新型裝配式半剛性節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究

王德波 韓兆坤

1. 青島靈山灣開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司 山東 青島 266499；2. 北京東方華脈工程設(shè)計(jì)有限公司青島分公司 山東 青島 266555

引言

本文提出一種新型的半剛性裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)形式，該節(jié)點(diǎn)采用帶牛腿承臺(tái)通長(zhǎng)預(yù)制柱與預(yù)制混凝土梁通過(guò)高強(qiáng)螺栓貫通連接。對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行足尺試驗(yàn)，利用該節(jié)點(diǎn)的破壞狀態(tài)、滯回曲線(xiàn)和骨架曲線(xiàn)來(lái)驗(yàn)證該節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下的承載能力及抗震耗能性能。同時(shí)，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該節(jié)點(diǎn)在服役階段時(shí)的應(yīng)力演化過(guò)程，深入探究節(jié)點(diǎn)在周期荷載作用下的服役機(jī)理，為該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和理論分析提供依據(jù)。

對(duì)于裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)，一些學(xué)者進(jìn)行了研究，主要集中于試驗(yàn)和理論研究。在試驗(yàn)方面，王靜峰等設(shè)計(jì)和制作了2個(gè)帶樓板的薄壁鋼管混凝土組合節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)螺栓錨固構(gòu)造對(duì)組合節(jié)點(diǎn)的變形性能具有較大影響作用；徐瑩璐等提出了一種新型的弱軸連接組合節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)單軸對(duì)稱(chēng)鋼梁截面可以減小組合效應(yīng)的不利影響；陳珊珊等對(duì)具有不同寬度樓板的裝配式型鋼混凝土柱－鋼梁節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了分析，指出樓板有效寬度的增加對(duì)節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和承載能力均有明顯提升作用。在理論方面，張婧等對(duì)3個(gè)平齊端板連接梁柱組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)，提出了梁端初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近；李國(guó)強(qiáng)等對(duì)3個(gè)平齊式端板自鎖式單向螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了單調(diào)加載試驗(yàn)，給出了該節(jié)點(diǎn)在彎矩荷載作用下的高強(qiáng)螺栓的力的分布形式；王振宇等提出了以T型件作為基本分析單元，通過(guò)單個(gè)彈簧代替多個(gè)彈簧模擬T型件，計(jì)算結(jié)果與多個(gè)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好。

根據(jù)以上所述可以看出，人們對(duì)于考慮組合樓板作用的裝配式節(jié)點(diǎn)已有一定程度的研究，但對(duì)于外伸端板裝配式節(jié)點(diǎn)在與組合樓板共同作用時(shí)的相關(guān)研究尚為匱乏，而端板節(jié)點(diǎn)是裝配式鋼框架中較為常用的梁柱連接形式，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)連接形式與組合樓板共同作用時(shí)，在外荷載作用下節(jié)點(diǎn)的變形與受力模式將會(huì)變復(fù)雜。因此，為完善組合樓板對(duì)裝配式端板節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響作用，本文對(duì)2個(gè)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，研究其破壞模式、滯回性能、承載能力、半剛性性能以及受力機(jī)理。此外，還對(duì)采用不同類(lèi)型壓型鋼板的節(jié)點(diǎn)抗震性能變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 裝配式發(fā)展概述

裝配式其具有施工工期短、機(jī)械化程度高、成本及人力消耗低的特點(diǎn)，其中剪力墻具有較高的承載力及水平抗側(cè)力剛度，是適用于裝配式建筑的一種結(jié)構(gòu)形式。

裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，而中國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，地震強(qiáng)度大、范圍廣，因此研究裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估模型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

在以往的研究中，多是通過(guò)模擬軟件分析裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，這種方法無(wú)法分析剪力墻整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，導(dǎo)致分析誤差較大。因此，本文設(shè)計(jì)一種裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估模型對(duì)其抗震性能進(jìn)行評(píng)估。此次設(shè)計(jì)的評(píng)估模型通過(guò)剪力墻性態(tài)水準(zhǔn)、性能指標(biāo)與性態(tài)目標(biāo)建立起裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估指標(biāo)，將此作為重要的評(píng)估對(duì)象，在此基礎(chǔ)上，定義剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)體，分析剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)性，采用智能模糊算法對(duì)裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估。

2 試驗(yàn)概況

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與制作

T型預(yù)制梁外端與牛腿柱外側(cè)分別預(yù)埋鋼制承壓板，螺栓兩端用螺母與承壓板連接。該節(jié)點(diǎn)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)中現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)尺寸，混凝土材料及其鋼構(gòu)件力學(xué)參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 混凝土材料力學(xué)性能

表2 鋼筋及其他鋼構(gòu)件力學(xué)性能

對(duì)進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)的鋼筋進(jìn)行焊接，并搭架鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)檢查無(wú)誤后安裝木質(zhì)模板。模板檢驗(yàn)無(wú)誤后，在其表面涂抹隔離油，并用膠帶密封接頭部位。

2.2 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)采用擬靜力試驗(yàn)，加載裝置為北京佛力生產(chǎn)±500kN電液伺服加載系統(tǒng)，動(dòng)作器有效里程為±250mm。預(yù)制柱下端用螺栓錨固，上端用千斤頂施加500kN豎向軸力。同時(shí)，預(yù)制柱兩端用螺紋鋼筋及型鋼進(jìn)行約束，防止試件在加載期間發(fā)生垮塌。加載裝置布置在預(yù)制梁外側(cè)，通過(guò)伺服加載系統(tǒng)施加低周反復(fù)荷載。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

裝配式節(jié)點(diǎn)由方鋼管柱、H型長(zhǎng)梁、弧形腋板、焊接用H型短梁、焊接用柱肋板、腹板連接板等構(gòu)件組成。組裝前將設(shè)有凹槽的短梁焊接于柱面兩端，肋板焊接于短梁上下、柱面偏心處，腋板焊接于長(zhǎng)梁翼緣軸心處；組裝時(shí)將長(zhǎng)梁翼緣接入短梁凹槽處，上下腋板接入柱肋板處，通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，長(zhǎng)短梁腹板處通過(guò)連接板使用螺栓連接。為擴(kuò)展有限元計(jì)算模型，對(duì)6個(gè)不同構(gòu)件尺寸的中柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)循環(huán)加載的擬靜力數(shù)值分析[1]。

3.2 節(jié)點(diǎn)破壞特征

當(dāng)正向加載為30kN時(shí)，在加載梁的中間部位上部出現(xiàn)第一條裂縫；當(dāng)反向加載時(shí)，裂縫消失，在下部相似位置出現(xiàn)一條裂縫；當(dāng)加載至50kN時(shí)，T形梁端承壓板邊緣出現(xiàn)第一條斜裂縫；隨著加載力的增大，裂縫數(shù)量越來(lái)越多，T形梁端承壓板邊緣裂縫寬度增加且梁與柱相交截面出現(xiàn)裂縫；加載至60kN時(shí)，T形端裂縫不斷發(fā)展，梁上部與柱相交處裂縫寬度持續(xù)增加；當(dāng)加載至70kN時(shí)，梁端的混凝土裂縫寬度達(dá)到7cm，核心區(qū)裂縫寬度也逐漸持續(xù)增大；當(dāng)加載至75kN時(shí)，梁主要受力鋼筋屈服，即達(dá)到屈服強(qiáng)度，采用位移加載；隨著位移的增大，梁上部裂縫寬度達(dá)到10cm，承壓板邊緣斜裂縫寬度達(dá)到5cm, T形梁端混凝土壓碎破壞。核心區(qū)混凝土壓碎破壞，承壓板附近混凝土發(fā)生剪切破壞，節(jié)點(diǎn)處柱與牛腿并未出現(xiàn)裂縫，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求“強(qiáng)柱弱梁”，高強(qiáng)螺栓發(fā)生屈服。

4 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估模型設(shè)計(jì)

4.1 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估模型架構(gòu)

此次研究的裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估模型的主要優(yōu)勢(shì)為：具有齊全的裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程內(nèi)所使用的信息內(nèi)容，能夠?yàn)樵u(píng)估提供依據(jù)。同時(shí)，該模型內(nèi)提供評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估方法，模型具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估模型架構(gòu)

裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

第一，利用建筑設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建裝配式建筑剪力墻模型[2]；

第二，導(dǎo)出模型，通過(guò)裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)模型獲得組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建信息，構(gòu)建用于裝配式建筑剪力墻抗震加固的建筑模型信息；

第三，通過(guò)上述建筑模型能夠獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型內(nèi)的幾何模型，在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估過(guò)程中，依據(jù)評(píng)估指標(biāo)將評(píng)估信息反映至評(píng)估模型中，以對(duì)模型修正；

第四，根據(jù)此模型對(duì)裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估。

該模型實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估方法為重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

4.2 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估指標(biāo)建立

通過(guò)剪力墻性態(tài)水準(zhǔn)、性能指標(biāo)與性態(tài)目標(biāo)建立起裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估指標(biāo)。性態(tài)水準(zhǔn)代表剪力墻結(jié)構(gòu)在某一地震水平下預(yù)期的破壞程度，因此根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、整體結(jié)構(gòu)、構(gòu)建等評(píng)估剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能等級(jí)。

為便于裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估，性態(tài)水準(zhǔn)還應(yīng)表達(dá)為各種性能指標(biāo)，性能指標(biāo)由一個(gè)或多個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行定義，此次研究以位移指標(biāo)劃分極限狀態(tài)。依據(jù)損傷評(píng)定過(guò)程，計(jì)算剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能，從上述計(jì)算能夠看出，此次設(shè)計(jì)的模型能夠反映地震對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)損傷程度的影響，以此完成裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)新型半剛性裝配式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬，本文主要結(jié)論如下：

本文所提出的新型裝配式半剛性節(jié)點(diǎn)其破壞主要集中在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，T形梁端承壓板附近裂縫較為集中，以梁上下表面對(duì)稱(chēng)趨勢(shì)向梁中部開(kāi)裂，梁尾部無(wú)明顯裂縫；預(yù)制柱端、牛腿部位均完好，滿(mǎn)足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求。

新型裝配式節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下，其屈服荷載及極限荷載較現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)明顯提高，其整體承載能力提升約25.41%，滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，耗能性能優(yōu)良。

模擬結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)在服役階段，高強(qiáng)螺栓為主要的承載構(gòu)件，混凝土預(yù)制梁柱為次要承載構(gòu)件。表明當(dāng)預(yù)制梁柱強(qiáng)度滿(mǎn)足荷載要求時(shí)，通過(guò)更換高強(qiáng)螺栓即可完成災(zāi)后預(yù)制節(jié)點(diǎn)修復(fù)工作，符合該新型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念。