預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)邊節(jié)點滯回性能數(shù)值分析

劉 洋，梁萬達，韓正月

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預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)邊節(jié)點滯回性能數(shù)值分析

劉 洋1，梁萬達1，韓正月2

（1.邢臺職業(yè)技術(shù)學院，河北 邢臺 054035; 2.河北方舟工程項目管理有限公司，河北 石家莊 050000）

首先對預(yù)應(yīng)力裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景進行了簡單介紹，并對預(yù)應(yīng)力裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點的重要性進行了簡要說明；其次制作并設(shè)計了兩組試件，分別是混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件和附加阻尼裝置的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件，通過位移與荷載共同控制方法進行加載試驗;并利用ABAQUS有限元分析軟件進行建模分析得出相應(yīng)的受力圖像與滯回性能曲線；最后對試驗和有限元軟件模擬的滯回性能曲線共同進行分析研究，得出相關(guān)結(jié)論。

預(yù)應(yīng)力裝配；節(jié)點；阻尼裝置；有限元分析

一、前言

近年來，中國的建筑工業(yè)化進程在逐步推進，預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在人們的生活中變得越來越重要。預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆整體式框架結(jié)構(gòu)相比，有抗拉強度高、降低構(gòu)件自重、改善了結(jié)構(gòu)耐久性等優(yōu)點。預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)符合可持續(xù)發(fā)展的原則，能夠有力的加速我國建筑工業(yè)化的發(fā)展，提高施工速度與材料利用率，減少能源的消耗。預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)也是綠色環(huán)保的結(jié)構(gòu)體系，而且大規(guī)模工廠化生產(chǎn)能夠保證構(gòu)件的質(zhì)量，以此來提高建筑工程的質(zhì)量。

但是，傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用受到限制的原因之一就是：梁柱結(jié)構(gòu)節(jié)點處的連接不夠穩(wěn)固，抗震形式不滿足要求。在設(shè)計建筑房屋抗震時要遵循“強節(jié)點，強錨固”的要求。梁柱節(jié)點發(fā)生破壞后可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而且很難恢復(fù)。所以，當有地震來臨時，框架結(jié)構(gòu)節(jié)點破壞的主要特點為：鋼筋混凝土梁柱節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)交叉斜裂縫，混凝土與鋼筋的粘結(jié)力下降，導(dǎo)致混凝土保護層開裂，并且脫落。結(jié)果導(dǎo)致混凝土節(jié)點核心區(qū)的破壞，與梁柱節(jié)點相連的部分已經(jīng)基本失去作用。

因此關(guān)于預(yù)應(yīng)力裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的研究變得尤為重要。

（一）試件設(shè)計

本次試驗設(shè)計并制作了2個框架邊節(jié)點， 1個為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件，另一個為附加阻尼裝置的預(yù)應(yīng)力裝配式結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件，其中阻尼裝置為鋼板阻尼器，預(yù)應(yīng)力裝配式框架結(jié)構(gòu)中的梁、柱均為預(yù)制，并且將PVC管安置在適當位置。結(jié)構(gòu)的梁、柱節(jié)點設(shè)計的要求為“強柱弱梁”。該試驗設(shè)計軸壓比為0.2，該試驗用強度為C40的混凝土，構(gòu)件的鋼筋均為三級鋼，配筋率為1%，裝配框架中的預(yù)應(yīng)力鋼筋為Φ15.2的鋼絞線，采用礦用錨索，張拉控制應(yīng)力約為60KN。

試件設(shè)計的梁截面尺寸均為200mm×400mm，柱截面尺寸為400mm×400mm，均為足尺模型。柱子縱筋采用8根16mm的鋼筋，梁縱筋采用6根直徑為18mm的鋼筋，梁柱內(nèi)箍筋采用6mm的鋼筋間距為100mm。兩組試件如圖1和圖2所示。

圖1 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件

圖2 附加阻尼器結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件

（二）加載制度

試驗在一個門式鋼架反力墻下進行，試件的柱底部固定在一個鉸支于底座的柱帽內(nèi)，試件柱頂部通過反力鋼架下的液壓式千斤頂施加軸壓力，軸壓比為0.2。梁的上部和下部分別安裝只可以水平滾動不可以上下移動的滾輪，在試驗臺上以滑動支座形式固定，在試件的柱端水平力作用下梁端可以左右移動，但不能上下移動。加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗加載裝置

圖4 試驗加載方案

試驗的加載方式為荷載—位移混合控制加載，在混凝土強度達到屈服強度前，力與變形的關(guān)系是線性的，變形增量不大。當加載先采用荷載控制時，力的增量變小，而變形的增量很大。當加載采用位移控制時，按屈服位移Δ的倍數(shù)，即Δ,2Δ,3Δ，進行逐級加載，每級加載采用正向和負向進行。直到加載值下降到峰值荷載的85%或位移角到1/30時結(jié)束加載。加載方案如圖4所示。

（三）試驗現(xiàn)象及結(jié)果

加載結(jié)束時，現(xiàn)澆邊節(jié)點的試驗現(xiàn)象為：當荷載加載到正向25kN時，梁端下方受拉區(qū)靠近柱子處開始出現(xiàn)微小裂縫；當荷載加載到負向25kN時，梁上方受拉區(qū)靠近柱子處出現(xiàn)微小裂縫。當荷載加載到正向40kN時，梁下方受拉區(qū)微小裂縫進一步延伸變長；當荷載加載到負向40 kN時，梁端微小裂縫延伸變長，并在裂縫周圍出現(xiàn)一些新的小裂縫；當荷載加載到50kN時，梁柱結(jié)合處下端開始出現(xiàn)裂縫，受拉區(qū)原有裂縫繼續(xù)延伸變長，并在梁上出現(xiàn)一條大約貫穿梁五分之四的新裂縫；當荷載加載到負向50 kN時，梁柱結(jié)合處下端開始出現(xiàn)裂縫，受拉區(qū)原有裂縫繼續(xù)延伸變長。

當采用位移控制，位移為正向20mm時，梁下方開始出現(xiàn)一條裂縫，裂縫寬度約為0.88mm；位移為負向20mm時，梁上方開始出現(xiàn)一條裂縫，裂縫寬度約為0.84mm；位移為正向30mm時，梁下方裂縫繼續(xù)變大，裂縫寬度約為2.09mm，并有部分混凝土碎屑掉落；位移為負向30mm時，梁上方裂縫繼續(xù)變大，裂縫寬度約為2.07mm，梁上部分混凝土被壓碎并掉落；位移為正向40mm時，梁下方裂縫繼續(xù)變大，裂縫寬度約為4.38mm。且混凝土柱有明顯傾斜；位移為負向40mm時，梁方裂縫繼續(xù)變大，大塊混凝土脫落，裂縫寬度約為4.54mm。

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件最終破壞圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點最終破壞圖

圖6 附加阻尼裝置結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件最終破壞圖

加載結(jié)束時，附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試驗現(xiàn)象為：當荷載加載到正向15kN時，梁上下部均無裂縫出現(xiàn)；當荷載加載到負向15 kN時，梁上方受拉區(qū)開始出現(xiàn)微小裂縫；當荷載加載到正向30 kN時，梁上下部均無裂縫出現(xiàn)；當荷載加載到負向30 kN時，梁上方微小裂縫繼續(xù)伸長，并開始出現(xiàn)新的微小裂縫；當荷載加載到正向50 kN時，梁上部開始出現(xiàn)微小裂縫，當荷載加載到負向50 kN時，梁上方開始出現(xiàn)較大裂縫，此時鋼筋已經(jīng)屈服。此時試件整體位移約為5mm。

當采用位移控制，位移為正向10mm時，試件梁下方的細小裂縫開始出現(xiàn)，裂縫寬度約為1.65mm；位移為負向10mm時，試件梁上方的裂縫變大，裂縫寬度約為1.69mm；當位移為正向15mm時，試件梁下方逐步發(fā)展較大裂縫，且較大裂縫貫穿整個梁截面，裂縫寬度約為1.99mm；當位移為負向15mm時，試件梁上方裂縫繼續(xù)變大，裂縫寬度約為3.10mm；位移為正向25mm時，試件梁下方裂縫繼續(xù)增大，裂縫寬度約為3.80mm；位移為負向25mm時，試件梁上部裂縫增大，裂縫寬度約為3.81mm；位移為正向30mm時，試件梁下部裂縫繼續(xù)增大，鋼筋混凝土試件柱稍微有傾斜；位移為負向30mm時，梁上方裂縫繼續(xù)增大，裂縫寬度約為4.11mm；位移為正向35mm：梁下方裂縫增大，裂縫寬度約為5.20mm，混凝土柱明顯傾斜，梁端上部阻尼器處混凝土被壓碎破壞；位移為負向35mm時，梁上方裂縫繼續(xù)增大，裂縫寬度約為4.87mm。

附加阻尼裝置結(jié)構(gòu)邊節(jié)點試件最終破壞如圖6所示。

（四）試驗滯回性能曲線

試驗完成后，將試驗數(shù)據(jù)采集儀器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到origin8軟件中，繪制出兩組試件的滯回性能曲線如下圖7所示。

圖7 兩組試件的滯回性能曲線

二、有限元模擬分析

（一）建立模型

經(jīng)過計算，每降溫1度相當于施加的預(yù)應(yīng)力為2.941KN。在本試驗中實際添加的預(yù)應(yīng)力大小約為60KN。因此在建立預(yù)應(yīng)力鋼筋模型時，對其降溫約為20度。附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點模型及鋼筋模型如下圖8和圖9所示。

圖8 附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點模型

圖9 鋼筋模型

圖10 附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點網(wǎng)格劃分

（二）加載制度設(shè)定及網(wǎng)格劃分

在ABAQUS軟件中對荷載和位移共同控制的加載方式進行數(shù)據(jù)建立，其中荷載控制大小采每5KN一個等級進行加載，方向采用正負兩個方向；位移控制大小采用5mm一個等級進行加載，方向同樣采用正負兩個方向。與試驗加載進程一樣，鋼筋屈服或試件破壞時軟件模擬加載結(jié)束。

對附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點的網(wǎng)格劃分如圖10所示。

（三）模擬加載試驗結(jié)果

通過在ABAQUS軟件中對現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點和附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點進行的模擬，得出的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點混凝土部分受力云紋圖如圖11所示。

圖11 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點混凝土部分受力云紋圖

圖12 附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點混凝土部分受力云紋圖

通過ABAQUS軟件模擬的混凝土部分受力云紋圖與實際試驗得到的最終破壞圖可以看出：現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點在水平力作用在柱端時，梁柱節(jié)點處受力較大，且在梁上越靠近梁柱連接處時受力越大。模擬受力云紋圖和實際試驗破壞圖差別基本不大，表明現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點模擬較為成功。

附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點混凝土部分受力云紋圖如圖12所示。

通過ABAQUS軟件模擬的混凝土部分受力云紋圖與實際試驗得到的最終破壞圖可以看出：附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點在水平力作用在柱端時，梁上且靠近端部位置受力較大，且梁上部分和梁下部分受力基本呈對稱分布，由于阻尼裝置的作用，梁端混凝土部分受力大小遠小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點。模擬混凝土部分受力云紋圖和實際試驗破壞圖差別基本不大，表明附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點模擬較為成功。

（四）模擬加載試驗滯回性能曲線

在ABAQUS有限元軟件對兩組試驗?zāi)Ｐ头治鐾瓿珊?，將集中點RP1的力和位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入到origin8軟件中，繪制現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)邊節(jié)點與附加阻尼裝置的結(jié)構(gòu)邊節(jié)點滯回性能曲線，如下圖13所示。

圖13 軟件模擬的兩組邊節(jié)點試件滯回性能曲線

三、結(jié)論

滯回性能曲線能真實的反映試件在受到正反兩個方向反復(fù)荷載作用下的變形特征、剛度退化及耗能能力，從而能夠判斷試件抵抗地震災(zāi)害的能力。

通過試驗和有限元模擬的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)節(jié)點和附加阻尼器結(jié)構(gòu)邊節(jié)點滯回曲線可以看出：

第一，附加阻尼器的曲線與坐標軸圍成的面積遠大于現(xiàn)澆節(jié)點，說明在節(jié)點處附加阻尼器可以耗散更多的能量，有效地提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。

第二，有限元軟件模擬的滯回性能曲線自始至終比較飽滿。而試驗得出的滯回性能曲線在開始加載時，滯回性能曲線呈現(xiàn)梭子形，加載末期，滯回性能曲線呈現(xiàn)“8”字形，說明耗能能力開始逐漸下降。

第三，因為試驗采用位移與力循環(huán)加載作用，故而滯回性能曲線呈現(xiàn)一定的對稱性，表明兩組邊節(jié)點試件在正反兩個方向加載時邊節(jié)點的承載力大體相同。另外，在模型建立過程中混凝土本構(gòu)關(guān)系還需進一步優(yōu)化。

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Numerical Analysis of the Hysteretic Behavior of the Prestressed Assembled Frame Structure

LIU Yang1，LIANG Wan-da1，HAN Zheng-yue2

（1.Xingtai Polytechnic College, 054035, Xingtai, Hebei 054035, China; 2.Hebei Fang Zhou Engineering Project Management Co., Ltd., Shijiazhuang, Hebei 050000, China）

First of all, this paper briefly introduces the development prospect of prestressed assembly structure and the importance of the prestressed assembly structure node. Secondly, it designs and makes two sets of specimens, namely, the joint test specimen of concrete cast-in-place structural edge and that of prestressed structure of an additional damping device. The load test has been conducted by means of displacement and load control method. And ABAQUS finite element analysis software has been used in modeling analysis to obtain the corresponding image and hysteretic curves. Finally, it analyzes the hysteretic curves obtained by both tests and the simulation of finite element software of the joint and draws relevant conclusions.

prestressed assembly; node; damping device; finite element analysis

2018—04—24

劉洋（1992—），河北邢臺人，邢臺職業(yè)技術(shù)學院，助教。

TU352.1

A

1008—6129（2018）03—0092—06