一種新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究

崔建華，秦琦琦

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230000）

0 引言

裝配式結(jié)構(gòu)建筑是目前一種新型的建筑建造方式，是在工廠中事先預(yù)制好各種梁、柱、板構(gòu)件，在施工現(xiàn)場(chǎng)直接拼裝完成，具有工廠化程度高，施工速度快，受季節(jié)影響小，有利于住宅產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)[1]。這種建筑的節(jié)點(diǎn)采用干式連接，基本都使用螺栓連接，避免了傳統(tǒng)現(xiàn)澆濕作業(yè)的缺陷，使得現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安裝更加的便捷，方便指揮與管理，提高了安裝速度。同時(shí)裝配式建筑也是符合我國(guó)綠色、節(jié)能減排型建筑的目標(biāo)[2]。

我國(guó)一直高度重視防震減災(zāi)工作[3-4]。很多學(xué)者對(duì)裝配式建筑的抗震性能展開了研究。在國(guó)內(nèi)，高向玲等對(duì)于采用型鋼連接預(yù)制混凝土的梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究[5]，于建兵等對(duì)于裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是否需要設(shè)置附加箍筋進(jìn)行了研究[6]，吳叢曉等對(duì)于不同軸壓比對(duì)于裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的影響做了研究[7]，我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)在90年代引進(jìn)了芬蘭的“Partex”預(yù)制生產(chǎn)技術(shù)，并將這些技術(shù)成功的運(yùn)用到各種大型建筑、商業(yè)綜合體中[8]。在國(guó)外，裝配式建筑的研究已經(jīng)取得了很多成果[9-11]，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展已經(jīng)形成了一套基礎(chǔ)理論[12-13]。尤其是日本，眾所周知日本處于地震帶上，屬于地震高發(fā)國(guó)家，他們制定了裝配式結(jié)構(gòu)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，使施工質(zhì)量有了很大的保障[14]，并且他們攻克了一系列的問題，其中比較有名的有關(guān)于裝配式縱筋的連接方法以及關(guān)于預(yù)制部件端口的連接形式的設(shè)計(jì)[15]。

總得來(lái)說，裝配式建筑由于梁柱節(jié)點(diǎn)起荷載傳遞和抗震耗能的作用，破壞了之后很難復(fù)原，而且節(jié)點(diǎn)破壞對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)也是有巨大的危險(xiǎn)，所以要避免節(jié)點(diǎn)的受剪破壞[16]。本文展示了一種完全由螺栓干式連接的新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)形式的抗震性能試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，并且對(duì)于減少螺栓數(shù)量后的模型進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型

為了研究裝配式半剛性混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，設(shè)計(jì)了一種新型的裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)，并針對(duì)此節(jié)點(diǎn)展開了實(shí)驗(yàn)。此節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模型采用普通建筑常用的框架結(jié)構(gòu)，軸網(wǎng)為3跨乘6跨，每個(gè)柱跨徑均為8.4米，該模型的每層樓的層高均為4.2米，本節(jié)點(diǎn)采取的是七層的邊柱作為設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，原設(shè)計(jì)為八根10.9級(jí)的高強(qiáng)螺栓作為此節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)件。筆者作為改良意見擬將八根高強(qiáng)螺栓改為六根高強(qiáng)螺栓作為此節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)件，并以此六螺栓模型的數(shù)值模擬結(jié)果與八螺栓模型的結(jié)果作為對(duì)比分析。

圖1 典型框架平面布置圖Fig.1 A typical frame layout

1.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文主要研究目標(biāo)為此節(jié)點(diǎn)的各種力學(xué)性質(zhì)，采用的是在此節(jié)點(diǎn)施加往復(fù)力模擬地震的情況。先介紹下此節(jié)點(diǎn)，如圖，該節(jié)點(diǎn)是由預(yù)制T型梁、預(yù)制牛腿柱、預(yù)埋承壓鋼板、柱頂承壓鋼板、8根直徑30mm的螺栓組成，其中預(yù)制的T型梁尺寸如下圖，使用的為C40混凝土，預(yù)制的牛腿柱為750mm×750mm×4200mm，具體尺寸見下圖，為C80混凝土，柱與梁分別開8個(gè)螺栓孔，預(yù)埋承壓鋼板對(duì)應(yīng)梁柱也分別開孔，孔洞直徑均為36mm，鋼板使用Q345鋼。承壓鋼板設(shè)置在柱頂，柱與梁通過螺栓與預(yù)埋承壓鋼板連接，最后螺母固定。為了使此節(jié)點(diǎn)更加高效便捷，節(jié)省成本以及人力，提出將八根螺栓改為六根螺栓的新方案，并且重新設(shè)計(jì)螺栓之間的距離，為保證新節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，通過理論計(jì)算對(duì)其進(jìn)行支持[17]，關(guān)鍵部分的理論計(jì)算結(jié)果如下：

螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值：

螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值：

折減系數(shù)：

受力最大的為最外側(cè)螺栓

螺栓承壓驗(yàn)算：

則在彎矩和剪力的作用下，驗(yàn)算為：

滿足要求

所以6根螺栓的節(jié)點(diǎn)是符合設(shè)計(jì)要求的，在稍后的章節(jié)中將利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。

圖2 新型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 On site test of the new design of joints

圖3 新型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig.3 On site test of the new design of joints

如圖4-10所示分別是八根螺栓的節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)圖以及六根螺栓的節(jié)點(diǎn)圖，為方便表述，規(guī)定六根螺栓節(jié)點(diǎn)模型為model1，八根螺栓節(jié)點(diǎn)模型為model2。

圖4 節(jié)點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.4 A diagram for calculations related to the joint

圖5 預(yù)制梁主視圖Fig.5 Front view of the precast beam

圖6 預(yù)制梁左視圖Fig.6 Left view of the precast beam

圖7 預(yù)制柱正視圖Fig.7 Front view of the precast column

圖8 預(yù)制柱左視圖Fig.8 Left view of the precast column

圖9 預(yù)制柱右視圖Fig.9 Right view of the precast column

圖10 配筋位置示意圖Fig.10 Schematic diagram of reinforcing bar arrangements

如圖11所示，分別為該節(jié)點(diǎn)的配筋圖，model1與model2的配筋基本一樣。

圖11 節(jié)點(diǎn)配筋圖Fig.11 Reinforcement arrangement diagram of the joint

由圖4-8可看出預(yù)制柱上留有的螺栓孔洞與預(yù)制梁梁端翼緣處的孔洞相對(duì)應(yīng)，通過螺栓來(lái)進(jìn)行連接。在建筑的抗震設(shè)計(jì)中，基本的原則就是“強(qiáng)柱弱梁”，所謂“強(qiáng)柱弱梁”指的就是柱子的破壞在建筑中是屬于結(jié)構(gòu)的破壞，所以地震發(fā)生時(shí)不能讓柱子先行破壞，相對(duì)的梁的破壞對(duì)于建筑的整體而言并沒有柱那么重要，所以要使梁先破壞對(duì)于整體的結(jié)構(gòu)更為安全，抗力構(gòu)件唯一可靠的耗能措施是形成彎塑性鉸，這樣可以充分利用鋼筋的單項(xiàng)受力屬性和延性。梁先于柱形成塑性鉸，可靠的辦法是柱子的承載力要大于梁的承載力。為此設(shè)計(jì)時(shí)梁用的是C40混凝土，柱用的是C80高強(qiáng)混凝土。并且在柱子的節(jié)點(diǎn)區(qū)以及梁的節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置箍筋加密區(qū)，從而保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗震性能和延性。

2 試驗(yàn)過程及現(xiàn)象

2.1 加載制度

此試驗(yàn)的新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)采用的是擬靜力加載，并且施加的為低周往復(fù)荷載，這是因?yàn)榈卣饡r(shí)也是往復(fù)荷載，這樣可以模擬地震作用對(duì)于該節(jié)點(diǎn)的影響。為了模擬框架結(jié)構(gòu)所以要在柱頂施加軸力，經(jīng)測(cè)試施加67kN軸力最合適。之后通過力和位移混合加載來(lái)控制，首先是力加載，先從20kN開始，作用力朝下的為正值，作用力朝上的為負(fù)值，按20kN，-35kN，25kN，-40kN，30kN，-45kN，35kN，-50kN每次增加5kN以此類推，直到70kN，-85kN。接著是位移加載控制，以75mm為一級(jí)，并且每級(jí)加載循環(huán)三次。

圖12 梁端加載制度Fig.12 A demonstration of the low-frequency cyclic load applied on the end of the beam

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)以及模擬運(yùn)算的結(jié)果如圖13、14所示，在低周反復(fù)加載初期，無(wú)明顯裂縫產(chǎn)生，繼續(xù)直到出現(xiàn)第一條裂縫，此時(shí)為40kN，此裂縫最大寬度為0.54mm，到-55kN時(shí)，這些產(chǎn)生的裂縫大部分可以閉合，繼續(xù)加載，裂縫以及承壓板附近的變形繼續(xù)增大，當(dāng)加載至75kN時(shí)，梁端的裂縫變?yōu)?.8mm，承壓板附近的裂縫變?yōu)榱?.75mm，此時(shí)加載的力已經(jīng)使T型梁的上部鋼筋達(dá)到了屈服從而停止加載力控制，改為位移控制。剛開始加載位移控制時(shí)，即75mm時(shí)，裂縫并無(wú)明顯變化，隨著繼續(xù)加載，當(dāng)加載位移至85mm時(shí)，螺帽開始產(chǎn)生變形，裂縫開始繼續(xù)增長(zhǎng)，并且一直延伸到梁的中部左右，并且在之后的位移加載過程中裂縫的長(zhǎng)度不再延長(zhǎng)，僅是加大寬度。當(dāng)繼續(xù)加載至125mm時(shí)，螺栓屈服，此時(shí)停止加載，裂縫寬度為12mm，梁耳附近裂縫為8mm，柱和牛腿處均無(wú)裂縫。

圖13 節(jié)點(diǎn)處破壞Fig.13 Destruction at the joint

圖14 節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.14 The hysteric curve of the joint

3 新型節(jié)點(diǎn)形式的數(shù)值模擬

有限元方法為更徹底地研究新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)提供了便利，該方法可以大大減少所需進(jìn)行的試驗(yàn)。在驗(yàn)證前文提到減少螺栓數(shù)量至六螺栓的對(duì)比試驗(yàn)方面，有限元分析變成了非常有力的工具。詳細(xì)的有限元分析使用非線性有限元程序abaqus進(jìn)行。

3.1 建模過程

通過理論計(jì)算，作者認(rèn)為相比于8根螺栓的連接件，6根螺栓作為連接件也是可以滿足抗震性能需求的，通過數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，6螺栓模型被命名為model1，與之對(duì)應(yīng)的8螺栓模型被命名為model2。模型建立的步驟，先是畫出牛腿柱和t型梁，螺栓，然后編輯各個(gè)部件的材料屬性，比如鋼筋的密度，楊氏模量，泊松比，本構(gòu)關(guān)系曲線等，節(jié)點(diǎn)的模型如圖15所示。再創(chuàng)建各個(gè)材料的截面屬性，之后進(jìn)行裝配，設(shè)置各個(gè)部件的相互作用和約束，以及邊界條件，然后在梁端施加位移加載方案，設(shè)置分析步，建立幅值。最后進(jìn)行畫網(wǎng)格，并且提交作業(yè)分析。

模型中混凝土所使用的應(yīng)力應(yīng)變曲線依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》計(jì)算生成，而損傷因子在眾多計(jì)算方法[18-19]中采用的是Sidoroff提出的能量法，公式為：

式中，d為混凝土損傷因子；σ為混凝土真實(shí)應(yīng)力；ε為混凝土應(yīng)變；E0為混凝土初始彈性模量?？紤]到6根螺栓所受剪，受彎能力比8根要小，所以改變加載方案，位移控制加載為10mm，20mm，40mm，60mm，80mm，120mm，130mm來(lái)進(jìn)行加載。

圖15節(jié)點(diǎn)的模型Fig.15 Abaqus models of the joint

3.2 滯回曲線的對(duì)比

圖17 中分別給出了利用數(shù)值模擬獲得的model1和model2的滯回曲線圖，為了更加明確的對(duì)比六螺栓模型的抗震性能，圖16中也給出了傳統(tǒng)現(xiàn)澆試件的試驗(yàn)滯回曲線。通過圖14、16和17的對(duì)照可以看出：（1）對(duì)于被測(cè)試的試件，有限元模型在捕捉屈服載荷、極限載荷和極限位移能力方面是令人滿意的；（2）隨著螺栓連接件的減少，節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力隨之減小，耗能性能也會(huì)減弱，但經(jīng)過理論計(jì)算，6根螺栓的設(shè)計(jì)仍是符合設(shè)計(jì)規(guī)范的；（3）利用有限元數(shù)值模擬得到的滯回曲線比試驗(yàn)所得的滯回曲線更加的飽滿，這是因?yàn)閿?shù)值模擬過程中所設(shè)置的材料的力學(xué)性質(zhì)被簡(jiǎn)化為各項(xiàng)同性勻質(zhì)材料而不像實(shí)際試驗(yàn)?zāi)菢硬黄骄?，并且?shù)值模擬表現(xiàn)不出來(lái)混凝土開裂的實(shí)際效果。

圖16 現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的滯回曲線Fig.16 The hysteric curve of the cast-in-place joint

圖17 model1與model2滯回曲線對(duì)比Fig.17 The comparison between the hysteric curve of Model 1 and Model 2

3.3 骨架曲線的對(duì)比

骨架曲線是指滯回環(huán)上的峰值點(diǎn)所連成的曲線。骨架曲線比滯回曲線可以更直觀的得到關(guān)于這個(gè)節(jié)點(diǎn)的各種特征值，比如極限荷載、屈服荷載等。

接著從model1和model2的滯回曲線中分別提取骨架曲線，可以看出model1和model2的差別并不是很大，model1的屈服荷載為70kN，極限荷載為88kN。model2的屈服荷載為76kN，極限荷載為95kN?？梢钥闯鰉del1的極限和屈服荷載均小于model2，分別減少了8%和7.9%。對(duì)比于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的屈服荷載為48.7kN，極限荷載為60kN，model1比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的屈服荷載、極限荷載分別增加了30%和31%。

圖18 model1與model2骨架曲線對(duì)比Fig.18 The comparison between the skeleton curve of Model 1 and Model 2

3.4 節(jié)點(diǎn)的耗能能力的對(duì)比

節(jié)點(diǎn)的耗能能力是節(jié)點(diǎn)非常重要的一個(gè)屬性，它反映了該節(jié)點(diǎn)的抗震性能，節(jié)點(diǎn)的耗能能力與節(jié)點(diǎn)的抗震性能呈正相關(guān)。而節(jié)點(diǎn)耗能系數(shù)可以反應(yīng)節(jié)點(diǎn)耗能能力[21]，這兩者呈正相關(guān)，節(jié)點(diǎn)的耗能系數(shù)是通過節(jié)點(diǎn)的滯回曲線來(lái)計(jì)算的，如圖19所示[22]。

圖19 滯回環(huán)示意Fig.19 A demonstration of hysteric curve

主要是滯回環(huán)包絡(luò)的面積以及圖中三角形陰影面積之比[23]，公式如下：

可見分母是三角形陰影面積的和，分子是滯回環(huán)包絡(luò)面積的和。E為能量耗散系數(shù)。model1，model2耗能系數(shù)折線圖如圖20所示，位移單位為mm。

圖20 model1與model2耗能系數(shù)曲線對(duì)比圖Fig.20 The comparison of energy consumption coefficient curve between Model 1 and Model 2

由圖20可見，雖然model1的耗能能力不及model2，但是model1的折線與model2的折線越來(lái)越接近，并且在model2的折線趨于平緩的時(shí)候model1的折線仍然在上升，最終model1的耗能系數(shù)僅比model1的少了20%，說明抗震性能還是較好，詳細(xì)數(shù)據(jù)見下表所示。

表1 model1與model2耗能系數(shù)表

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)這個(gè)新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)以及使用abaqus進(jìn)行的八根螺栓模型和六根螺栓模型的數(shù)值模擬進(jìn)行的對(duì)比可以得出：

（1） 提出了一種新型的梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)符合抗震要求且通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)他的屈服荷載、極限荷載均比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有所提升，說明他的抗震性能比起現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)是有所進(jìn)步的。

（2） 通過選取合理的參數(shù)。例如材料的本構(gòu)模型，以及選取各個(gè)材料的截面屬性，設(shè)置各個(gè)部件的相互作用和約束，以及邊界條件，接觸屬性來(lái)建立有限元模型，這個(gè)模型可以較為準(zhǔn)確的分析該節(jié)點(diǎn)的破壞形式。

（3） 通過使用abaqus建立八螺栓節(jié)點(diǎn)和六螺栓節(jié)點(diǎn)的有限元模型，并進(jìn)行低周往復(fù)荷載作用下的數(shù)值分析，得出滯回曲線，并且通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)六螺栓模型的滯回曲線飽滿程度略低于八螺栓模型，相較于八螺栓模型滯回環(huán)包絡(luò)面積少25%，屈服荷載少8%，但是總體來(lái)說六螺栓模型的抗震性能也是較好的，經(jīng)過理論計(jì)算可以符合抗震規(guī)范要求，并且總體抗震強(qiáng)度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

（4） 本文提出的六根螺栓型的節(jié)點(diǎn)是在原有的八根螺栓型節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，在符合抗震標(biāo)準(zhǔn)的情況下，考慮到成本以及人力的因素所提出的方案。有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明六螺栓型節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能，具有良好的應(yīng)用前景。