新型裝配式半剛性節點抗震性能試驗研究

王德波 韓兆坤

1. 青島靈山灣開發建設有限公司 山東 青島 266499；2. 北京東方華脈工程設計有限公司青島分公司 山東 青島 266555

引言

本文提出一種新型的半剛性裝配式混凝土梁柱節點形式，該節點采用帶牛腿承臺通長預制柱與預制混凝土梁通過高強螺栓貫通連接。對裝配式節點進行足尺試驗，利用該節點的破壞狀態、滯回曲線和骨架曲線來驗證該節點在低周反復荷載下的承載能力及抗震耗能性能。同時，運用有限元分析軟件ANSYS對其進行數值模擬，分析該節點在服役階段時的應力演化過程，深入探究節點在周期荷載作用下的服役機理，為該節點的優化設計和理論分析提供依據。

對于裝配式梁柱節點，一些學者進行了研究，主要集中于試驗和理論研究。在試驗方面，王靜峰等設計和制作了2個帶樓板的薄壁鋼管混凝土組合節點，并進行了低周往復荷載試驗，發現螺栓錨固構造對組合節點的變形性能具有較大影響作用；徐瑩璐等提出了一種新型的弱軸連接組合節點，進行了擬靜力試驗和數值模擬，發現單軸對稱鋼梁截面可以減小組合效應的不利影響；陳珊珊等對具有不同寬度樓板的裝配式型鋼混凝土柱－鋼梁節點抗震性能進行了分析，指出樓板有效寬度的增加對節點的初始轉動剛度和承載能力均有明顯提升作用。在理論方面，張婧等對3個平齊端板連接梁柱組合節點進行了循環往復試驗，提出了梁端初始轉動剛度的計算公式，計算結果與試驗結果較為接近；李國強等對3個平齊式端板自鎖式單向螺栓連接節點進行了單調加載試驗，給出了該節點在彎矩荷載作用下的高強螺栓的力的分布形式；王振宇等提出了以T型件作為基本分析單元，通過單個彈簧代替多個彈簧模擬T型件，計算結果與多個文獻中的試驗結果吻合程度較好。

根據以上所述可以看出，人們對于考慮組合樓板作用的裝配式節點已有一定程度的研究，但對于外伸端板裝配式節點在與組合樓板共同作用時的相關研究尚為匱乏，而端板節點是裝配式鋼框架中較為常用的梁柱連接形式，當該節點連接形式與組合樓板共同作用時，在外荷載作用下節點的變形與受力模式將會變復雜。因此，為完善組合樓板對裝配式端板節點抗震性能的影響作用，本文對2個節點試件進行了擬靜力試驗和數值模擬分析，研究其破壞模式、滯回性能、承載能力、半剛性性能以及受力機理。此外，還對采用不同類型壓型鋼板的節點抗震性能變化規律進行了分析。

1 裝配式發展概述

裝配式其具有施工工期短、機械化程度高、成本及人力消耗低的特點，其中剪力墻具有較高的承載力及水平抗側力剛度，是適用于裝配式建筑的一種結構形式。

裝配式建筑剪力墻結構的研究起步較晚，而中國是一個地震多發的國家，地震強度大、范圍廣，因此研究裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估模型具有重要的現實意義[3]。

在以往的研究中，多是通過模擬軟件分析裝配式建筑剪力墻結構的抗震性能，這種方法無法分析剪力墻整體結構的抗震性能，導致分析誤差較大。因此，本文設計一種裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估模型對其抗震性能進行評估。此次設計的評估模型通過剪力墻性態水準、性能指標與性態目標建立起裝配式建筑剪力墻結構抗震性能的評估指標，將此作為重要的評估對象，在此基礎上，定義剪力墻結構實體，分析剪力墻結構構件之間的關聯性，采用智能模糊算法對裝配式建筑剪力墻結構抗震性能進行評估。

2 試驗概況

2.1 節點設計與制作

T型預制梁外端與牛腿柱外側分別預埋鋼制承壓板，螺栓兩端用螺母與承壓板連接。該節點尺寸設計時中現澆節點尺寸，混凝土材料及其鋼構件力學參數分別見表1和表2。

表1 混凝土材料力學性能

表2 鋼筋及其他鋼構件力學性能

對進場檢驗的鋼筋進行焊接，并搭架鋼筋網，鋼筋網檢查無誤后安裝木質模板。模板檢驗無誤后，在其表面涂抹隔離油，并用膠帶密封接頭部位。

2.2 試驗工況

本試驗采用擬靜力試驗，加載裝置為北京佛力生產±500kN電液伺服加載系統，動作器有效里程為±250mm。預制柱下端用螺栓錨固，上端用千斤頂施加500kN豎向軸力。同時，預制柱兩端用螺紋鋼筋及型鋼進行約束，防止試件在加載期間發生垮塌。加載裝置布置在預制梁外側，通過伺服加載系統施加低周反復荷載。

3 試驗結果與分析

3.1 節點模型設計

裝配式節點由方鋼管柱、H型長梁、弧形腋板、焊接用H型短梁、焊接用柱肋板、腹板連接板等構件組成。組裝前將設有凹槽的短梁焊接于柱面兩端，肋板焊接于短梁上下、柱面偏心處，腋板焊接于長梁翼緣軸心處；組裝時將長梁翼緣接入短梁凹槽處，上下腋板接入柱肋板處，通過螺栓進行連接，長短梁腹板處通過連接板使用螺栓連接。為擴展有限元計算模型，對6個不同構件尺寸的中柱節點進行低周往復循環加載的擬靜力數值分析[1]。

3.2 節點破壞特征

當正向加載為30kN時，在加載梁的中間部位上部出現第一條裂縫；當反向加載時，裂縫消失，在下部相似位置出現一條裂縫；當加載至50kN時，T形梁端承壓板邊緣出現第一條斜裂縫；隨著加載力的增大，裂縫數量越來越多，T形梁端承壓板邊緣裂縫寬度增加且梁與柱相交截面出現裂縫；加載至60kN時，T形端裂縫不斷發展，梁上部與柱相交處裂縫寬度持續增加；當加載至70kN時，梁端的混凝土裂縫寬度達到7cm，核心區裂縫寬度也逐漸持續增大；當加載至75kN時，梁主要受力鋼筋屈服，即達到屈服強度，采用位移加載；隨著位移的增大，梁上部裂縫寬度達到10cm，承壓板邊緣斜裂縫寬度達到5cm, T形梁端混凝土壓碎破壞。核心區混凝土壓碎破壞，承壓板附近混凝土發生剪切破壞，節點處柱與牛腿并未出現裂縫，滿足設計要求“強柱弱梁”，高強螺栓發生屈服。

4 裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估模型設計

4.1 裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估模型架構

此次研究的裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估模型的主要優勢為：具有齊全的裝配式建筑剪力墻結構設計過程內所使用的信息內容，能夠為評估提供依據。同時，該模型內提供評估指標與評估方法，模型具體架構如圖1所示。

圖1 裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估模型架構

裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估模型的實現過程如下：

第一，利用建筑設計軟件，構建裝配式建筑剪力墻模型[2]；

第二，導出模型，通過裝配式建筑剪力墻結構模型獲得組合結構的構建信息，構建用于裝配式建筑剪力墻抗震加固的建筑模型信息；

第三，通過上述建筑模型能夠獲取結構設計模型內的幾何模型，在對剪力墻結構抗震性能評估過程中，依據評估指標將評估信息反映至評估模型中，以對模型修正；

第四，根據此模型對裝配式建筑剪力墻結構抗震性能進行評估。

該模型實現過程中，評估指標與評估方法為重點設計部分，具體實現過程如下。

4.2 裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估指標建立

通過剪力墻性態水準、性能指標與性態目標建立起裝配式建筑剪力墻結構抗震性能的評估指標。性態水準代表剪力墻結構在某一地震水平下預期的破壞程度，因此根據結構類型、整體結構、構建等評估剪力墻結構抗震性能等級。

為便于裝配式建筑剪力墻結構抗震性能評估，性態水準還應表達為各種性能指標，性能指標由一個或多個性能參數進行定義，此次研究以位移指標劃分極限狀態。依據損傷評定過程，計算剪力墻結構抗震性能，從上述計算能夠看出，此次設計的模型能夠反映地震對剪力墻結構損傷程度的影響，以此完成裝配式建筑剪力墻結構抗震性能的評估[4]。

5 結束語

通過對新型半剛性裝配式節點進行試驗及有限元數值模擬，本文主要結論如下：

本文所提出的新型裝配式半剛性節點其破壞主要集中在節點核心區，T形梁端承壓板附近裂縫較為集中，以梁上下表面對稱趨勢向梁中部開裂，梁尾部無明顯裂縫；預制柱端、牛腿部位均完好，滿足“強柱弱梁”的設計要求。

新型裝配式節點在低周反復荷載下，其屈服荷載及極限荷載較現澆節點明顯提高，其整體承載能力提升約25.41%，滯回曲線飽滿，耗能性能優良。

模擬結果顯示，節點在服役階段，高強螺栓為主要的承載構件，混凝土預制梁柱為次要承載構件。表明當預制梁柱強度滿足荷載要求時，通過更換高強螺栓即可完成災后預制節點修復工作，符合該新型節點的設計理念。