多齒槽裝配式柱連接節(jié)點有限元分析

張德發(fā)，干洪

（安徽工程大學 建筑工程學院，蕪湖 241000）

在抗震設(shè)計中，要求“強節(jié)點，弱構(gòu)件”，在裝配式結(jié)構(gòu)中節(jié)點很弱，不能像現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的強節(jié)點通過截面非彈性變形耗散能量，就全裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計而言，應(yīng)采取合理的構(gòu)造形式［1-3］。目前國內(nèi)外對裝配式梁-柱節(jié)點連接形式的研究頗多，但對裝配式柱-柱節(jié)點連接方式的探討較少［4-10］。本文在單齒槽節(jié)點連接構(gòu)造思路的基礎(chǔ)上［12］提出一種改進型多齒槽節(jié)點形式，采用摩擦抗剪設(shè)計的方法進行承載力驗算，并通過有限元數(shù)值分析進行驗證，柱的軸壓比是影響結(jié)構(gòu)的抗破壞能力的關(guān)鍵因素，通過調(diào)整柱的軸壓比、柱心高度及縱筋直徑，有效改善了結(jié)構(gòu)的抗破壞能力，最終給出合理的抗震性能評價。

1 有限元模型驗證

1.1 有限元模型建立

由于混凝土損傷塑性模型能盡可能準確地模擬混凝土剛度因損傷增加而降低的特征，而且它的收斂性較好。鋼筋本構(gòu)模型都采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C給出的雙折線模型。在ABAQUS有限元分析過程中，混凝土模型采用C3D8R單元模擬；鋼筋采用T3D2桁架單元來模擬；為簡化分析，忽略混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)滑移，并采用T3D2單元來模擬構(gòu)件的鋼板。預(yù)制裝配柱和鋼板均采用50mm網(wǎng)格。

1.2 構(gòu)件模型設(shè)計

本文主要將提出的新型預(yù)制框架柱-柱連接方式在預(yù)壓力和水平側(cè)力的作用下進行受力分析，并與相同配筋的現(xiàn)澆混凝土柱進行對比分析。其中，裝配上半部分柱尺寸為750mm×750mm×1500mm，裝配柱齒槽有四個，四個柱齒凸面部分尺寸為250mm×250mm×500mm，裝配下半部分柱尺寸為750mm×750mm×1500mm，四個柱齒齒槽面部分尺寸為250mm×250mm×500mm；外包鋼板尺寸取750mm×750mm×250mm混凝土強度等級為C60，保護層厚度為30mm，設(shè)計詳圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計詳圖

1.3 摩擦抗剪模型的建立

摩擦抗剪模型最初是由 Mast［4］和 Birkeland［5］提出的，后有部分學者對摩擦抗剪模型提出了修正［6，7］，如圖2所示，他們認為：裂縫產(chǎn)生后，裂縫面發(fā)生相對滑移的同時也會產(chǎn)生相對分離，垂直穿過剪切平面的鋼筋中產(chǎn)生拉力的水平分量可直接抵抗剪力，拉力的垂直分量相對于鋼筋附近的混凝土中部分壓力，通過摩擦作用抗剪的形式，裂縫處突出物咬合點的直接承受壓力也是剪力傳遞的重要途徑。修正后的摩擦抗剪模型根據(jù)我國規(guī)范GB50010-2002抗剪承載力按下式計算：

式（1）中，Vu為作用剪力；fy為抗剪鋼筋屈服強度；As為抗剪鋼筋面積；N為與剪力同時存在的垂直于剪切平面的軸向力，壓正拉負；γ為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0.85。

圖2 修正的摩擦抗剪模型

圖3 多齒槽裝配柱摩擦抗剪示意圖

摩擦抗剪模型模型受力性能顯而易見，本文建立的多齒槽裝配柱，上下柱有鋼筋穿過連接縫，剪力作用與裂縫平行，裂縫上部與下部有相對滑動的趨勢，具有相當高的摩擦系數(shù)來抵抗混凝土交接面的摩擦力。當裂縫產(chǎn)生后，滑動及由此產(chǎn)生的混凝土分力使得鋼筋受到拉力，在柱齒所有縱筋屈服強度相同情況下，裂縫兩邊壓力有最大值：

其中，NMAX—裂縫兩邊的壓力最大值；T—柱齒的截面鋼筋所受的拉力值，當齒的左側(cè)和右側(cè)的屈服強度相同時，拉力值A(chǔ)vffy；當齒的左側(cè)和右側(cè)的屈服強度不相同時T=∑Avffy；N′—齒的面積范圍內(nèi)所受的軸力；AC—齒的截面面積；A—預(yù)制柱的截面面積；N—預(yù)制柱所受的軸力；壓力為正拉力為負。Ayf—穿過裂縫的縱向鋼筋總面積。

最后可得，剪力應(yīng)滿足：

采用摩擦抗剪設(shè)計的方法驗算鋼筋時，還需要保證鋼筋能夠得到充分的錨固以發(fā)揮鋼筋的屈服強度，所以在預(yù)制構(gòu)件時應(yīng)采用足夠的箍筋。預(yù)制結(jié)構(gòu)中節(jié)點連接是整個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，而采用的柱-柱連接單齒柱心的連接方式，柱心部分的受力是整個預(yù)制柱受力分析的關(guān)鍵，在該部位可能發(fā)生剪切，受壓、彎曲等多種破壞形式。針對不同的破壞形式，對齒槽進行受力分析，齒槽的受力主要水平方面的剪力V和軸向壓力N。

1.4 模型驗證

對建立的新型柱-柱連接模型施加水平側(cè)力和預(yù)壓力，文中的每個模型的加載方式相同，在每個模型的混凝土柱頂施加豎直向下的恒載Fy=4000KN，然后在柱頂端施加側(cè)向荷載Fx=12KN。柱-柱連接部位采用鋼板箍連接，并與相同配筋的現(xiàn)澆混凝土柱進行對比分析。采用有限元通用軟件ABAQUS對局部外包鋼板裝配整體式框架柱接頭進行三維模擬分析。

圖4 多齒槽裝配柱鋼筋應(yīng)力云圖

在相同荷載條件下和相同尺寸和配筋的情況下，將現(xiàn)澆混凝土柱與本文提出多齒槽裝配柱進行模擬對比分析，由圖4可知，應(yīng)力較大區(qū)域分布在柱子底部，塑性鉸區(qū)出現(xiàn)在柱底；在裝配柱加密區(qū)附近應(yīng)力比較集中，設(shè)計時應(yīng)對外包鋼板進行剪應(yīng)力驗算。根據(jù)混凝土偏心受壓柱受力機理，求得現(xiàn)澆混凝土柱極限承載力理論值為489.5KN，與有限元計算結(jié)果接近。通過圖5得出的現(xiàn)澆混凝土柱與多齒槽裝配柱荷載-位移曲線圖可知，在整個彈性階段兩構(gòu)件曲線圖基本一致且呈線性增長；當達到峰值承載力后，呈下降趨勢，曲線下降過程中現(xiàn)澆混凝土柱稍高于多齒槽裝配柱，由此說明，本文提出的四齒槽裝配柱在彈性階段彈、塑性階段和破壞階段，承載力性能與現(xiàn)澆混凝土柱承載力性能相當，從而驗證了模型的可行性。同時也為通過有限元模擬進一步深入分析此類改進型節(jié)點結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機理做好準備。

圖5 預(yù)制裝配柱與先澆柱荷載-位移結(jié)果對比曲線圖及局部放大圖

2 參數(shù)分析

2.1 軸壓比對模型的受力性能影響

保持其他的條件不變，只改變構(gòu)件軸壓比的數(shù)值，將現(xiàn)有論文中的單齒槽模型柱與文中提出的多齒槽模型柱進行對比分析。分別模擬軸壓比為0.83、0.875、0.94、0.98及1.0五種情況，得出荷載-位移曲線圖，如圖6所示。由圖6可知，隨軸壓比的增加，單齒槽裝配柱和多齒槽裝配柱的水平極限承載力呈下降趨勢。在軸壓比為0.83時，兩種預(yù)制裝配柱的極限水平承載力最高。隨著軸力的增加，多齒槽裝配柱的承載力越來越高，最后單齒槽裝配柱不在承受荷載時，多齒槽裝配柱仍有一定的荷載。

圖6 不同軸壓比作用下曲線圖

2.2 柱芯高度的影響

保持其他的條件不變，只改變構(gòu)件柱芯高度的數(shù)值，將現(xiàn)有論文中的單齒槽模型柱與文中提出的多齒槽模型柱進行對比分析。分別模擬柱芯高度為300mm、325mm、350mm、375mm及400五種情況，得出荷載-位移曲線圖，如圖7所示。由圖7可知，隨柱芯高度的提高，單齒槽裝配柱和多齒槽裝配柱的水平極限承載力之間差距沒有軸壓比的影響大。隨柱芯高度的提高，單齒槽裝配柱和多齒槽裝配柱的水平極限承載力仍然呈下降趨勢，且進入強化階段以后，承載力急劇下降。整體來說，多齒槽裝配柱承載力性能優(yōu)于單齒槽裝配柱。

圖7 不同柱芯高度作用下曲線圖

2.3 配筋率的影響

保持其他的條件不變，只改變試件縱筋直徑的數(shù)值，現(xiàn)有論文中的單齒槽模型柱與本文提出的多齒槽模型柱進行對比分析。分別模擬縱筋直徑為10mm、15mm、20mm、25mm及30mm五種情況，得出荷載位移曲線圖，如圖8所示。由圖8可知，對于多齒槽裝配柱來說，裝配柱縱筋直徑過大或者過小都會使其承載力發(fā)揮不到極致，導(dǎo)致和單齒槽裝配柱的荷載-位移曲線差不多，但如果鋼筋半徑取值10mm的話，多齒槽裝配形式的預(yù)制柱承載力性能明顯優(yōu)于單齒槽裝配形式的預(yù)制柱。

圖8 不同配筋率作用下曲線圖

2.4 骨架曲線

圖9是骨架曲線，骨架曲線是滯回曲線的每一級循環(huán)峰值點的包絡(luò)線，即滯回曲線的外包絡(luò)線。由圖9可知，新型裝配柱子在每次滯回循環(huán)中具有較大塑性區(qū)，并且塑形區(qū)具有較高的模量，說明新型裝配柱子能夠吸收較大的破壞能量。隨著推覆位移的增加，所施加的推覆力也隨之增加，最大推覆力為12KN，對應(yīng)的推覆位移為0.8mm。

圖9 骨架曲線

3 結(jié)論

（1）采用摩擦抗剪模型，建立多齒槽節(jié)點連接裝配柱，進行非線性數(shù)值模擬，計算結(jié)果與現(xiàn)澆混凝土柱的數(shù)值模擬計算結(jié)果基本吻合，從而驗證了本文提出的模型的可行性。

（2）通過與現(xiàn)有文獻中單齒槽節(jié)點連接方式的裝配柱進行對比模擬分析，在考慮不同參數(shù)情況下，文章提出的多齒槽節(jié)點連接的裝配柱具備良好的受力性能和耗能能力，且在一定范圍內(nèi)性能更優(yōu)于單齒槽節(jié)點連接柱。

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