角鋼連接的裝配式異形柱框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能研究*

范夕森, 賈文啟, 張子健

(1 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2 山東建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101；3 青島海信房地產(chǎn)股份有限公司，青島 266100)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)鄉(xiāng)村和小城鎮(zhèn)建筑基本是自行建設(shè),絕大部分沒(méi)有正規(guī)設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的施工質(zhì)量管理,常常結(jié)構(gòu)類型混亂、材料良莠不齊、建設(shè)質(zhì)量不佳、平均使用年限較短,不僅資源浪費(fèi)嚴(yán)重,抗震防災(zāi)能力也很差,如汶川地震中大量村鎮(zhèn)房屋發(fā)生破壞性倒塌。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn),村鎮(zhèn)建筑的結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越需要追求綠色環(huán)保、安全可靠。受國(guó)家大力推廣政策的影響,裝配式建筑以每年增長(zhǎng)54%的速度迅速發(fā)展。裝配式建筑技術(shù)可節(jié)約資源、節(jié)省人工、降低現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的污染,成為村鎮(zhèn)建筑中絕佳的建筑形式[1]。目前,隨著技術(shù)的成熟,鋼結(jié)構(gòu)住宅逐漸增多,但受傳統(tǒng)觀念的影響,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅接受度更高。出于對(duì)房屋空間布置靈活性和室內(nèi)不突出柱楞的美觀適用性需求,裝配式異形柱混凝土框架結(jié)構(gòu)成為層數(shù)不多的村鎮(zhèn)建筑比較適合的結(jié)構(gòu)形式。

裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的一般做法是構(gòu)件預(yù)制、節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆,現(xiàn)場(chǎng)仍有相當(dāng)數(shù)量的濕作業(yè)。許多學(xué)者對(duì)裝配式異形柱框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了研究[2-10],研究表明裝配式異形柱框架節(jié)點(diǎn)延性、耗能能力略優(yōu),整體抗震性能表現(xiàn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相似。如果將預(yù)制的混凝土構(gòu)件采用頂?shù)捉卿摵吐菟ìF(xiàn)場(chǎng)拼裝,可以最大限度地減少濕作業(yè)、加快施工進(jìn)度、減少環(huán)境污染。但這種干式連接方式與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)在抗震性能上肯定有所不同,因此,研究干式連接的裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能十分必要。司建輝等[11]提出鋼纖維混凝土坐斗模型,優(yōu)化了預(yù)制裝配式混凝土斗栱節(jié)點(diǎn)的抗震性能。蔡小寧等[12]提出的PTED節(jié)點(diǎn),依靠預(yù)應(yīng)力筋提供節(jié)點(diǎn)自復(fù)位的能力,依靠耗能角鋼提供節(jié)點(diǎn)的耗能能力,該節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)出很強(qiáng)的自復(fù)位能力,還具有良好的延性和梁端轉(zhuǎn)動(dòng)能力。Aninthaneni等[13]提出了一種雙T形焊接鋼板作為連接件并通過(guò)螺栓連接的干式連接裝配式節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)滯回性能與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)性能相似,且連接件易拆卸更換。Nzabonimpa等[14]提出了一種端板連接的型鋼-混凝土預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn),延伸梁板和柱板通過(guò)高強(qiáng)螺栓相互連接形成連接接頭,試驗(yàn)研究表明,該節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力。丁克偉等[15]提出一種帶牛腿承臺(tái)、通過(guò)高強(qiáng)螺栓將預(yù)制梁柱貫通連接的新型裝配式半鋼性節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)破壞主要集中于節(jié)點(diǎn)核心區(qū),預(yù)制柱端、牛腿部位均完好,滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)要求,整體承載能力較現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)提升,耗能性能優(yōu)良。

以上針對(duì)干式連接的研究中普遍存在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工精度要求高的問(wèn)題。黃延錚等[16]提出一種連接形式簡(jiǎn)單,通過(guò)設(shè)置角鋼的裝配式混凝土梁柱半剛性節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)梁端混凝土受到角鋼局部擠壓提前破壞,承載能力低于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),應(yīng)采取措施對(duì)梁端局部受壓區(qū)的混凝土進(jìn)行保護(hù),以提高其承載能力。李正英等[17]提出一種端板螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)形式,通過(guò)將梁中部的縱向受力鋼筋與水平鋼板進(jìn)行焊接,優(yōu)化了梁內(nèi)鋼筋與混凝土及節(jié)點(diǎn)端板的協(xié)調(diào)工作性,使節(jié)點(diǎn)試件的受力性能得到了提高。課題組在之前的研究中聚焦角鋼螺栓連接的干式拼接節(jié)點(diǎn)塑性階段力學(xué)性能,提出節(jié)點(diǎn)塑性階段等效轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的擬合公式,研究表明僅使用角鋼作為連接件的節(jié)點(diǎn)剛度弱,在下一步研究中應(yīng)采取措施加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度[18]。

綜上,角鋼連接的裝配式異形柱框架結(jié)構(gòu)兼具異形柱結(jié)構(gòu)室內(nèi)不突出柱楞、美觀適用和干式連接裝配式結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少、施工效率高的優(yōu)點(diǎn);但目前針對(duì)角鋼連接的裝配式混凝土異形柱框架節(jié)點(diǎn)研究較少,節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能還沒(méi)有公認(rèn)的簡(jiǎn)化模型,沒(méi)有應(yīng)用在整體結(jié)構(gòu)中研究。本文設(shè)計(jì)并制作了角鋼連接的裝配式異形柱框架節(jié)點(diǎn)足尺模型,進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn),研究節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理和力學(xué)性能參數(shù)。以此為基礎(chǔ),用有限元模擬的方法對(duì)不同參數(shù)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析,為角鋼連接的裝配式異形柱框架結(jié)構(gòu)在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

針對(duì)某裝配式異形柱框架結(jié)構(gòu)二層邊跨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模型試驗(yàn),設(shè)計(jì)柱截面為T形,尺寸為450×450,梁截面尺寸為200×400。設(shè)計(jì)并制作了3個(gè)足尺節(jié)點(diǎn)試件,考慮反彎點(diǎn)位置,取現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)試件JD1柱高3m,梁長(zhǎng)1.9m(圖1)。裝配式節(jié)點(diǎn)試件JD2和JD3梁柱截面及配筋與試件JD1相同,但梁柱構(gòu)件獨(dú)立且分別預(yù)制,并通過(guò)螺栓和角鋼連接,連接部位包裹10mm厚鋼板,避免混凝土在角鋼的擠壓下提前破壞,梁縱筋與梁端保護(hù)鋼板焊接錨固(圖2),角鋼尺寸為L(zhǎng)180×180×18,加勁肋厚16mm,選用6組直徑18mm的10.9級(jí)螺栓,拼裝時(shí)對(duì)螺栓施加預(yù)緊力120kN。根據(jù)預(yù)先進(jìn)行的分析,試驗(yàn)過(guò)程中柱損傷很小,且該裝配式節(jié)點(diǎn)易拆卸,因此試件JD3繼續(xù)沿用試件JD2的異形柱。

圖1 現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)試件尺寸及配筋

圖2 裝配式節(jié)點(diǎn)試件及角鋼尺寸

1.2 材料力學(xué)性能試驗(yàn)

澆筑6組邊長(zhǎng)為100mm的立方體試塊。試塊和試件在相同條件下養(yǎng)護(hù)28d以上,按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)對(duì)養(yǎng)護(hù)完成的混凝土試塊進(jìn)行材料試驗(yàn);試件中的鋼筋、連接角鋼、鋼板根據(jù)《金屬材料 室溫拉伸 試驗(yàn)方法》(GB/T 228.1—2010)對(duì)與試驗(yàn)試件選用鋼材同一批次的鋼筋和角鋼截取試樣,每種直徑鋼筋和鋼材各取3組試樣?；炷痢摻詈徒卿摬牧显囼?yàn)結(jié)果見表1～3。

表1 混凝土力學(xué)性能指標(biāo)

表2 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)

表3 角鋼力學(xué)性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)裝置與加載制度

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示,柱下端設(shè)置固定鉸支座,并用限位鋼板固定。柱頂千斤頂頂部設(shè)置有滑動(dòng)支座,設(shè)置側(cè)向支撐限制柱頂位移,柱頂約束近似于固定鉸,試驗(yàn)中所有約束均為了保證試件僅發(fā)生平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)試驗(yàn)軸壓比為0.2,按試件實(shí)際混凝土強(qiáng)度計(jì)算得到施加在柱頂?shù)妮S壓力為280kN,采用1 000kN油壓千斤頂施加軸壓力。在梁端設(shè)置25t級(jí)液壓伺服作動(dòng)器,施加豎直方向的低周反復(fù)荷載。位移計(jì)布置見圖4,位移計(jì)1、2、3分別測(cè)量柱底鉸支座、柱底端和節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的平面內(nèi)位移,側(cè)面的位移計(jì)4用來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的平面外位移,梁上距節(jié)點(diǎn)1/4跨度、1/2跨度和自由端處的位移計(jì)5、6、7測(cè)量梁的豎向位移。

圖3 試驗(yàn)加載裝置圖

圖4 位移計(jì)布置圖

試驗(yàn)開始前已對(duì)試件預(yù)先進(jìn)行了有限元模擬,基本確定了試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的屈服位移值。試驗(yàn)采用位移控制的加載方式:正式加載前,先進(jìn)行位移為1mm和2mm的預(yù)加載,每級(jí)加載一次,以檢驗(yàn)系統(tǒng)是否正常工作;結(jié)構(gòu)屈服前加載步長(zhǎng)為1mm,每次加載步循環(huán)一次,結(jié)構(gòu)屈服后加載步長(zhǎng)取預(yù)先模擬分析屈服位移值的1/2,每次加載步循環(huán)三次,直至試件任一方向的水平荷載降至極限荷載的85%,立即停止試驗(yàn)。試驗(yàn)約定以作動(dòng)器推梁端向下位移為正,反之為負(fù)。

梁、柱縱筋及各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值由應(yīng)變采集箱自動(dòng)采集,應(yīng)變片布置見圖5。

圖5 應(yīng)變片布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1.1 試件JD1的試驗(yàn)現(xiàn)象

位移加載至6mm時(shí),梁端底部出現(xiàn)受彎裂縫;位移加載至11mm時(shí),梁側(cè)面出現(xiàn)斜裂縫;位移加載至25mm時(shí),梁側(cè)面斜裂縫發(fā)展,柱節(jié)點(diǎn)區(qū)開始出現(xiàn)沿45°方向的斜裂縫,負(fù)向加載后形成X形交叉斜裂縫,梁節(jié)點(diǎn)端底部裂縫擴(kuò)寬,底部混凝土輕微掉渣;位移加載至35mm時(shí),試件梁柱結(jié)合面的施工冷縫脫開;位移加載至45mm時(shí),該后澆縫擴(kuò)寬至4mm;位移加載至55mm時(shí),梁側(cè)面豎向裂縫嚴(yán)重,混凝土保護(hù)層脫落,箍筋露出;位移加載至65mm時(shí),梁端底部混凝土壓潰脫落,鋼筋外露,但荷載仍然上升;位移加載至75mm時(shí),正向水平荷載降至最大荷載的85%,停止加載。試件裂縫分布見圖6(a),試件的破壞機(jī)制為梁端受彎破壞,如圖6(b)所示,節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了強(qiáng)柱弱梁的特征。

圖6 試件JD1試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1.2 試件JD2和JD3的試驗(yàn)現(xiàn)象

加載位移為5mm時(shí),試件JD2距梁端保護(hù)鋼板外側(cè)25cm處梁底率先出現(xiàn)細(xì)小的受彎裂縫,隨著荷載增加,裂縫沿梁側(cè)面由上下表面向中間發(fā)展;位移加載至11mm時(shí),梁側(cè)面受彎裂縫貫穿;隨著位移加載,梁端受彎裂縫持續(xù)增多。加載位移較小時(shí),角鋼與梁柱緊密貼合并無(wú)錯(cuò)動(dòng),位移加載至16mm時(shí),角鋼端部翹起,鋼板與角鋼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)開始凸顯,此時(shí)荷載-位移曲線不再是線性變化,梁底縱筋先于角鋼達(dá)到屈服應(yīng)力,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段;位移加載至26mm時(shí),伴隨作動(dòng)器的推拉,預(yù)制梁繞上下角點(diǎn)交替轉(zhuǎn)動(dòng),角鋼仍無(wú)錯(cuò)動(dòng),梁底混凝土與保護(hù)鋼板連接處出現(xiàn)明顯貫穿裂縫;此后,集中于保護(hù)鋼板以外的梁端彎曲裂縫持續(xù)發(fā)展,柱基本無(wú)破壞,如圖7(a)所示;位移加載至56mm時(shí),梁鋼板與角鋼之間出現(xiàn)1mm滑移;位移加載至66mm時(shí),梁端保護(hù)鋼板外底部混凝土壓潰脫落,鋼筋外露,形成塑性鉸,此時(shí)荷載仍處于上升階段;位移加載至76mm時(shí),正向的水平荷載降至極限荷載的85%,停止加載。試件的破壞表現(xiàn)為保護(hù)鋼板外側(cè)的梁端受彎破壞,如圖7(b)所示。試件JD2梁拆除后,角鋼、螺桿沒(méi)有肉眼可見的變形,換上試件JD3的梁,重復(fù)以上試驗(yàn)過(guò)程,試件JD3裂縫分布和破壞形態(tài)與試件JD2基本一致。

圖7 試件JD2試驗(yàn)現(xiàn)象

2.2 滯回曲線及耗能能力

3個(gè)試件的荷載-位移滯回曲線如圖8所示。三者有相同的特性:加載初期構(gòu)件處于彈性工作階段,荷載-位移呈線性關(guān)系,滯回環(huán)面積很小,幾乎沒(méi)有耗能和殘余變形;隨著裂縫的逐漸開展,試件進(jìn)入彈塑性階段,剛度下降,滯回環(huán)形狀逐漸趨于飽滿,呈現(xiàn)梭形,試件耗能能力開始增強(qiáng);進(jìn)入屈服階段后,滯回曲線由飽滿逐漸變?yōu)楸馄?由于連接鋼板與角鋼之間、螺栓與孔壁之間的滑移影響,導(dǎo)致曲線有明顯的“捏縮”現(xiàn)象,呈現(xiàn)反S形;由于反復(fù)荷載下結(jié)構(gòu)損傷累積,曲線斜率逐漸減小,節(jié)點(diǎn)剛度不斷退化,承載力持續(xù)下降。

圖8 滯回曲線對(duì)比

節(jié)點(diǎn)試件的耗能能力可以通過(guò)各加載等級(jí)第一個(gè)循環(huán)的耗能和計(jì)算等效黏滯阻尼系數(shù)來(lái)衡量。3個(gè)試件耗能變化趨勢(shì)見圖9,各階段的等效黏滯阻尼系數(shù)計(jì)算值見表4。

表4 各階段等效黏滯阻尼系數(shù)

圖9 單周耗能對(duì)比

由圖9和表4可以看出,3個(gè)試件的耗能變化趨勢(shì)基本一致,加載初期到混凝土開裂,試件處于彈性階段,滯回耗能能力較弱,等效黏滯阻尼系數(shù)很小。節(jié)點(diǎn)屈服后,等效黏滯阻尼系數(shù)有不同程度的增大,試件JD1為梁鉸耗能,試件JD2和JD3除了梁鉸耗能外,還有梁柱之間發(fā)生的相對(duì)滑移轉(zhuǎn)動(dòng)、螺栓與孔壁之間的滑移作用耗能,試件JD2、JD3耗能能力好于試件JD1。

2.3 骨架曲線及延性

3個(gè)試件的骨架曲線對(duì)比見圖10。初始階段,現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)試件JD1彈性階段剛度大于裝配式節(jié)點(diǎn)試件JD2、JD3,且試件JD1梁端混凝土失效就達(dá)到極限;角鋼和梁端鋼板對(duì)梁端混凝土有保護(hù)和加強(qiáng)作用,塑性鉸外移,試件JD2和JD3破壞時(shí)的力臂略小于試件JD1,致使裝配式節(jié)點(diǎn)的極限荷載大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),而且因?yàn)檫B接鋼板與角鋼之間、螺栓與孔壁之間的滑移,裝配式節(jié)點(diǎn)的極限位移也都大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

圖10 骨架曲線對(duì)比

采用R.PARK法確定構(gòu)件屈服點(diǎn),取加載荷載最大值作為試件承載力的峰值點(diǎn);取荷載下降到最大值的85%或構(gòu)件最終破壞時(shí)為極限點(diǎn)[19]。采用梁端加載處的位移延性系數(shù)來(lái)衡量構(gòu)件延性,3個(gè)試件的力學(xué)性能指標(biāo)見表5。由表5可知:裝配式節(jié)點(diǎn)比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)更早屈服,且裝配式節(jié)點(diǎn)破壞位移大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),延性系數(shù)更高。

表5 框架節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 試件的有限元模擬

利用有限元軟件ABAQUS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬,混凝土以及鋼連接件均采用C3D8R實(shí)體單元,鋼筋選用T3D2桁架單元并采用“embeded”的方式嵌入混凝土中。試驗(yàn)中所有元件的接觸面均為鋼材接觸,模擬分析采用“通用接觸”,法向?yàn)椤坝病苯佑|,切向?yàn)椤傲P”接觸,摩擦系數(shù)取0.3[20],螺栓預(yù)緊力采用“螺栓載荷”指定。柱底、柱頂和梁端分別耦合于參考點(diǎn)RP1、RP2和RP3,限制柱底只發(fā)生框架平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng),在柱頂耦合點(diǎn)RP2施加恒定軸壓力,梁端耦合點(diǎn)RP3施加豎向的反復(fù)荷載,有限元模型及加載示意見圖11?；炷帘緲?gòu)選用塑性損傷模型[21],鋼材采用雙折線彈塑性模型[22],材料的強(qiáng)度均按試驗(yàn)結(jié)果取值,采用與試驗(yàn)完全相同的加載制度施加低周反復(fù)荷載,得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖12。

圖11 有限元模型及加載示意圖

圖12 試驗(yàn)與有限元骨架曲線對(duì)比

由圖12可以看出,有限元模擬與試驗(yàn)曲線負(fù)向加載吻合良好。因此,ABAQUS建模分析方法能比較準(zhǔn)確地模擬試件的力學(xué)性能。

3.2 實(shí)際工程的框架節(jié)點(diǎn)有限元模擬

圖13為某村鎮(zhèn)建筑,三層異形柱框架結(jié)構(gòu)平面示意圖,按上述建模方式,對(duì)二層邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元建模,混凝土按設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30、鋼筋按設(shè)計(jì)型號(hào)取力學(xué)性能參數(shù)。建模完成后,在梁端施加低周反復(fù)荷載,得到現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)和裝配式節(jié)點(diǎn)的混凝土受拉損傷云圖、鋼筋應(yīng)力云圖,見圖14、15。

圖13 某三層村鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖14 混凝土受拉損傷云圖

圖15 鋼筋應(yīng)力云圖/MPa

由圖14、15可以看出,梁底鋼筋屈服前,現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)梁端受拉損傷較大,柱的節(jié)點(diǎn)區(qū)也有相當(dāng)大的應(yīng)力,而裝配式節(jié)點(diǎn)由于鋼板的保護(hù)作用,梁端混凝土受拉區(qū)外移,柱基本沒(méi)有損傷;裝配式節(jié)點(diǎn)梁底縱筋屈服點(diǎn)也外移,角鋼未屈服,節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震性能。

取梁底縱筋屈服作為框架節(jié)點(diǎn)彈性階段與屈服階段的分界點(diǎn),梁底和梁頂縱筋都屈服作為框架節(jié)點(diǎn)的峰值點(diǎn)。兩種節(jié)點(diǎn)的荷載-位移滯回曲線和骨架曲線如圖16、17所示,由圖可以看出,初始階段兩者基本重合,屈服點(diǎn)以前,現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的滯回曲線基本呈線性,是典型的剛性節(jié)點(diǎn),但裝配式節(jié)點(diǎn)在彈性階段的后期出現(xiàn)了折線段,為非線性彈性;裝配式節(jié)點(diǎn)的峰值荷載及其對(duì)應(yīng)的位移都大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

圖16 不同節(jié)點(diǎn)滯回曲線對(duì)比

圖17 不同節(jié)點(diǎn)骨架曲線對(duì)比

兩種節(jié)點(diǎn)的的剛度退化對(duì)比見圖18,可以看出,二者初始剛度幾乎相同,加載位移較小時(shí),剛度退化也基本一致;隨著位移的增加,裝配式節(jié)點(diǎn)剛度退化速度明顯大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),混凝土破壞后,剛度退化減緩。

圖18 不同節(jié)點(diǎn)剛度退化曲線對(duì)比

3.3 裝配式節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化分析模型

反復(fù)加載過(guò)程中,螺栓與孔壁之間的滑移使裝配式節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)半剛性特征,這種半剛性節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的框架內(nèi)力分布肯定有所不同。應(yīng)用SAP2000軟件進(jìn)行框架內(nèi)力分析,不僅可以通過(guò)截面特性修正系數(shù)對(duì)異形柱進(jìn)行等效代換[23],而且其中的非線性塑性連接單元(圖19),可以模擬半剛性節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性[24]。

圖19 非線性塑性連接單元示意圖

固定非線性塑性連接單元局部軸1、2、3軸平動(dòng)自由度以及局部軸1、2軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,將ABAQUS模擬得到節(jié)點(diǎn)加載梁端的荷載-位移骨架曲線轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)端的彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線(圖20),并輸入到局部軸3軸轉(zhuǎn)動(dòng)非線性連接屬性中,即可得到該裝配式節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化分析模型。需要注意的是角鋼連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心為預(yù)制梁節(jié)點(diǎn)端上下角點(diǎn),如圖21所示,其中θ為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角,u為角點(diǎn)水平位移,h為梁高,而SAP2000中默認(rèn)轉(zhuǎn)角為梁高度方向的中點(diǎn),所以輸入時(shí)需將轉(zhuǎn)角乘以2。

圖20 半剛性節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角骨架曲線

圖21 節(jié)點(diǎn)變形示意圖

在SAP2000中,將預(yù)制的梁和等效代換的柱通過(guò)簡(jiǎn)化的非線性塑性連接單元相連,分析在相同條件下的加載梁端荷載-位移滯回曲線,與已得到驗(yàn)證的ABAQUS分析結(jié)果對(duì)比見圖22。不難看出,加載梁端荷載-位移滯回曲線吻合良好,說(shuō)明SAP2000非線性塑性連接單元可以比較準(zhǔn)確地模擬得出該半剛性裝配式節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

圖22 不同分析軟件得出的滯回曲線對(duì)比

在SAP2000中,對(duì)圖13中所框選的一榀框架(紅色框線內(nèi))進(jìn)行非線性時(shí)程分析?？紤]8度多遇地震作用,框架彎矩包絡(luò)值見圖23,具體數(shù)值見表6、7。角鋼連接的裝配式異形柱框架結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有所不同,應(yīng)按照半剛性節(jié)點(diǎn)連接的整體框架內(nèi)力分析結(jié)果確定預(yù)制梁和柱的配筋?？紤]8度罕遇地震作用,各層層間位移角包絡(luò)值如圖24所示,裝配式結(jié)構(gòu)層間位移角明顯大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),但仍小于罕遇地震作用下層間位移角限值1/50,說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)能夠滿足高烈度區(qū)地震作用下的變形要求。

表6 現(xiàn)澆(裝配)節(jié)點(diǎn)框架梁彎矩包絡(luò)值/(kN·m)

表7 現(xiàn)澆(裝配)節(jié)點(diǎn)框架柱內(nèi)力包絡(luò)值

圖24 層間位移角對(duì)比

4 等同現(xiàn)澆的干式連接

角鋼連接的裝配式異形柱框架節(jié)點(diǎn)有半剛性特征,如果拼裝完成后,用灌漿料將梁柱預(yù)留的螺栓孔灌實(shí),按照相同的條件建模分析,梁底縱筋開始屈服的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖見圖25?？梢钥闯?封孔裝配式節(jié)點(diǎn)梁底鋼筋先于角鋼屈服,節(jié)點(diǎn)仍然是梁鉸破壞機(jī)制。

圖25 封孔裝配式節(jié)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力云圖/MPa

封孔裝配式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)荷載-位移滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線對(duì)比見圖26?？梢钥闯龆吖羌芮€基本重合,說(shuō)明封孔裝配式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有相同的初始剛度和退化趨勢(shì)。封孔裝配式節(jié)點(diǎn)的承載力和退化剛度都略大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),這是因?yàn)榱憾思恿吮Ｗo(hù)鋼板的緣故。以上結(jié)果表明封孔裝配式節(jié)點(diǎn)在抗震性能上“等同現(xiàn)澆”。

圖26 封孔裝配式節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能對(duì)比

5 結(jié)論

針對(duì)角鋼連接的裝配式異形柱框架邊節(jié)點(diǎn),用擬靜力試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究了它的抗震性能,并與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比,得出以下結(jié)論:

(1)角鋼連接的裝配式異形柱框架節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有相同的梁鉸破壞機(jī)制。裝配式節(jié)點(diǎn)的梁端因?yàn)楸Ｗo(hù)鋼板的作用塑性鉸向跨中方向外移,梁端塑性鉸出現(xiàn)時(shí),柱損傷比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)小,角鋼、螺桿無(wú)明顯變形。

(2)角鋼加螺栓的干式連接,使裝配式節(jié)點(diǎn)因梁柱之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和螺栓與孔壁之間的滑移作用呈現(xiàn)半剛性特征,剛度小于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),延性系數(shù)和耗能能力略優(yōu)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

(3)根據(jù)ABAQUS建模分析的荷載-位移滯回曲線和骨架曲線,提出了半剛性節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化模型,可用于在SAP2000中分析整體結(jié)構(gòu)。分析結(jié)果表明:角鋼連接的裝配式異形柱框架,結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有所不同,應(yīng)按照半剛性節(jié)點(diǎn)連接的整體框架內(nèi)力分析結(jié)果確定預(yù)制梁和柱的配筋;罕遇地震作用下裝配式結(jié)構(gòu)層間位移角大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),但仍滿足層間位移角限值。

(4)將螺栓孔灌實(shí)的角鋼連接的裝配式異形柱框架節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能幾乎相同,可以認(rèn)為封孔裝配式節(jié)點(diǎn)“等同現(xiàn)澆”。