié)點(diǎn)區(qū)往往是鋼筋配置比較密集的區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土澆筑時(shí)往往會(huì)因配筋過(guò)于密集，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土澆筑不密實(shí)，影響工程質(zhì)量。受此啟發(fā)，創(chuàng)新性地提出一種新型后澆整體式預(yù)制構(gòu)件連接形式，主要構(gòu)思如下：預(yù)制梁端部梁寬方向每邊擴(kuò)出一定距離，將2個(gè)側(cè)面擴(kuò)出部分澆筑成預(yù)制薄壁，將預(yù)制梁外伸出的環(huán)扣鋼筋圍住。預(yù)制柱在與預(yù)制梁連接處也提前埋設(shè)外伸的環(huán)扣鋼筋，并在連接處的底部設(shè)置1個(gè)螺栓支架。拼裝時(shí)，預(yù)制梁側(cè)面2個(gè)預(yù)制薄壁可直接支撐在螺栓支架上，在進(jìn)行預(yù)制薄壁混凝土澆筑時(shí)可起到側(cè)模的作用。因?yàn)槔w維混凝土具有良好的拉伸和壓縮性能，所以在連接區(qū)采用纖維增強(qiáng)混凝土（FRC）進(jìn)行澆筑。

預(yù)制梁截面尺寸設(shè)計(jì)為167mm×300mm，梁底部配置2根12和1根14縱向受力鋼筋，上部配置鋼筋與底部相同，梁中部配置2根8腰筋。預(yù)制柱截面為267mm×300mm，柱4個(gè)角部采用16鋼筋，其他受力筋14，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及設(shè)計(jì)如圖1，2 所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)三維構(gòu)造

圖2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.2 節(jié)點(diǎn)拼裝

裝配步驟如圖3所示。①步驟1 將預(yù)制柱立起，在柱一側(cè)設(shè)置的螺栓支架可用來(lái)支撐預(yù)制梁，在此階段也可看到從柱和梁上伸出的鋼筋；②步驟2 將梁柱伸出鋼筋環(huán)扣在一起進(jìn)行澆筑，預(yù)制梁通過(guò)2個(gè)側(cè)向預(yù)制薄壁支撐在支架上；③步驟3 將提前布置的箍筋等間距布置在環(huán)扣搭接段；④步驟4 將側(cè)向預(yù)制薄壁為模板將FRC澆筑到接頭中完成連接。

圖3 節(jié)點(diǎn)拼裝步驟

3 有限元模型建立

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，混凝土采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)桁架單元。混凝土采用的力學(xué)模型是“混凝土損傷塑性”（CDP），如圖4所示。該模型適用于分析混凝土在單調(diào)、循環(huán)或動(dòng)態(tài)荷載作用下的非線性性能。還可通過(guò)損傷參數(shù)評(píng)估循環(huán)加載過(guò)程中材料剛度的下降。混凝土和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5，6所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖5 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)柱頂施加固定軸向力，同時(shí)對(duì)柱頂施加低周反復(fù)荷載。加載采用位移控制加載，每級(jí)荷載循環(huán)3次，最終通過(guò)后處理提取柱端位移與相應(yīng)的荷載值，可得到節(jié)點(diǎn)的滯回曲線，由此可看出，有限元計(jì)算得出的滯回曲線與試驗(yàn)所得到的滯回曲線吻合良好，采用有限元計(jì)算所得節(jié)點(diǎn)極限承載能力略高于試驗(yàn)值。在加載前期，節(jié)點(diǎn)處于彈性階段，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈線性變化，滯回環(huán)面積較小，隨著荷載進(jìn)一步施加，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段，考慮到鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑移及節(jié)點(diǎn)存在的殘余變形，滯回環(huán)面積不斷增加，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)的滯回耗能能力較好。

5 參數(shù)變化分析

5.1 參數(shù)的改變

通過(guò)以上分析可發(fā)現(xiàn)，所建節(jié)點(diǎn)有限元模型能較準(zhǔn)確地反映節(jié)點(diǎn)的受力性能，所以在此模型基礎(chǔ)上，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化分析，主要參數(shù)變化為連接處環(huán)扣搭接長(zhǎng)度，在本次計(jì)算中將原搭接長(zhǎng)度從373mm減少到264mm。

5.2 參數(shù)變化對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能影響

考慮到ABAQUS計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)非線性耗時(shí)較多，所以在進(jìn)行參數(shù)化分析時(shí)，只采用單調(diào)加載方式，通過(guò)單調(diào)加載獲得節(jié)點(diǎn)的骨架曲線如圖7所示，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連接區(qū)環(huán)扣搭接長(zhǎng)度減小到264mm，節(jié)點(diǎn)承載力降低較多，已完全低于試驗(yàn)值，所以認(rèn)為當(dāng)環(huán)扣搭接長(zhǎng)度降低到264mm，搭接長(zhǎng)度已經(jīng)不能再減小。

圖7 骨架曲線對(duì)比

改變連接區(qū)環(huán)扣搭接長(zhǎng)度，對(duì)連接區(qū)混凝土的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，環(huán)扣搭接長(zhǎng)度減小后，混凝土的應(yīng)力值也隨之增大，在原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)中，連接區(qū)段混凝土最大應(yīng)力值為8MPa，而當(dāng)搭接長(zhǎng)度減小到264mm后，該區(qū)段混凝土最大應(yīng)力值達(dá)13MPa，鑒于FRP混凝土良好的力學(xué)性能，達(dá)到13MPa的應(yīng)力仍符合要求，如果采用普通混凝土則已產(chǎn)生破壞。

由改變連接區(qū)環(huán)扣鋼筋搭接長(zhǎng)度后鋼筋的應(yīng)力圖可看出，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，鋼筋應(yīng)力較大的部位發(fā)生在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，而減小搭接長(zhǎng)度后，鋼筋應(yīng)力最大處轉(zhuǎn)移到搭接區(qū)域外的梁中。考慮到如果在地震荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞進(jìn)行修復(fù)時(shí)，發(fā)生在梁中破壞修復(fù)較破壞發(fā)生在節(jié)點(diǎn)區(qū)修復(fù)要容易。必須強(qiáng)調(diào)的是，拼接長(zhǎng)度的縮短會(huì)導(dǎo)致重疊區(qū)域內(nèi)FRC中的壓縮主應(yīng)力增加。

6 結(jié)語(yǔ)

1）節(jié)點(diǎn)區(qū)配筋較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工難以保證質(zhì)量，而采用該新型節(jié)點(diǎn)可將節(jié)點(diǎn)區(qū)在預(yù)制廠進(jìn)行制作，現(xiàn)場(chǎng)只需將梁柱結(jié)合處采用FRC進(jìn)行澆筑即可。

2）采用ABAQUS建立借點(diǎn)有限元模型，能夠較好地對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，新型節(jié)點(diǎn)建模分析所得的滯回曲線與試驗(yàn)值吻合良好，說(shuō)明本文中所建節(jié)點(diǎn)有限元模型可對(duì)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能做進(jìn)一步分析。

3）在已建立有限元模型基礎(chǔ)上，通過(guò)改變預(yù)制梁連接處環(huán)扣搭接長(zhǎng)度探究環(huán)扣搭接長(zhǎng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，最終發(fā)現(xiàn)環(huán)扣搭接長(zhǎng)度由原來(lái)的373mm減小到264mm，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)受力鋼筋最大應(yīng)力處的轉(zhuǎn)移，從而便于結(jié)構(gòu)震后的修復(fù)，連接區(qū)混凝土應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力不斷增大，總體仍能滿足要求。