帶榫頭裝配柱腳節(jié)點(diǎn)抗震性能精細(xì)化模擬與優(yōu)化

喬德浩，王少杰，徐雨晴，李 輝，黃興淮

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安 271018；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 210096）

引言

在眾多建筑工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系中，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛以及研究最多的體系之一［1］。預(yù)制混凝土柱作為豎向受力構(gòu)件，其連接可靠性是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的核心問(wèn)題［2］。在預(yù)制混凝土構(gòu)件中得到普遍應(yīng)用的是灌漿套筒連接［3－5］，研究結(jié)果表明注漿質(zhì)量可靠時(shí)灌漿套筒連接節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回耗能與變形能力［6－8］。然而，由于灌漿套筒一般預(yù)先埋置在預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部，使得套筒注漿過(guò)程無(wú)法直接觀測(cè)和有效干預(yù)，容易導(dǎo)致套筒內(nèi)部灌漿不密實(shí)，從而對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量和受力性能造成不利影響［9－11］。為了解決普通灌漿套筒存在的上述潛在問(wèn)題，項(xiàng)目組發(fā)明了一種注漿過(guò)程可視和注漿質(zhì)量可控的倒置外露鋼筋灌漿套筒節(jié)點(diǎn)連接方法，該新型節(jié)點(diǎn)的抗震可靠性已通過(guò)截面大小相同軸壓比不同和軸壓比相同截面大小不同的系列低周往復(fù)荷載試驗(yàn)驗(yàn)證［12］。然而，因預(yù)制柱端部的榫頭被后澆混凝土外包，其受力機(jī)制無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)直接認(rèn)知，榫頭的尺寸與形狀對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響亦不清楚。

本文以預(yù)制柱截面尺寸為600 mm×600 mm的柱腳節(jié)點(diǎn)低周往復(fù)荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立倒置外露灌漿套筒裝配柱腳節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化有限元模型，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值仿真分析結(jié)果的可靠性，旨在深入認(rèn)知柱端榫頭全過(guò)程受力特點(diǎn)，并通過(guò)拓展分析探討柱端榫頭的尺寸與形狀效應(yīng)，為榫頭優(yōu)化提供依據(jù)。

1 精細(xì)化有限元模型

1.1 帶榫頭裝配柱腳節(jié)點(diǎn)概況

為開(kāi)展預(yù)制柱端部榫頭截面尺寸與形狀的優(yōu)化研究，選取預(yù)制柱截面尺寸為600 mm×600 mm的裝配柱腳節(jié)點(diǎn)試件（圖1）開(kāi)展精細(xì)化有限元建模與拓展分析，柱高1.80 m 和地梁高0.65 m，柱身縱筋采用HRB400級(jí)鋼筋，錨入地梁600 mm 并在末端設(shè)置90°彎鉤。在預(yù)制柱底部端頭處設(shè)有榫頭，并有外露縱筋均勻分布在榫頭外圍，采用半灌漿套筒連接，其中注漿端對(duì)應(yīng)大頭朝上、另一端采用剝肋滾軋直螺紋與地梁外露鋼筋連接；安裝時(shí)，將柱身外露縱筋自上而下插入套筒，柱身調(diào)直采用斜撐固定后及時(shí)注漿并采用自密實(shí)混凝土封邊，有關(guān)該新型連接節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)拼裝過(guò)程同文獻(xiàn)［12］所述。預(yù)制柱和地梁的混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度均為C25，水泥基灌漿料實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為67.60 MPa，后澆封邊區(qū)混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度為C30。

圖1 帶榫頭裝配柱腳節(jié)點(diǎn)截面尺寸與配筋（mm）Fig.1 Sectional dimension and reinforcement of the assembled column base joint with tenon (mm)

1.2 本構(gòu)關(guān)系

混凝土非線性行為采用ABAQUS中的塑性損傷模型（CDP）描述，該模型考慮了材料拉壓性能差異，適于模擬混凝土適筋結(jié)構(gòu)的低周往復(fù)加載歷程。CDP模型中有關(guān)參數(shù)參考文獻(xiàn)［13］，其中：膨脹角ψ取30°，混凝土泊松比μ取0.2，混凝土雙軸受壓強(qiáng)度與單軸受壓強(qiáng)度之比取1.16，不變量應(yīng)力比K取2/3，粘滯參數(shù)取0.005。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）［14］確定混凝土的拉壓性能，對(duì)應(yīng)的拉壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示，符號(hào)取“受拉為負(fù)和受壓為正”，ft，r與fc，r分別為混凝土的單軸抗拉和抗壓強(qiáng)度代表值?；炷翗?gòu)件在低周反復(fù)荷載下的剛度下降通過(guò)定義損傷予以表征，損傷因子d根據(jù)SIDOROFF［15］能量等價(jià)原理計(jì)算。

圖2 混凝土拉壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curve of concrete under tension and compression

水泥基灌漿料具有與混凝土材料相似的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系［13］，本文采用同強(qiáng)度的混凝土本構(gòu)關(guān)系描述水泥基灌漿料。鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用如圖3所示的彈塑性雙折線模型，取彈性模量Es=2.06×105MPa，鋼筋屈服之后的切線模量E1=0.01Es，圖中：fy和fu分別表示鋼筋屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則。套筒本構(gòu)關(guān)系結(jié)合試驗(yàn)確定，采用完全彈性模型［16］。

圖3 鋼筋彈塑性雙折線本構(gòu)關(guān)系模型Fig.3 Elastoplastic double broken line constitutive relation model of reinforcement

1.3 模型建立

1.3.1 網(wǎng)格單元

通過(guò)ABAQUS 建立帶榫頭裝配柱腳節(jié)點(diǎn)的有限元模型，并開(kāi)展豎向荷載作用下的低周往復(fù)加載過(guò)程仿真分析。采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元（C3D8R）模擬混凝土柱、后澆區(qū)、地梁、套筒及灌漿料，采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元（T3D2）模擬配置的鋼筋；地梁、預(yù)制柱、鋼筋和套筒對(duì)應(yīng)的單元長(zhǎng)度分別為100 mm、50 mm、60 mm 和50 mm，其中節(jié)點(diǎn)后澆區(qū)網(wǎng)格加密處理，對(duì)應(yīng)大小為25 mm，圖4為對(duì)應(yīng)的精細(xì)化有限元模型。

圖4 帶榫頭裝配柱腳節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化有限元模型Fig.4 Refined finite element model of the assembled column base joint with tenon

1.3.2 荷載與邊界條件

為與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，模擬采用與試驗(yàn)相同的加載方式。即通過(guò)在距離地梁上表面1.6 m 處設(shè)參考點(diǎn)加載，其中在柱頂施加軸向力925 kN 并維持不變至試驗(yàn)結(jié)束，水平荷載通過(guò)位移幅值控制加載（以5 mm 為級(jí)差加載至80 mm）。地梁底部固結(jié)，加載端約束除軸向與水平荷載向之外的其他方向?qū)?yīng)的自由度。

1.3.3 界面接觸各構(gòu)件或組分間的界面接觸關(guān)系是開(kāi)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)受力性能精細(xì)化仿真分析的關(guān)鍵，本文在進(jìn)行界面接觸設(shè)置時(shí)，以試驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)兼顧求解精度和計(jì)算效率，具體接觸關(guān)系如圖5所示。采用庫(kù)侖摩擦模型模擬后澆區(qū)上部與預(yù)制柱之間（接觸1）的接觸行為，其中法向和切向行為分別采取“硬接觸”和“罰摩擦”，允許接觸表面有彈性滑移，可表征此處對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂特性；節(jié)點(diǎn)區(qū)雖然是后澆，但考慮到試驗(yàn)全過(guò)程其對(duì)榫頭四周完全包裹且整體性好，故二者間界面關(guān)系（接觸2）采用綁定模式連接；因柱底未滑移，故榫頭底部、后澆區(qū)底部與地梁（接觸3）之間的接觸面亦采用綁定模式連接。鋼筋與套筒均內(nèi)置在混凝土中，與混凝土整體受力，采用嵌套模式處理鋼筋、套筒與混凝土間的相互作用；試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)套筒內(nèi)灌漿料并未發(fā)生滑移，所以套筒與其內(nèi)部灌漿料采用綁定連接，套筒與地梁外露縱筋、套筒內(nèi)灌漿料與柱底縱筋分別采用綁定、嵌套模式連接。

圖5 模型接觸設(shè)置Fig.5 Model contact settings

2 結(jié)果驗(yàn)證與榫頭全過(guò)程受力分析

2.1 失效狀態(tài)對(duì)比分析

柱腳節(jié)點(diǎn)受損最嚴(yán)重的塑性鉸區(qū)對(duì)應(yīng)的失效狀態(tài)如圖6 所示，其中圖6（a）和圖6（b）分別是混凝土、內(nèi)置筋材的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比。顯然，模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象高度吻合，破壞最嚴(yán)重的區(qū)域均位于預(yù)制柱與后澆區(qū)相接處，即灌漿套筒上方和榫頭根區(qū)位置，對(duì)應(yīng)混凝土外鼓、壓碎并脫落；鋼筋與套筒的應(yīng)力云圖也直觀表現(xiàn)為套筒上方鋼筋率先屈服、套筒外傾和塑性鉸上移的失效特點(diǎn)，與試驗(yàn)現(xiàn)象一致。

圖6 失效狀態(tài)下模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比Fig.6 Comparison between simulation result and test phenomena in failure state

2.2 荷載-側(cè)移曲線對(duì)比

模擬所得滯回曲線、骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分別如圖7（a）和圖7（b）所示。分析可知：模擬值與試驗(yàn)值的剛度退化和強(qiáng)度退化趨勢(shì)基本相同，模擬所得剛度略大；就相同側(cè)移下的承載力而言，模擬結(jié)果正負(fù)向?qū)ΨQ(chēng)性較好，而受加載順序影響試驗(yàn)結(jié)果正向略大于負(fù)向，與加載過(guò)程所致的損傷累積有關(guān)［17］。進(jìn)一步定量分析可知：就極限承載力而言，實(shí)測(cè)值和模擬值分別為608.96 kN 和565.70 kN，后者較前者低7.10%，二者誤差較小且模擬結(jié)果偏于安全，模型精度滿足后續(xù)研究需要。

圖7 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.7 Comparison between test value and simulation value

2.3 榫頭全過(guò)程受力分析

由于榫頭被后澆區(qū)混凝土外包，受力機(jī)制無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)直接認(rèn)知，依靠經(jīng)前述驗(yàn)證的精細(xì)化有限元模型予以分析和直觀展示。圖8（a）～（d）為榫頭端部在各特征點(diǎn)的受力演化云圖，分別對(duì)應(yīng)開(kāi)裂、屈服、初碎和峰值狀態(tài)。

由圖8（a）可知：在層間位移角1/320 時(shí)試件開(kāi)裂，對(duì)應(yīng)榫頭區(qū)最大壓應(yīng)力為10 MPa 左右，遠(yuǎn)小于混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度25.20 MPa，榫頭完好無(wú)損，亦大于框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值1/550；試件屈服時(shí)對(duì)應(yīng)層間位移角1/126、榫頭區(qū)最大壓應(yīng)力增至15 MPa左右，榫頭完好，如圖8（b）所示；當(dāng)層間位移角增至1/107時(shí)，榫頭邊緣兩角部區(qū)域的壓應(yīng)力達(dá)到26.54 MPa（＞25.20 MPa），榫頭開(kāi)始?jí)核?，與試驗(yàn)現(xiàn)象一致，兩側(cè)壓碎區(qū)面積占比共計(jì)5.03%；層間位移角增至1/45 時(shí)，試件達(dá)到峰值狀態(tài)，榫頭區(qū)最大壓應(yīng)力已達(dá)到33.13 MPa，兩側(cè)壓碎區(qū)面積占比共計(jì)33.34%。綜上可知：榫頭在試件屈服前最大壓應(yīng)力均低于實(shí)測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，未發(fā)生失效破壞；至層間位移角1/45（＞1/50）時(shí)，榫頭端部仍有2/3的區(qū)域未壓碎，可有效承擔(dān)上部豎向荷載作用。

圖8 榫頭端部受力演化過(guò)程分析Fig.8 Analysis of stress evolution process of tenon end

3 柱端榫頭優(yōu)化分析

3.1 方案設(shè)計(jì)

由前述分析可知：榫頭在加載后期有壓碎現(xiàn)象，擬通過(guò)驗(yàn)證的精細(xì)化有限元模型研究榫頭截面形狀、面積對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，對(duì)榫頭進(jìn)行優(yōu)化。拓展分析工況包括圓形和正方形2種榫頭截面，每種截面均對(duì)應(yīng)625 cm2、900 cm2和1 225 cm2大小的榫頭3 個(gè)，各試件命名為：REC250、REC300、REC350 與CIR282、CIR338、CIR395，其中REC和CIR分別表示正方形和圓形截面，其后數(shù)值為榫頭截面對(duì)應(yīng)的邊長(zhǎng)或直徑。在建立模型時(shí)，除榫頭大小、形狀與前述試件（REC300）不同外，其余均相同。

3.2 榫頭大小對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

3.2.1 方形榫頭

圖9（a）為3 個(gè)方形榫頭模型骨架曲線的對(duì)比，可明顯看出：骨架曲線峰前段近乎重合，榫頭形狀僅對(duì)峰后段及抗側(cè)承載力有一定影響。量化分析可知：模型REC300 的峰值荷載最大（565.70 kN），較模型REC250和REC350分別提高3.03%和0.57%。進(jìn)一步分析榫頭端部最大壓碎區(qū)占比及圖10（a）-圖10（c）應(yīng)力云圖可知：模型REC250、REC300和REC350的最大壓應(yīng)力分別為37.01 MPa、34.61 MPa和35.36 MPa，壓碎區(qū)面積占比分別為68.72%、34.64%和42.42%。顯然，正方形榫頭對(duì)應(yīng)的3個(gè)試件，承載力最高的是REC300，最大壓應(yīng)力和壓碎區(qū)面積占比最低的亦是REC300，即REC300相對(duì)更優(yōu)。

圖9 榫頭大小不同的模型骨架曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of skeleton curves of models with different tenon sizes

圖10 榫頭端部應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of tenon end

3.2.2 圓形榫頭

圖9（b）為3 個(gè)圓形榫頭模型的骨架曲線對(duì)比，與圖9（a）正方形榫頭骨架曲線相似，峰前段亦是高度重合，僅在峰后段有一定差異。量化分析可知：模型CIR282、CIR338 和CIR395 的峰值荷載分別為547.22 kN、548.45 kN 和553.17 kN，壓碎區(qū)面積占比分別為56.02%、44.86%和38.04%，榫頭區(qū)極限壓應(yīng)力分別為43.28 MPa、37.17 MPa 和35.07 MPa，如圖10（d）-圖10（f）所示。即伴隨圓形榫頭截面面積增大，峰值荷載增大，壓碎區(qū)面積和極限壓應(yīng)力降低。

3.3 榫頭形狀對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

圖11為榫頭形狀不同和面積相同的各模型骨架曲線對(duì)比，顯然，除峰值荷載和峰后段有一定差異外，其余均大致重合。量化分析可知：截面面積625 cm2、900 cm2和1 225 cm2的各模型，榫頭形狀為正方形的較圓形模型，分別高0.33%、3.15%和1.69%，即面積相同時(shí)正方形榫頭更優(yōu)。

圖11 榫頭形狀不同的模型骨架曲線對(duì)比Fig.11 Comparison of skeleton curve of the models with different tenon shape

綜上可知：在上述6個(gè)模型中，以模型REC300的峰值荷載最高并且榫頭損傷最輕，且方形截面便于加工制作，其相對(duì)最優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比分析可知：所建立的精細(xì)化有限元模型具有較高的精度和可靠性，據(jù)此探明了柱端榫頭在加載全過(guò)程受力性能的演化規(guī)律，為拓展分析和同類(lèi)研究提供了建模方法與參考。

（2）以預(yù)制柱截面尺寸600 mm×600 mm的柱腳節(jié)點(diǎn)為例，就截面形狀而言，相同截面大小的正方形榫頭較圓形榫頭，對(duì)應(yīng)的模型可獲得更高的峰值荷載，且最大壓應(yīng)力和壓碎區(qū)面積亦相對(duì)較??；對(duì)于圓形榫頭，伴隨榫頭截面面積增加，峰值荷載增大，壓碎區(qū)面積和極限壓應(yīng)力降低；對(duì)于正方形榫頭，以模型REC300相對(duì)更優(yōu)。

（3）綜合考慮峰值荷載、最大壓應(yīng)力、壓碎區(qū)面積和施工可操作性，優(yōu)選出適于截面尺寸為600 mm×600 mm預(yù)制柱的最優(yōu)柱端榫頭為邊長(zhǎng)300 mm 的正方形榫頭；基于本文的建模分析方法和遴選的指標(biāo)體系，可為倒置外露柱腳節(jié)點(diǎn)榫頭優(yōu)化提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。