預(yù)應(yīng)力拼接式框架節(jié)點(diǎn)抗剪性能數(shù)值模擬研究

伏立志

（北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100024）

1 引言

近年來(lái)，在綠色建筑思想和建筑工業(yè)化理念的推動(dòng)下，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)迎來(lái)了新的發(fā)展熱潮[1]。JGJ 1—2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、GB/T 51231—2016《裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 51129—2017《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》等對(duì)推進(jìn)裝配式混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國(guó)工程建設(shè)中的應(yīng)用均有一定的推動(dòng)作用。建筑平面布置靈、易于標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制率高、應(yīng)用范圍較廣等是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是裝配式結(jié)構(gòu)中研究和應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)體系，其主要可分為以下3 種形式：整體式裝配框架結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力拼接式框架結(jié)構(gòu)；全裝配式框架結(jié)構(gòu)。

2 常用裝配式框架節(jié)點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 整體式裝配框架節(jié)點(diǎn)

2.1.1 梁-柱節(jié)點(diǎn)

梁-柱節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能有至關(guān)重要的影響。梁-柱節(jié)點(diǎn)的連接方式可分為以下幾類[2]：搭接連接或鋼筋錨固；灌漿套筒連接；焊接連接；螺栓連接。

2.1.2 梁-梁節(jié)點(diǎn)

裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁-梁連接是指預(yù)制混凝土梁之間在水平方向上的連接，疊合梁連接是梁-梁連接的主要連接方式。混凝土疊合梁具有整體性好、經(jīng)濟(jì)效益高等顯著優(yōu)點(diǎn)，作為裝配式結(jié)構(gòu)中重要的水平構(gòu)件，其在混凝土框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也較為常見(jiàn)。然而，雖然采用疊合梁連接可以有效提高結(jié)構(gòu)的整體性，但疊合梁施工工藝較為煩瑣，施工難度較大。這就導(dǎo)致其施工速度會(huì)明顯降低。另外，連接段的混凝土施工極易導(dǎo)致新老混凝土接縫處開(kāi)裂等問(wèn)題，使疊合梁連接方式在裝配式混凝土中的應(yīng)用存在很大的局限性。

2.1.3 柱-柱節(jié)點(diǎn)

柱是框架結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，其不僅要承受豎向荷載的作用，還要承受一定的水平荷載。對(duì)于裝配式框架結(jié)構(gòu)，柱-柱之間的連接應(yīng)受到高度重視。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者按施工工藝將柱與柱之間的連接方式分為干式連接和濕式連接兩種。一般來(lái)講，干式連接無(wú)須澆筑混凝土，采用螺栓連接、焊接連接等方式即可。濕法連接則需要在對(duì)鋼筋進(jìn)行錨固或焊接后再澆筑混凝土來(lái)完成構(gòu)件之間的連接，其最為常見(jiàn)的方式主要有套筒連接、榫式連接和漿錨連接3 種。不難看出，濕式連接施工工藝較為復(fù)雜、煩瑣，其應(yīng)用范圍沒(méi)有干式連接廣泛。

2.1.4 梁-板節(jié)點(diǎn)

樓板是建筑結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件，其性能對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能有很大的影響。對(duì)于裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，一般情況下采用疊合板與混凝土梁連接。現(xiàn)有的研究報(bào)道中，對(duì)于節(jié)點(diǎn)連接方式整體性能的研究較少。目前普遍認(rèn)為，裝配式梁-板抗震性能與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的抗震性能相近。

2.2 全裝配式框架節(jié)點(diǎn)

采用干式連接的節(jié)點(diǎn)形式稱之為全裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。將連接件埋在預(yù)制構(gòu)件中，拼接時(shí)利用焊接或者螺栓對(duì)構(gòu)件的預(yù)埋連接件進(jìn)行連接的施工方式稱之為干式連接。一般情況下，采用干式連接方法不用澆筑混凝土，這就在很大程度上縮短了施工周期。通過(guò)合理的干式連接可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。但是目前針對(duì)全裝配式框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究較少，這也就導(dǎo)致該連接技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)較少。

2.3 預(yù)應(yīng)力拼接式框架節(jié)點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)梁-柱節(jié)點(diǎn)利用預(yù)應(yīng)力的夾持效應(yīng)來(lái)拼接梁、柱。就現(xiàn)有的研究來(lái)看，采用預(yù)應(yīng)力進(jìn)行裝配的梁-柱節(jié)點(diǎn)均具有強(qiáng)度高、剛度大以及延性好的優(yōu)良特點(diǎn)，在地震作用下其構(gòu)件的破壞程度相對(duì)較小，而且預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)震后殘余變形小，具有良好的恢復(fù)能力。總體來(lái)看，目前，雖然有學(xué)者已經(jīng)提出了利用部分預(yù)應(yīng)力混凝土的概念，但造價(jià)成本較高，其經(jīng)濟(jì)性差。

3 預(yù)應(yīng)力拼接式框架節(jié)點(diǎn)抗剪性能數(shù)值模擬

3.1 單元選擇

為研究預(yù)應(yīng)力鋼筋-混凝土拼接式框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，本文采用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)某拼接式框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能分析。根據(jù)本研究討論的重點(diǎn)，ABAQUS 有限元分析中混凝土采用根據(jù)實(shí)體單元建立模型，并采用C3D8R（減縮積分八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元）單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鋼筋均采用桁架單元建模，但綜合考慮計(jì)算工作量和模擬效果后，決定耗能鋼筋與抗剪鋼筋選擇C3D8R 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，而普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋選用T3D2（兩結(jié)點(diǎn)三維桁架單元）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其桁架單元與實(shí)體單元之間接觸面采用Embed（內(nèi)置區(qū)域）約束。

3.2 網(wǎng)格劃分

混凝土預(yù)制梁柱和混凝土預(yù)制梁的網(wǎng)格尺寸為50 mm，網(wǎng)格劃分如圖1a 所示。鋼筋籠框架網(wǎng)格劃分如圖1b 所示。

3.3 邊界條件及加載

有限元模型邊界約束條件如圖1c 所示，柱底約束U1、U2、U3，柱頂約束U1、U3，這樣使模擬效果與實(shí)際效果更為接近。另外，在模型節(jié)點(diǎn)的柱頂部位需施加壓力模擬其受軸壓作用，預(yù)制梁自由端施加往復(fù)荷載模擬擬靜力分析，且節(jié)點(diǎn)模型預(yù)應(yīng)力采用降溫法的方法施加。

圖1 預(yù)應(yīng)力拼接式框架節(jié)點(diǎn)抗剪性能數(shù)值模擬

4 抗剪性能計(jì)算結(jié)果分析

為提高模擬效果的可靠性，對(duì)抗剪鋼筋配筋率不同的框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，通過(guò)采用直徑分別為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 與25 mm 的抗剪鋼筋建立拼接式框架節(jié)點(diǎn)模型來(lái)計(jì)算其配筋率。

本次研究建立模型較多，考慮到鋼筋、混凝土應(yīng)力分布情況較為相似，以其中3 個(gè)模型（直徑分別為14 mm、16 mm、18 mm 的模型KJJ 14、KJJ 16、KJJ 18）分析進(jìn)行分析，應(yīng)力分析結(jié)果以模型KJJ 14 為例，如圖2 所示。從圖2 可以看出，模型的最大應(yīng)力主要在梁柱交界處，而混凝土梁核心區(qū)的應(yīng)力較小，由此證明此種節(jié)點(diǎn)抗剪破壞主要位置在交界面處，核心區(qū)得到了一定的保護(hù)。

圖2 模型KJJ 14 應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

與現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)體系相比，裝配式混凝土框架在性能上有很大優(yōu)勢(shì)，且其還有施工時(shí)間短、施工工藝簡(jiǎn)單和可按批次預(yù)制等優(yōu)點(diǎn)。本文列舉了國(guó)內(nèi)外裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)的常見(jiàn)連接方式，并分析了各連接方式的優(yōu)勢(shì)和局限性。由于預(yù)應(yīng)力拼接式框架節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)度高、剛度大以及延性好的優(yōu)良特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)此類節(jié)點(diǎn)建立抗剪性能數(shù)值模擬，并分析不同抗剪鋼筋配筋率對(duì)性能的影響研究分析。另外，相關(guān)設(shè)計(jì)在保證建筑物的安全性的同時(shí)還要考慮工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，有助于控制造價(jià)。