裝配式梁-柱-牛腿組合節(jié)點承載性能分析*

王建剛 張 清 李智軍 張心玥 劉媛瑩 梅 源

(1.陜西建工第五建設(shè)集團(tuán)有限公司, 西安 710032； 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 西安 710055)

0 前 言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)、便捷、環(huán)保的優(yōu)點，近年來深受國內(nèi)外設(shè)計師的青睞，也受到了國家的高度重視。有效可靠、施工方便的節(jié)點連接方式是保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)安全正常工作的前提。但由于以往對節(jié)點連接的研究不足，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的裝配率一直無法提高。因此，裝配式梁柱節(jié)點的連接方式便成了近來研究的熱點。

Ertas等研究了用于高地震區(qū)的四種延性抗彎預(yù)制混凝土框架節(jié)點和一種整體式混凝土節(jié)點，連接方式分別為現(xiàn)澆、焊接以及螺栓連接，結(jié)果表明螺栓連接更加適合高地震區(qū)[1]；Rave-Arango等提出一種在柱端連接鋼筋的梁柱節(jié)點，在循環(huán)荷載作用下進(jìn)行試驗，最后將預(yù)制柱連接結(jié)果與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)連接結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩種構(gòu)件的受力性能基本相同，可以采用預(yù)制柱-梁連接方式[2]。Yang等進(jìn)行了預(yù)制H型鋼混合梁的極限抗彎承載力試驗，分別采用兩端鉸接和固接的邊界條件，試驗結(jié)果表明該構(gòu)件具有較高的極限承載力和較好的延性，可作為剛性節(jié)點[3]。Kim等進(jìn)行了焊釘剪力鍵鋼-混凝土結(jié)合梁的靜力加載和循壞加載試驗，根據(jù)試驗結(jié)果提出了結(jié)合段極限承載力的計算方法[4]。毛輝等通過ABAQUS有限元軟件研究了改進(jìn)的懸臂拼接梁柱節(jié)點，分別模擬了梁端加強(qiáng)和法蘭弱化組合連接、梁端加強(qiáng)筋加側(cè)板加強(qiáng)型連接及法蘭狗骨型弱化類型這三種接頭形式，結(jié)果表明第一種連接形式性能最好[5]。

本文根據(jù)目前裝配式節(jié)點連接的發(fā)展現(xiàn)狀，按照“強(qiáng)柱弱梁”的原則，研發(fā)了一種新型的節(jié)點連接形式，在混凝土柱牛腿上焊接鋼筋，安裝時插入梁上預(yù)留孔，梁柱間用泡沫塊填充，外側(cè)打膠，泡沫塊與梁間用M7.5無收縮砂漿灌漿。采用ABAQUS有限元軟件建立模型進(jìn)行數(shù)值分析，深入研究邊節(jié)點和中節(jié)點的力學(xué)性能。

以已經(jīng)應(yīng)用于某裝配式工程結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接為研究對象進(jìn)行分析，具體如下所述。

柱截面尺寸為600 mm×600 mm，高度為3 000 mm(圖1)，縱筋采用直徑為18 mm的HRB400熱軋帶肋鋼筋；箍筋采用直徑為12 mm的HPB300熱軋光圓鋼筋，箍筋間距為100 mm。設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為C30，保護(hù)層厚度為25 mm。

圖1 柱截面配筋 mmFig.1 A reinforcement diagram of cross-sections of columns

梁截面尺寸為300 mm×600 mm，跨度為3 000 mm。截面配筋如圖2所示，縱筋采用直徑為18 mm的HRB400級熱軋帶肋鋼筋；箍筋采用直徑為10 mm的HPB300級熱軋帶肋鋼筋，箍筋間距為100 mm。設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為C30，保護(hù)層厚度為25 mm。

圖2 梁截面配筋 mmFig.2 A reinforcement diagram of cross-sections of beams

1 節(jié)點構(gòu)造

牛腿為采用Q235鋼材焊接而成的鋼牛腿，上部截面尺寸為450 mm×200 mm，左側(cè)尺寸為430 mm×400 mm，前后截面尺寸依次為400 mm×200 mm×250 mm，具體形狀如圖3所示。牛腿焊接到預(yù)埋鋼板上與柱相連，如圖4所示。承插鋼筋為直徑為28 mm的HRB400級熱軋帶肋鋼筋，形成的梁-柱-牛腿組合節(jié)點如圖5所示。

圖3 牛腿截面Fig.3 Sections of corbels

圖4 牛腿與柱的連接Fig.4 Connection between corbels and columns

圖5 裝配式梁-柱-牛腿組合節(jié)點Fig.5 Prefabricated beam-column-corbel combined joints

梁、柱截面的縱筋(HRB400)和箍筋(HPB300)及牛腿用鋼板的彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度如表1所示。C30混凝土的彈性模量、泊松比和軸向抗壓強(qiáng)度設(shè)計值如表2所示。

表1 鋼材參數(shù)Table 1 Parameters of steel

表2 混凝土材料參數(shù)Table 2 Parameters of concrete

2 有限元模型的建立

2.1 模型及網(wǎng)格劃分

該裝配式梁-柱-牛腿組合節(jié)點主要由鋼筋混凝土梁、柱及鋼牛腿共同組成，采用ABAQUS有限元軟件建立梁-柱-牛腿組合節(jié)點的三維有限元模型，邊節(jié)點和中節(jié)點分別如圖6所示。

a—邊節(jié)點；b—中節(jié)點。圖6 梁-柱-牛腿組合節(jié)點有限元模型及網(wǎng)格劃分Fig.6 Finite element models and mesh of beam-column-corbel combined joints

為了保證模型的計算精度及運行速度，在節(jié)點連接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，在其他區(qū)域采取較粗的網(wǎng)格密度[6]。為了使得計算簡化，假定混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)性能較好，不考慮兩者之間的滑移。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

ABAQUS中提供的混凝土本構(gòu)模型有三種：混凝土彌散開裂模型、混凝土塑性開裂模型及混凝土塑性損傷模型。塑性損傷模型可以很好地體現(xiàn)混凝土損傷開裂過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，它主要是利用混凝土材料本身的隨動硬化塑性和損傷因子共同確定，計算精度較高，可以很好地模擬混凝土構(gòu)件在外荷載作用下的塑性脆性破壞，故采用塑性損傷模型進(jìn)行計算。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》取混凝土單軸受拉和受壓的本構(gòu)關(guān)系分別見文獻(xiàn)[7]，采用Lwbliner屈服準(zhǔn)則[8]，塑性計算時，流動法則取非相關(guān)聯(lián)，其中剪脹角取30°。

鋼筋及鋼材選用理想彈塑性的本構(gòu)關(guān)系，采用von Mises屈服準(zhǔn)則，流動相關(guān)聯(lián)法則。

2.3 邊界設(shè)置及荷載施加

為了準(zhǔn)確模擬梁柱節(jié)點的真實受力情況，在設(shè)置邊界條件時選取柱底端作為參考點RP-2，耦合至柱底截面，將柱底端完全固定；并選取柱頂端截面中心點作為參考點RP-1，耦合至柱頂截面，并沿著z軸負(fù)方向施加軸壓比為0.2的軸壓力；同樣，將梁兩端截面的中心點也設(shè)置為參考點RP-3和RP-5，并分別耦合至相應(yīng)截面，在兩端沿著x和y方向施加轉(zhuǎn)角約束，邊節(jié)點在RP-3上施加沿z軸方向的位移荷載，中節(jié)點在RP-3和RP-5上施加沿z軸方向的位移荷載[9]。荷載施加時先在柱頂截面施加軸壓力，然后在梁端施加往復(fù)荷載，加載過程為位移控制。節(jié)點梁端位移加載制度如圖7所示。

圖7 梁端節(jié)點位移加載制度Fig.7 Loading procedures by displacement control acting on beam ends

3 有限元分析結(jié)果

3.1 等效應(yīng)力分布圖分析

梁-柱-牛腿組合邊節(jié)點和中節(jié)點在荷載作用下混凝土的等效應(yīng)力云圖如圖8所示，從中可以看到：邊節(jié)點和中節(jié)點的最大應(yīng)力處均位于梁端靠近柱的位置，柱的極限承載能力較梁高，梁的根部發(fā)生破壞，符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計原則。組合節(jié)點在荷載作用下的鋼筋等效應(yīng)力云圖如圖9所示，梁端部鋼筋均已屈服，承插鋼筋也已完全屈服。

a—邊節(jié)點； b—中節(jié)點。圖8 節(jié)點等效應(yīng)力云 MPaFig.8 Contours of equivalent stress for joints

a—邊節(jié)點； b—中節(jié)點。圖9 鋼筋等效應(yīng)力云 MPaFig.9 Contours of equivalent stress for rebars

3.2 滯回曲線分析

梁-柱-牛腿組合節(jié)點在循環(huán)荷載作用下的滯回曲線如圖10所示，可見：邊節(jié)點和中節(jié)點的滯回曲線飽滿，形狀呈“梭形”，沒有捏縮現(xiàn)象，但是兩者在正向的下降段均不如負(fù)向明顯，這是由于梁柱連接處通過牛腿承接，而鋼板的剛度較大，因而造成上述現(xiàn)象。整體而言，兩種類型節(jié)點的滯回曲線均表明該組合節(jié)點的塑性變形能力較強(qiáng)，抗震性能良好，同時也說明了該節(jié)點形式具有較高的工程應(yīng)用價值。

a—邊節(jié)點； b—中節(jié)點。圖10 滯回曲線Fig.10 Hysteresis curves

——邊節(jié)點； ----中節(jié)點。圖11 骨架曲線Fig.11 Comparisons of skeleton curves

3.3 荷載-位移骨架曲線分析

梁-柱-牛腿組合節(jié)點的骨架曲線如圖11所示，從中可見：邊節(jié)點和中節(jié)點的骨架曲線形狀相似，均呈“S”形。在加載初期，荷載隨著位移的增加線性增長，處于彈性階段；當(dāng)位移達(dá)到一定程度時，混凝土不斷開裂，節(jié)點處于彈塑性階段，位移變化較大，最終達(dá)到破壞。

3.4 承載力及延性分析

一般情況下，鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)要求的延性系數(shù)須大于3，通過對數(shù)據(jù)的處理，得到邊節(jié)點與中節(jié)點的承載力及位移延性系數(shù)，如表3所示?？芍簝煞N類型節(jié)點的位移延性系數(shù)均大于3，說明邊節(jié)點和中節(jié)點兩者均具有良好的延性性能，并且中節(jié)點的延性優(yōu)于邊節(jié)點。

3.5 耗能性能

邊節(jié)點和中節(jié)點的等效黏滯阻尼比與位移之間的關(guān)系對比曲線如圖12所示。可見：兩者在破壞階段的he值均超過0.4，表現(xiàn)出邊節(jié)點和中節(jié)點良好的抗震耗能能力。另外，邊節(jié)點的抗震耗能能力略優(yōu)于中節(jié)點的抗震耗能能力，但兩者的曲線非常貼近，表明節(jié)點位置的改變對構(gòu)件阻尼的影響很小。

表3 承載力及位移延性系數(shù)Table 3 Bearing capacity and displacement ductility factors

—邊節(jié)點； —中節(jié)點。圖12 等效黏滯阻尼比Fig.12 Equivalent viscous damping ratios

4 結(jié)束語

1)模擬得到的滯回曲線相對飽滿，說明邊節(jié)點和中節(jié)點均具有良好的抗震性能；主要破壞模式為梁端出現(xiàn)較大破壞，最終形成塑性鉸，符合“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。

2)邊節(jié)點和中節(jié)點均具有良好的延性和耗能能力；中節(jié)點的承載力和延性均優(yōu)于邊節(jié)點，而邊節(jié)點的耗能能力略高于中節(jié)點，但兩者相差較小。

3)該種裝配形式承載力高、抗震性能可滿足抗震設(shè)計要求，且施工便捷。