施工缺陷對鋼筋混凝土框架節點性能的影響分析

0 引言

相較于鋼鐵、木材、磚混等傳統建筑材料，鋼筋混凝土雖僅發展了一百多年，但在物理力學性能、施工成本和耐久性等方面表現出色，因此被越來越多地應用于建筑、交通、水利、地下工程以及特殊建筑[1。近年來，地震引發的框架連接件失效問題，給我國造成了一定的經濟損失和人員傷亡?；诖?，國內外學者對框架連接件受力與失效問題展開了深入研究[2]。

趙利利[3基于ABAQUS軟件，構建了含代表性損傷比例的結構連接體模型。楊若庸[4]歸納了梁柱連接中常見病害的產生原因與特征，并分析了已有的受力機制。潘鉆峰等[5]針對6根RC梁—SRC柱節點，分別設計了3種節點形式，研究了其在低周往復荷載作用下的梁柱節點破壞形態、滯回曲線、延性和剛度退化等變化規律。鄧甜[研究了插銷式與插銷式組合柱組合構件在地震作用下的地震行為，闡明了兩者共同作用對其受力特性的影響規律。錢磊[對預制梁下部縱筋及預制柱縱筋采用機械連接，在裝配式混凝土框架節點核心區澆筑普通混凝土、ECC和UHPC材料，并對節點開展了低周往復加載抗震性能試驗。何建鑫[8在前期研究基礎上，以一種具有可控制破壞能力的裝配式鋼筋混凝土框架中節點為研究對象，開展了地震響應特性研究。

本文以西安電子谷項目為依托，通過現場調研、分析和測試，結合ABAQUS軟件建立有限元模型，分析不同缺陷率對節點受力狀態的影響規律和程度，為框架節點正式施工質量控制標準的制定提供了有益參考。

1項目概況

1.1 基本情況

西安電子谷項目位于陜西省西安市高新區，其四至范圍為棗林路以東、凌河北路以北、翠微路以西及棗林五街以南?，F場地形較為平坦，無特別的巖石分布，現地面高程介于 418.863～422.080m 之間，高差為 3.217m 場地西南部存在雜填土坑。該工程共9幢，由2號樓、4號樓至11號樓組成，1層為地下車庫，建筑面積約為70310.29m² 。項目所在地區屬溫暖半濕潤大陸性季風氣候，具有全年有明顯的季節性特征，秋季短，春季較長。

1.2區域氣候條件

受大陸性季風影響，冬季氣溫較低、降水較少且冷空氣活動頻繁。夏季高溫多雨，春、秋兩季為過渡季節。春季，隨著北方冷空氣與暖濕氣流交替，降雨量逐漸增多，氣溫回升，但易出現低溫、晚霜天氣。秋季則呈現低溫寒害、多雨、降溫迅速的特征。區域年平均溫度 13.2^° ，其中最高溫度 43.4^° ，最低溫度 -17.5^° ，年降雨量 660mm ，降雨呈現冬春干旱、夏季集中、秋雨連綿的特點。年均光照時長 2097h ，無霜期217d，最大雪深18cm ，最大凍土深度 20cm 。主導風向為東南風，次主導風向為西南方向，多年平均風速 2m/s ，最大風速 24m/s 。

2鋼筋混凝土框架梁柱節點損傷檢測

對本項目1～3層鋼筋混凝土框架梁柱側連接部位的尺寸進行實測并統計，發現柱側連接部位存在位置誤差。通過實測分析，得出該區域內各個節點的理論抗剪承載力和實際抗剪承載力，實測結果見表1。

經過測試和分析，得到的結論如下：由于節點內鋼筋數量較多，存在較大的“搶位”問題，且在下梁帶筋時會發生位移；隨著樓層高度增加，結構中的配筋數目和間距逐漸減小，導致加固施工難度增大；二層受彎構件的受壓破壞最為嚴重，由于配箍過程中未正確設置配箍，已裝配的配箍相互疊置，使得受壓性能明顯下降；橫向配箍在增強接頭剪切承載力方面表現良好，但配箍間距太小會降低混凝土約束效果，不配箍則會顯著降低接頭的剪切性能。

表1實測結果

表2防水卷材技術指標二

3建立有限元模型

3.1材料本構關系

在ABAQUS軟件基礎上，分別構建了彌散裂紋、脆性斷裂以及混凝土的損傷塑性本構模型。彌散裂紋模型從彈性破裂的視角研究裂縫后的力學性能，可用于模擬梁、桁架和殼體等多種形式。脆性斷裂理論假設材料在壓縮方面表現為線彈性，在發生斷裂之前需要建立線性本構關系，同時引入裂縫到介質中，使其能夠模擬陶瓷、脆性巖石等多種材料。

基于多強化塑性及等向彈性損傷理論的混凝土損傷本構關系，能描述混凝土結構在單調循環或動態加載下的破壞特性。所描述的三折線模型不僅包括了混凝土的屈服和加固作用，還能反映混凝土中鋼筋在屈服后的力學特性，精確估算高強度混凝土中的應力。鋼筋本構關系如圖1所示。

圖1鋼筋本構關系

圖1中： ε 表示應變，即鋼筋受力后產生的相對變形量，無量綱； f_s 表示應力，即鋼筋單位截面積上所承受的內力，單位為 MPa ；OB段表示為彈性階段；BC段表示為強化階段； E_s 表示彈性階段的彈性模量，單位為MPa . E_s^′′ 表示強化階段的彈性模量，單位為MPa。

3.2計算模型

在上述研究成果的指導下，采用數值模擬的方法，對本項目混凝土框架節點進行了數值模擬。含裂縫鋼筋混凝土結構采用三折線鋼筋混凝土本構模型和混凝土損傷塑性模型，并將工程缺陷引入到模型中。模型整體圖如圖2所示。

3.3材料參數

對不同部位的混凝土進行了3種不同的強度測試，混凝土損傷塑性模型參數見表2。

3.4定義邊界條件和荷載

3.4.1分析步設置

建立分析步的主要目的是明確分析過程、載荷施加方式及輸出要求。解析步驟的設定方法為：在“模塊”中選擇“創建分析步”，然后設置分析參數，包括最大增量步數、初始增量步、最大增量步長和最小增量步長。

3.4.2邊界條件設定

在設定邊界條件時，“step-1”中，將立柱底部設置為固定支承，即限制梁軸向（X軸）、柱軸向（Z軸）、垂直于梁柱集合體面的y軸方向，以及繞X、Y、Z軸的轉動自由度均設為0?！皊tep-2”中，通過解析“step-1”完成立柱頂部荷載至底部的傳遞后，將立柱底部設置為鉸支，解除圍繞Y軸的轉動自由度，同時在梁端墊塊下方設置限制Y方向移動的支撐。

4結果分析

4.1 應變分析

不同缺陷率下節點鋼筋應變如表3所示。由表3可知，當節點缺陷率為 5% 時，核心區縱向鋼筋應變開始顯著增加，其最大應變值出現在中心位置。梁頂部與底部鋼筋均出現應變，且隨著缺陷率的增加，應力逐漸增大并向核心區擴展，導致更嚴重的破壞。

表3不同缺陷率下節點鋼筋應變

4.2骨架曲線分析

圖3骨架曲線

圖4位移-缺陷率關系

圖5載荷-缺陷率的關系

表4延性系數-缺陷率的關系

圖3所示為骨架曲線。從圖3可以看出，在彈性階段，主骨架曲線呈直線形態。但在材料破壞過程中，骨架曲線的發展早于材料的屈服點對應的階段。在未發生屈服前，缺陷率對其結構特性無顯著的影響；而在屈服后，曲線則表現出明顯的轉折，且這種變化呈漸進式呈現。隨著缺陷率增大，骨架曲線峰值降低，特別是當缺陷率為 10% 和 7% 時，骨架曲線先出現峰值后急劇下降。

圖4為位移-缺陷率的關系，圖5為載荷-缺陷的關系。由圖4和圖5可以看出，缺陷率改變對于鋼筋屈服影響較小，但對混凝土的極限承載力有較大的影響。缺陷率為0、 3% 1 5% 、 7% 和 10% 時，對應的極限荷載分別為57.3kN、55.28kN、54.16kN、50.71kN和 49.5kN. 0這表明缺陷率對混凝土結構的極限承載力有較大的影響，且在 5%～7% 范圍內的降幅最大，建議將缺陷率控制在 5% 以下。當缺陷率為0、 3% 、 5% ， 7% 和 10% 時，對應的最大位移數值分別為 17.41mm ！ 15.44mm ！ 14.99mm 、11.11mm 和 10.21mm ，與無損傷節點相比，其最大位移降低了 3% 、 5% 、 7% 和 10% 。

4.3延性性能分析

延性系數-缺陷率關系見表4。從表4可以看出，缺陷率對材料的延性具有顯著影響。當缺陷率分別為0% 、3%、 5% 、 7% 和 10% 時，相應的極限位移值分別為17.41mm、15.44mm、 14.99mm 、11.11mm和 10.21mm_o 在同樣的缺陷率條件下，延伸率分別為1.98、1.90、1.48和1.40。結果表明，當缺陷率達到 5% 時，結構的最大變形和延性系數受缺陷率的影響最為顯著，因此建議將缺陷率控制在 5% 以下。

5結論

本文以西安電子谷項目為依托，通過現場調查、分析與檢測，借助有限元分析軟件ABAQUS建立了有限元模型，分在受力情況下不同缺陷率對節點性能的影響規律與影響程度，主要結論如下：

1）采用ABAQUS有限元分析方法，構建含裂縫鋼筋混凝土結構連接模型，采用三折線鋼筋混凝土本構模型和混凝土損傷塑性模型，并將工程缺陷納入模型中。

2）當構件中缺陷率超過 5% 時，箍筋就會產生明顯應變，且隨缺陷率增大，構件受力也會隨之增加，并且會逐步擴展至構件的中心部位，使其產生較大的破壞。

3）當節點缺陷率超出 5% 時，極限位移、極限荷載 和延性系數等指標顯著下降，節點的耗能性能、剛度和 極限承載力都會急劇降低。

參考文獻

[1]魏春明.現澆鋼筋混凝土框架結構施工縫抗震性能[D].大連：大連理工大學，2006.

[2]丁帆.鋼筋混凝土框架節點配筋構造對延性的影響分析與研究[D].成都：成都理工大學，2019

[3]趙利利.鋼筋混凝土框架節點施工缺陷分析及質量控制標準研究[D].青島：青島理工大學，2019.

[4]楊若庸.施工缺陷對RC框架梁柱節點力學性能的影響[D].西安：西安工業大學，2017.

[5]潘鉆峰，葛雄，張海鵬，等.預應力混凝土梁-型鋼混凝土柱框架節點抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2024，57（12）：43-53.

[6]鄧甜.折紙型支撐與裝配式混凝土框架連接節點的抗震性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2024.

[7]錢磊.機械式連接預制裝配式混凝土框架節點抗震性能研究[D].揚州：揚州大學，2024

[8]何建鑫.損傷可控的新型裝配式混凝土框架中節點抗震性能研究[D].贛州：江西理工大學，2024.