新型裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)火災(zāi)后抗震性能有限元分析

劉陽(yáng)，劉遠(yuǎn)良，黃樂(lè)鵬

（1重慶建工住宅建設(shè)有限公司，重慶 400015；2重慶大學(xué) 土木學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的建筑抗火規(guī)范并沒(méi)有對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明[1]。而對(duì)于采用干式連接的裝配式混凝土建筑而言，在由濕連接向干式連接發(fā)展過(guò)程中，除了對(duì)其抗震性能的研究以外，對(duì)其受火后由于材性劣化導(dǎo)致抗震性能的降低也很有研究的必要[2]。

吳波、馬忠誠(chéng)、歐進(jìn)萍[3]在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，提出了鋼筋混凝土梁、柱受火后的彎矩-曲率計(jì)算方法，為結(jié)構(gòu)受火后抗震加固修復(fù)提供理論依據(jù)。三年后，三位學(xué)者[4]通過(guò)模擬得到：高溫后四種抗震性能研判指標(biāo)均出現(xiàn)明顯下降，隨著溫度升高，構(gòu)件的破壞形式由延性向脆性轉(zhuǎn)變。Kodur[5]通過(guò)軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高溫后混凝土柱失去水分易大塊剝落，變形增大。Han L.H.[6]的試驗(yàn)表明節(jié)點(diǎn)梁柱互相提供約束和支撐，兩者均在對(duì)方達(dá)到極限承載力后依舊繼續(xù)承載，在節(jié)點(diǎn)失穩(wěn)時(shí)二者均發(fā)生破壞。通過(guò)前人大量研究表明，在火災(zāi)作用后，即使結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度恢復(fù)至常溫[7]，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也會(huì)隨火災(zāi)的嚴(yán)重程度發(fā)生永久性損傷。因此，應(yīng)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)后進(jìn)行性能評(píng)估，這樣才能保障建筑結(jié)構(gòu)的安全[8]。

在此基礎(chǔ)上，本文利用Abaqus對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)位移加載，通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)滯回耗能、極限荷載、延性，研究受火時(shí)長(zhǎng)、軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)火災(zāi)后抗震性能的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 基本建模信息

本文采用Abaqus有限元分析軟件建立裝配式節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分析模型，采用《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101—2015）[9]中建議的加載方式。加載方式及加載幅值如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部升溫30min的溫度云圖

圖2 加載方式示意圖

圖3 加載幅值

1.2 模型分析參數(shù)變量

低周往復(fù)加載分析模型具體節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 低周往復(fù)加載分析模型概況表

1.3 高溫后模型溫度場(chǎng)設(shè)定

本文研究過(guò)程中根據(jù)預(yù)設(shè)受火時(shí)間，將節(jié)點(diǎn)以標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)對(duì)環(huán)境升溫至指定時(shí)間后再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)降溫曲線(xiàn)降至常溫，并持續(xù)10h，確保節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有區(qū)域均已達(dá)到受火升降溫過(guò)程溫度峰值。

2 裝配式節(jié)點(diǎn)受火后滯回性能參數(shù)分析

本小節(jié)通過(guò)提取六個(gè)節(jié)點(diǎn)P-Δ滯回曲線(xiàn)、骨架曲線(xiàn)、延性、耗能、剛度退化等參數(shù)，分析對(duì)比軸壓比和受火時(shí)長(zhǎng)對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)受火后滯回性能的影響。

2.1 P-Δ滯回曲線(xiàn)

裝配式節(jié)點(diǎn)受火前后的滯回環(huán)為梭型，滯回環(huán)較為飽滿(mǎn)。在加載初期，各個(gè)節(jié)點(diǎn)均處于彈性變形狀態(tài)，位移荷載基本為直線(xiàn)上升，各節(jié)點(diǎn)前期滯回曲線(xiàn)差別不大。隨著受火時(shí)長(zhǎng)、軸壓比分別增加，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線(xiàn)如圖4、圖5所示。

圖4 受火時(shí)長(zhǎng)對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)受火后滯回曲線(xiàn)的影響

圖5 軸壓比對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)受火后滯回曲線(xiàn)的影響

從P-Δ滯回曲線(xiàn)可知：

（1）對(duì)于裝配式節(jié)點(diǎn)，未受火構(gòu)件的滯回曲線(xiàn)相對(duì)更加飽滿(mǎn)，滯回曲線(xiàn)上升段更高，可以看出，火災(zāi)使裝配式構(gòu)件的抗震性能產(chǎn)生了劣化；

（2）在受火時(shí)間相同時(shí)，軸壓比較大的節(jié)點(diǎn)滯回曲線(xiàn)比軸壓比較小的節(jié)點(diǎn)滯回曲線(xiàn)更加飽滿(mǎn)，這與節(jié)點(diǎn)未受火時(shí)滯回曲線(xiàn)-軸壓比變化規(guī)律相同；

（3）在軸壓比相同時(shí)，受火時(shí)間較短的節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)較受火時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)滯回曲線(xiàn)更加飽滿(mǎn)，隨著受火時(shí)間增加，火災(zāi)對(duì)節(jié)點(diǎn)造成的永久性破壞加劇。

2.2 骨架曲線(xiàn)

加載初期，各節(jié)點(diǎn)處于彈性變形狀態(tài)，受火前后節(jié)點(diǎn)骨架曲線(xiàn)基本重合。進(jìn)入屈服階段后，由于混凝土及鋼材材性劣化，受火后的骨架曲線(xiàn)斜率較未受火節(jié)點(diǎn)放緩，達(dá)到峰值后，下降速度也均高于未受火節(jié)點(diǎn)，如圖6、圖7所示。

圖6 受火時(shí)長(zhǎng)對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)受火后骨架曲線(xiàn)影響

圖7 軸壓比對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)受火后骨架曲線(xiàn)影響

從骨架曲線(xiàn)可以看出：

（1）在受火時(shí)間相同的情況下，軸壓比較大的節(jié)點(diǎn)骨架曲線(xiàn)在塑性階段略高于軸壓比較小的節(jié)點(diǎn)，這種差距幾乎無(wú)法從骨架曲線(xiàn)上看出，軸壓比增大帶來(lái)的骨架曲線(xiàn)升高隨著受火時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸消失；

（2）相比于未受火情況，裝配式節(jié)點(diǎn)在受火1h左右骨架曲線(xiàn)峰值下降24%，一個(gè)半小時(shí)下降42%，節(jié)點(diǎn)火災(zāi)后抗震性能的下降隨火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間呈加速趨勢(shì)。

2.3 延性

對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)而言，在火災(zāi)影響下的延性系數(shù)下降了38.5%。

從表2可以看出：

表2 受火時(shí)長(zhǎng)和軸壓比對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)位移延性系數(shù)影響

（1）在相同受火時(shí)間下，裝配式節(jié)點(diǎn)正反向加載的延性系數(shù)都隨軸壓比的增大而增大，不同軸壓比節(jié)點(diǎn)間的延性系數(shù)差距隨著受火時(shí)間的增長(zhǎng)而下降；

（2）在軸壓比相同的情況下，對(duì)比不同受火時(shí)長(zhǎng)的裝配式節(jié)點(diǎn)，隨著受火時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)，正反向加載的屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載均隨受火時(shí)長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減少；

（3）在軸壓比相同的情況下，節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)在升溫60min時(shí)延性系數(shù)顯著降低，但隨著升溫時(shí)間的增長(zhǎng)，又出現(xiàn)一定回升，其原因是在升溫60min左右，由于混凝土受熱材性劣化，導(dǎo)致較常溫下節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)大幅下降，但隨著混凝土核心區(qū)溫度升高，鋼筋與混凝土直接的粘結(jié)性能遭到較大破壞，試件破壞位移明顯增大。

2.4 耗能

對(duì)于裝配式節(jié)點(diǎn)，在加載初期，由于各節(jié)點(diǎn)均處于彈性受力狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)耗能較小，各節(jié)點(diǎn)差異不大，隨著加載幅度增大，節(jié)點(diǎn)耗能逐漸增大，如圖8、圖9所示。

圖8 軸壓比對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)受火后耗能的影響

圖9 受火時(shí)長(zhǎng)對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)受火后耗能的影響

從耗能曲線(xiàn)可以看出：

（1）受火時(shí)長(zhǎng)的長(zhǎng)短，所有節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中的耗能均隨著加載周期的增大而增大；

（2）軸壓比相同的情況，初期的前兩個(gè)滯回周期里，受火時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)耗能大于受火時(shí)間較短的節(jié)點(diǎn)，但隨著加載繼續(xù)，最終受火時(shí)間短的節(jié)點(diǎn)耗能大于受火時(shí)間長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)；

（3）受火時(shí)間相同的情況下，在加載的初期，節(jié)點(diǎn)的耗能能力在不同軸壓比下無(wú)明顯區(qū)別，隨著加載的繼續(xù)，節(jié)點(diǎn)的耗能能力體現(xiàn)為軸壓比較高的節(jié)點(diǎn)耗能能力大于軸壓比較小的節(jié)點(diǎn)，這一規(guī)律在未受火和不同受火時(shí)長(zhǎng)下的裝配式節(jié)點(diǎn)均有體現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文利用Abaqus有限元分析軟件對(duì)六個(gè)裝配式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)梁端加載試驗(yàn)的有限元模擬分析，主要得出如下結(jié)論：

（1）滯回曲線(xiàn)分析可以得到：對(duì)于裝配式節(jié)點(diǎn)，未受火構(gòu)件的滯回曲線(xiàn)相對(duì)飽滿(mǎn)，滯回曲線(xiàn)上升段更高，可以看出，火災(zāi)使裝配式構(gòu)件的抗震性能產(chǎn)生了劣化。

（2）骨架曲線(xiàn)分析可以得到：進(jìn)入屈服階段后，受火后的骨架曲線(xiàn)斜率較未受火節(jié)點(diǎn)放緩，達(dá)到峰值后，下降速度也均高于未受火節(jié)點(diǎn)。在加載初期各節(jié)點(diǎn)彈性階段骨架曲線(xiàn)基本重合，在彈塑性階段，受火時(shí)間較短的節(jié)點(diǎn)上升高于受火時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)；在經(jīng)歷峰值后的下降段，受火時(shí)間短的節(jié)點(diǎn)下降較慢。

（3）延性分析可以得到：所有節(jié)點(diǎn)受火后延性都出現(xiàn)明顯下降。在相同受火時(shí)間下，裝配式節(jié)點(diǎn)的正反向加載的延性系數(shù)都隨軸壓比的增大而增大，不同軸壓比節(jié)點(diǎn)間的延性系數(shù)差距隨著受火時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。

（4）耗能分析可以得到：在滯回加載初期，受火時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)耗能大于受火時(shí)間短的節(jié)點(diǎn)，隨著加載的繼續(xù)，受火時(shí)間較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)耗能增長(zhǎng)小于受火時(shí)間短的節(jié)點(diǎn)，最終受火時(shí)間短的節(jié)點(diǎn)耗能大于受火時(shí)間長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)。