新型半剛性梁柱干式連接節(jié)點抗震性能研究

丁克偉 李興龍 韓苗蘭

(安徽建筑大學 土木學院，合肥 230601)

引言

建筑工業(yè)化在政府的大力推動下，快速發(fā)展，裝配式建筑成為建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢之一。目前廣泛采用的現(xiàn)澆裝配式梁柱節(jié)點，由于施工難度大、周期長，制約著裝配式建筑的發(fā)展，研究新型裝配式梁柱節(jié)點勢在必行[1]。對此，國內(nèi)外學者進行了廣泛研究，如李向民[2]等利用一種新型低屈服高延性連桿在裝配式節(jié)點對抗震性進行改善； 使用預埋十字形帶螺栓孔連接構(gòu)件的混凝土裝配式節(jié)點[3]。Qishi Yan[4]等提出將柱端預留鋼筋與梁端預留貫穿孔洞進行穿插錨固干式連接方法等豐富了裝配式節(jié)點結(jié)構(gòu)體系。廣州大學周云教授[5]將消能減震技術(shù)應用在裝配式框架上。張紀剛[6]等提出即插即用耗能裝置與裝配式框架組合成消能減震體系； 吳福健[7]等提出基于位移放大裝置的扇形鉛粘彈性阻尼器。

本實驗提出的牛腿支撐T形端預制梁，使用八根承壓高強螺栓穿過梁端挑耳和柱連接形成半剛性干式連接節(jié)點。梁端支撐在牛腿上，震后拆卸及更換方便，結(jié)構(gòu)修復快。進一步在牛腿上設置抗震阻尼器形成耗能節(jié)點與裝配式框架結(jié)構(gòu)組合成三道抗震防線，通過減震把“強節(jié)點”設計引向深入。

1 實驗概況

1.1 試件設計

標準柱跨8.4m，柱距8.4m，層高4.2m，基本平面軸網(wǎng)三跨×六跨，取12 層框架結(jié)構(gòu)第7層梁柱邊節(jié)點為實驗原型。C80預制牛腿柱和C40預制梁。主梁部分長×寬×高為3800mm×400mm×750mm，2個梁端挑耳部分長×寬×高為250mm×175mm×750mm，柱子長×寬×高為750mm×750mm×4200mm。抗震設防烈度7度。

(a)A-A截面圖 (b)B-B截面圖

(c)C-C截面圖 (d)D-D截面圖圖1 新型節(jié)點配筋圖

圖2 配筋位置圖

圖3 梁的鋼筋

實測力學性能分別見表1和表2所示。

表1 混凝土力學性能指標

表2 鋼筋的力學性能指標

1.2 試驗裝置

圖4 加載裝置模型圖

圖5 構(gòu)試件尺寸邊界條件

1.3 加載制度

在梁懸挑端施加豎向反復荷載，帶動節(jié)點彎曲變形，模擬結(jié)構(gòu)體系中節(jié)點的抗震性能。實驗加載向下推為正，向上拉為負，以5kN為一級； 最后的加載制度為20kN～85kN，-35kN～-100kN。加載至85kN，隨著位移增加，外加荷載不升反降，轉(zhuǎn)為位移加載。加載制度見圖6，加載裝置實物見圖7。

圖6 梁端加載制度

圖7 加載裝置實物圖

2 試驗現(xiàn)象，破壞模式及受力分析

2.1 試件破壞過程及破壞形態(tài)

加載初始，構(gòu)件變形無明顯變化，無裂縫出現(xiàn)； 加載至+30kN 時，第一條0.1mm寬度裂縫出現(xiàn)在梁端挑耳與主梁相交的地方； -45kN時，原產(chǎn)生的對應裂縫閉合； +40kN時，接著出現(xiàn)裂縫，梁端挑耳上承壓鋼板與主梁相交附近裂縫繼續(xù)加寬，最大裂縫0.15mm，受拉區(qū)鋼筋，承壓鋼板和螺栓的應變變大； -55kN時，承壓高強螺栓和承壓鋼板出現(xiàn)形狀改變不能全部恢復原樣； +75kN時，梁出現(xiàn)很大的變形，0.5mm裂縫出現(xiàn)在預制柱與梁T形端相交地方，節(jié)點部位是裂縫的集中區(qū)域； 加載至85kN時，隨著位移增加，外加荷載不升反降，轉(zhuǎn)為位移加載； 位移加載85mm時，梁T形端裂縫持續(xù)增加，梁上裂縫向梁懸挑端一直延伸到梁中部附近隨后裂縫不再延伸，裂縫寬度隨位移加載而增大。位移控制加載125mm時，承壓高強螺栓應力應變曲線出現(xiàn)突變，預制柱與梁T形端相交地方裂縫寬度達12mm，梁端挑耳上鋼板與主梁相交附近裂縫寬度達8mm，梁T形端上下區(qū)域混凝土被壓碎，螺栓和螺帽有較大變形，梁端挑耳與主梁相交附近有穿透裂縫。構(gòu)件最終破壞如圖8所示。

(a)左T形梁端挑耳破壞圖 (b)T形梁端破壞圖 圖8 構(gòu)件破壞形式

2.2 試驗結(jié)果與分析

實驗現(xiàn)象表明，本實驗新型裝配式梁柱半剛性節(jié)點塑性鉸出現(xiàn)在梁上，滿足強柱弱梁。梁T形端與牛腿及柱接觸面的摩擦阻尼作用、梁端挑耳內(nèi)縱筋銷栓作用、螺栓群的塑性變形使得節(jié)點有較好的延性。梁T形端支撐在牛腿上的長度大于250mm，這樣即便在大震下連接失效，此實驗節(jié)點仍然能夠防止結(jié)構(gòu)倒塌。

2.3 新型節(jié)點梁端挑耳受力機制及特點

梁端挑耳內(nèi)縱筋穿過主梁，根據(jù)實測屈服強度，達到實驗屈服荷載后，節(jié)點進入塑性階段，梁端挑耳主要靠縱筋的銷栓作用來承擔，借助《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1-2014)[9]的理論，對梁端挑耳進行理論計算，與實驗梁端挑耳承載力基本吻合。梁端挑耳混凝土開裂前主要靠梁端挑耳與主梁相交處混凝土來抵抗梁端挑耳扭矩； 達到屈服荷載后，主要靠梁端挑耳內(nèi)縱筋的銷栓作用抵抗扭矩； 達到最大承載力時，主要靠梁T形端與牛腿柱接觸面的摩擦力偶、梁端挑耳內(nèi)縱筋的銷栓作用以及梁端挑耳斷裂截面的骨料咬合力來抵抗扭矩。

3 有限元分析

3.1 單元類型和網(wǎng)格劃分

本ABAQUS模型中，裝配式梁柱節(jié)點的縱筋，箍筋和構(gòu)造鋼筋組成整體鋼筋骨架。用Truss單元中T3D2單元來仿真鋼筋； 砼，鋼板與螺栓都用3D Stress單元中的C3D8R來仿真。實體單元網(wǎng)格大小50mm，鋼筋用50mm桁架單元劃分。網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格劃分

3.2 接觸和加載

鋼筋骨架用嵌入接觸形式裝配到混凝土中，彼此變形協(xié)調(diào)。預制梁與柱彼此接觸，螺栓與混凝土彼此的二個接觸對是硬接觸，用“罰函數(shù)”設置摩擦系數(shù)為0.35[10]。在上層柱上面，下層柱下面和梁懸挑端定義耦合點RP1、RP2、RP3。第一個分析步在柱頂鋼板中心作用模擬實況地震作用時建筑的重力荷載代表值1397.1kN不變軸力，第二個分析步為位移加載，其幅值如表3所示。

表3 位移加載幅值

3.3 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比

3.3.1 滯回曲線分析

隨著市場的發(fā)展和科學的進步，水利施工企業(yè)對人才的需求量急劇增加，人才培養(yǎng)已經(jīng)成為了實現(xiàn)“人才強企”戰(zhàn)略的主要手段。注重培養(yǎng)具有較強專業(yè)素質(zhì)及發(fā)展?jié)摿Φ墓芾砣瞬拧⒓夹g(shù)人才、一崗多技和一崗多能的復合型人才，對企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。由于水利施工行業(yè)的特殊性，絕大多數(shù)員工均在施工一線工作，工作地點遠離城鎮(zhèn)且條件艱苦，工程項目多而分散，無法集中進行學習培訓，這種人員的分散性決定了水利施工企業(yè)人才培養(yǎng)的難度。針對水利施工企業(yè)的上述特點，如何培養(yǎng)人才、留住人才，是擺在水利施工企業(yè)面前的難題。

實驗節(jié)點滯回環(huán)與模擬滯回環(huán)存在偏差。

在實驗低周往復荷載施加下，梁端挑耳內(nèi)鋼筋出現(xiàn)了滑移。八根承壓高強螺栓被兩側(cè)固定在鋼板上不存在滑移。在混凝土開裂之前，變形很小，主要是混凝土塑性變形，節(jié)點基本處在彈性范圍，當卸載時出現(xiàn)的殘余變形很??； 隨著混凝土開裂滯回環(huán)從梭形變成弓形。循環(huán)加卸荷時，滯回環(huán)圖中可見當中存在水平段，施加力比較小使得裂縫閉合從而發(fā)生比較大的位移，讓滯回環(huán)出現(xiàn)“捏縮”效應，剛度退化。

在數(shù)值模擬中，由于鋼筋骨架用嵌入接觸形式裝配到混凝土中，彼此變形協(xié)調(diào)。梁端挑耳混凝土被剪扭開裂，退出工作，梁端挑耳扭矩主要靠縱筋的銷栓作用承擔，其余靠與牛腿柱的接觸面的摩擦力偶來承擔。軟件模擬鋼筋的本構(gòu)關(guān)系是三折線，由于融合關(guān)系，整個節(jié)點的抵抗能力比實驗略有提高，鋼筋屈服后，軟件模擬滯回環(huán)整個節(jié)點殘余變形幾乎和施加的變形值相同，這是數(shù)值仿真滯回環(huán)比實驗飽滿的原因之一。

模擬時預制梁與牛腿柱接觸面的摩擦系數(shù)為0.35[10]產(chǎn)生的阻尼效應比實驗的大，這是模擬滯回環(huán)飽滿原因之二。

總體兩者的滯回環(huán)比較吻合。實驗與模擬滯回環(huán)對比如圖10所示。

圖10 模擬的滯回曲線與實驗滯回曲線對比

3.3.2 骨架曲線分析

實驗節(jié)點骨架曲線與模擬骨架曲線基本吻合，都經(jīng)歷了彈性—屈服—強化—破壞四個階段。加載初期節(jié)點剛度較大，隨著不斷的加載，梁端挑耳與主梁相交處裂縫不斷變寬，節(jié)點剛度出現(xiàn)退化，最終靠近柱子的梁端上下區(qū)域混凝土壓碎。實驗與模擬開裂荷載及其位移為29.8kN，11.7mm； 31.9kN，12mm、屈服荷載及其位移72.1kN，37.2mm； 78.4kN，40mm、最大荷載及對應位移為84kN，80mm； 96.5kN，85mm、破壞荷載及極限位移為72kN，125mm； 85kN，125mm。用《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101-2015)的公式μ=Δu/Δy計算延性系數(shù)[8]。從表4中可以看出，實驗與模擬延性系數(shù)都大于3，在承受最大荷載之后，位移加載下，荷載下降比較緩慢，而位移有顯著增長，節(jié)點延性很好。實驗與模擬骨架曲線對比如圖11所示。現(xiàn)澆節(jié)點的開裂荷載9.8kN，屈服荷載48.7kN，最大荷載66kN[11]。相似情況下，裝配式半剛性節(jié)點最大承載力比現(xiàn)澆節(jié)點增加大概27.27%?，F(xiàn)澆節(jié)點的耗能主要靠節(jié)點核心區(qū)鋼筋和砼的塑性變形及梁彎曲變形。實驗節(jié)點的耗能主要靠梁端挑耳鋼筋、砼的塑性變形、梁端彎曲變形、承壓高強螺栓的塑性變形以及牛腿柱與梁T形端接觸面產(chǎn)生的阻尼效應。實驗節(jié)點耗能種類比現(xiàn)澆節(jié)點豐富。

圖11 模擬與實驗骨架曲線對比

表4 位移延性系數(shù)

4 節(jié)點抗震性能

增加梁端挑耳延主梁長方向截面尺寸，軟件模型如圖12所示。滯回曲線對比如圖13，骨架曲線對比如圖14所示。延性對比如表5。長400mm梁端挑耳比長250mm梁端挑耳節(jié)點變形降低了32%，節(jié)點最大承載力提高了24.4%，這說明400mm梁端挑耳比250mm梁端挑耳承載力和剛度大，但節(jié)點延性降低，不利于抗震，剛性梁端挑耳的變形能力不如實驗中采用的柔性梁端挑耳。梁端挑耳尺寸對節(jié)點變形影響敏感。如需控制結(jié)構(gòu)的變形可以改變梁端挑耳尺寸，從而控制PΔ效應。

圖12 長400mm梁端挑耳軟件模型

圖13 梁端挑耳尺寸模擬滯回環(huán)對比

表5 位移延性系數(shù)

圖14 梁端挑耳尺寸模擬骨架曲線對比

5 消能減震技術(shù)

本文在梁T形端與牛腿的接觸面安裝摩擦阻尼器對節(jié)點進行消能減震模擬，使得節(jié)點成為耗能節(jié)點。利用ABAQUS軟件，通過改變接觸面摩擦系數(shù)來近似模擬阻尼器的作用，摩擦系數(shù)取為0.5[12]。

加阻尼器模擬滯回環(huán)明顯呈梭形相比未加阻尼的模擬滯回環(huán)飽滿很多。在模擬地震初期，整個結(jié)構(gòu)體系第一道抗震防線的能力有所提高。梁加載端位移達到12mm進入彈塑性耗能模式，節(jié)點與阻尼作用共同耗能，滯回環(huán)包絡面積隨位移增加而明顯增加，耗能能力強。增加與未增加阻尼器，節(jié)點耗能形式不同，節(jié)點接觸面的阻尼作用參與耗能，降低了梁柱節(jié)點的地震反應，把“強節(jié)點”的設計引向深入。加阻尼作用開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和最大荷載均明顯提高，改變了節(jié)點受力模式，有效減少和控制了T形端預制梁裂縫的開展，降低了梁端挑耳縱筋和高強螺栓應變值，阻尼作用明顯降低了地震對節(jié)點的外作用。滯回曲線對比如圖15所示。

圖15 阻尼器模擬滯回環(huán)對比

6 結(jié)論

對新型裝配式梁柱半剛性節(jié)點進行抗震性能實驗和數(shù)值模擬得到以下結(jié)論：

(1)本實驗塑性鉸出現(xiàn)在梁上，滿足強柱弱梁； 梁T形端支撐在牛腿上，這樣即便在大震下連接失效，此實驗節(jié)點仍然能夠防止結(jié)構(gòu)倒塌。

(2)梁T形端與牛腿及柱接觸面的摩擦阻尼作用、梁端挑耳內(nèi)縱筋銷栓作用、螺栓群的塑性變形使得節(jié)點有較好的延性。實驗節(jié)點耗能種類比現(xiàn)澆節(jié)點豐富。

(3)梁端挑耳尺寸對節(jié)點變形影響敏感，對節(jié)點承載力有所提高，但延性下降。如需控制結(jié)構(gòu)的變形可以改變梁端挑耳尺寸，從而控制PΔ效應。

(4)消能減震半剛性耗能節(jié)點外加荷載明顯提高，吸收地震能力強。

(5)消能減震半剛性耗能節(jié)點改變了節(jié)點受力模式，有效減少和控制了T形端預制梁裂縫的開展，降低了梁端挑耳縱筋和高強螺栓應變值。