預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)受力性能的有限元分析

周 波

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)根據(jù)連接部位受力性能的不同主要分為兩類[1-2]：第一類是模仿現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)受力性能的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)，梁柱節(jié)點(diǎn)連接通過(guò)后綁扎鋼筋及澆筑混凝土將梁柱節(jié)點(diǎn)連接成整體，其受力性能與現(xiàn)澆混凝土框架節(jié)點(diǎn)很接近；第二類是通過(guò)預(yù)應(yīng)力或角鋼等“干連接”的方法將梁柱裝配成整體，該方法施工方便，能夠避免預(yù)制構(gòu)件后澆連接時(shí)鋼筋碰撞、混凝土澆筑困難等缺點(diǎn)。其節(jié)點(diǎn)的受力性能與連接的手段有很大的關(guān)系，本文介紹一種干性連接的框架節(jié)點(diǎn)形式，采用Abaqus 對(duì)其節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)進(jìn)行非線性分析，并將軟件分析結(jié)果與已經(jīng)完成的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，論證軟件分析的可行性。

1 節(jié)點(diǎn)形式

本文介紹的預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)形式見圖1 所示。預(yù)制柱在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置牛腿，預(yù)制梁端部設(shè)置缺口，施工時(shí)可臨時(shí)擱置預(yù)制梁。預(yù)制梁和柱均上下預(yù)留兩處預(yù)應(yīng)力筋孔道，后期通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力筋的方式將梁柱節(jié)點(diǎn)組裝成整體，即干式連接。為防止預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力集中，提高節(jié)點(diǎn)的延性，預(yù)應(yīng)力筋在柱中和梁端一段距離采用無(wú)粘結(jié)[3]。

圖1 節(jié)點(diǎn)形式及配筋示意圖

2 節(jié)點(diǎn)有限元分析

2.1 有限元模型的建立

基于上述節(jié)點(diǎn)形式，采用大型通用有限元分析軟件Abaqus 建立節(jié)點(diǎn)三維模型，如圖2 所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)有限元模型

混凝土材料采用塑性損傷模型（CDP）[4]。為簡(jiǎn)化分析，預(yù)應(yīng)力筋為彈性材料模型，因其屈服強(qiáng)度高，應(yīng)力難以達(dá)到，線彈性材料可滿足要求。其他鋼筋采用理想的彈塑性模型。

因采用干性連接的方式，梁柱之間無(wú)現(xiàn)澆混凝土和鋼筋互相錨固情況，構(gòu)件間為接觸面連接。梁和柱接觸面有兩種相互作用，即法向和切向，法向?yàn)闃?gòu)件的相互擠壓和分離，切向?yàn)闃?gòu)件間的靜摩擦力或者滑動(dòng)摩擦力。當(dāng)兩表面接觸或分開時(shí)，Abaqus 分別施加接觸約束或解除約束[5]。

混凝土構(gòu)件采用了C3D8R 的三維實(shí)體單元。預(yù)應(yīng)力筋、梁縱筋、箍筋選用T3D2 的三維桁架單元，預(yù)應(yīng)力筋有粘結(jié)段及縱筋和箍筋與混凝土采用了embed 的埋入式連接方式。

采用降溫法給預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力，梁端采用位移加載法，節(jié)點(diǎn)左側(cè)梁端向上，右側(cè)向下加載，最大加載量為70mm。

雖然存在材料非線性和接觸非線性問(wèn)題，但模型較小，為控制誤差，選用了Abaqus/Standard 求解模塊進(jìn)行求解，即隱式算法分析[6]。

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 變形

有限元模擬得到的節(jié)點(diǎn)變形形狀如圖3 所示。將有限元分析得到的梁端荷載-位移曲線與試驗(yàn)得出的曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖3所示[3]。

圖3 節(jié)點(diǎn)變形形狀

試驗(yàn)與有限元模擬得到的荷載-位移曲線形態(tài)一致，均經(jīng)歷了彈性、屈服、水平和下降四個(gè)階段，但也有以下兩個(gè)差異：（1）有限元模擬得到的承載力比試驗(yàn)大約15%，這在有限元模擬中較為常見，主要是由實(shí)驗(yàn)材料非理想化、計(jì)算本身的誤差等引起。（2）模型中，彈性階段曲線較陡，即剛度較大，這是因?yàn)橛邢拊M中約束較為固定，而試驗(yàn)中，對(duì)構(gòu)件的約束存在間隙，加載剛開始時(shí)試件發(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)，而非構(gòu)件變形造成，見圖4。

圖4 有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)梁端節(jié)點(diǎn)的豎向位移，可以求解出梁端的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，如圖5 所示。可見梁柱連接不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，為半剛性節(jié)點(diǎn)。彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線可為該種形式的預(yù)制框架的內(nèi)力分析和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖5 梁柱連接處彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系

2.2.2 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化

預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化見圖6。加載初期，接觸面未分開或分開很小，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力幾乎無(wú)變化；但隨著梁柱接觸面的分開并張大，應(yīng)力迅速增大；最終因受壓區(qū)混凝土的較大塑性變形，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增大的速度變慢，其應(yīng)力始終未超過(guò)預(yù)應(yīng)力筋的比例極限，采用彈性材料符合要求。此外，牛腿受壓產(chǎn)生的塑性變形，因此梁柱下部接觸面的分開量小于上部，因此下部預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量小于上部。

圖6 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化

2.2.3 節(jié)點(diǎn)損傷分析

節(jié)點(diǎn)混凝土的受拉損傷見圖7，柱左側(cè)梁為下部受拉上部受壓，梁端缺口處下表面出現(xiàn)了較大的混凝土受拉損傷損，范圍主要在缺口附近，分布長(zhǎng)度大約300mm，向上延伸高度約為150～200mm，遠(yuǎn)離牛腿損傷越小，此外在距離柱約550mm 處的梁底也出現(xiàn)了受拉損傷，但分布長(zhǎng)度和延伸高度都很??；柱右側(cè)梁為上部受拉下部受壓，牛腿表面出現(xiàn)了較大的受拉損傷，分布長(zhǎng)度為整個(gè)牛腿，延伸高度約為牛腿高度一半，距離柱約500～600mm 的梁上表面也出現(xiàn)了受拉損傷，但分布長(zhǎng)度和延伸高度都很小。

受壓損傷見圖8，柱左側(cè)受壓損傷主要集中在缺口梁的上表面，分布長(zhǎng)度約為300mm，柱右側(cè)，受壓損傷主要發(fā)生在牛腿和缺口梁下部的接觸處。

上述受拉和受壓損傷與預(yù)想結(jié)果一致，與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合，能夠較好地反應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的破壞特征。

圖7 節(jié)點(diǎn)混凝土受拉損傷云圖

圖8 節(jié)點(diǎn)混凝土受壓損傷云圖

2.2.4 梁端受壓接觸面高度

節(jié)點(diǎn)達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)時(shí)，梁端與混凝土柱或牛腿受壓接觸面的高度是計(jì)算該連接受彎承載力的重要參數(shù)，加載過(guò)程中該接觸面高度變化見圖9 所示。隨著接觸面的張開，受壓區(qū)高度迅速減小，達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)，受壓區(qū)高度約為截面高度的0.2～0.3 倍，后期由于混凝土的塑性變形的增大，受壓接觸面高度有所增加，但此時(shí)承載力已進(jìn)入下降階段，不作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖9 梁端受壓接觸面高度變化

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Abaqus 的有限元團(tuán)建對(duì)上述干性連接的裝配式節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行分析，采用合適的材料模型，并選用合理的接觸單元模擬梁柱間相互作用。模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，包括承載力、變形都在可控范圍。預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力變化以及模型的損傷情況與試驗(yàn)現(xiàn)象都較為接近。

通過(guò)有限元模擬能夠較為準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)干性連接預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)的受力性能，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，便于推廣干性連接的預(yù)制框架節(jié)點(diǎn)方式。