基于ABAQUS的裝配式結構新型節(jié)點抗震性能研究

桂文祥 蔡潔 徐琪

［收稿日期］20211119

［基金項目］國家重點研發(fā)計劃“科技助力經濟2020”重點專項項目（2020ZLSH08）

［第一作者］桂文祥（1996-），男，湖北荊門人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為裝配式混凝土結構

［文章編號］1003-4684（2023）02-0074-05

［摘要］基于新型裝配式節(jié)點（PPEFF節(jié)點）擬靜力試驗，用有限元軟件ABAQUS對PPEFF節(jié)點進行有限元非線性分析。得到的滯回曲線與試驗滯回曲線吻合良好，說明該有限元模型能夠較好地模擬節(jié)點的受力狀態(tài)。在此基礎上，研究混凝土強度等級、軸壓比、箍筋配箍率等相關參數(shù)對PPEFF節(jié)點抗震性能的影響。結果表明：混凝土強度等級對節(jié)點承載力的影響較為明顯，軸壓比對節(jié)點承載力的影響較小，而箍筋配箍率對節(jié)點承載力影響不明顯。

［關鍵詞］PPEFF節(jié)點； 擬靜力試驗； ABAQUS； 有限元非線性分析； 抗震性能

［中圖分類號］TU37? ［文獻標識碼］A

裝配式建筑憑借其較好的施工效率、工期較短、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點，在目前的建筑中廣泛應用，大力發(fā)展裝配式建筑也有利于促進我國建筑工業(yè)化。然而，在國內外的震害中，裝配式建筑破壞較為嚴重的區(qū)域往往在節(jié)點核心區(qū)，節(jié)點核心區(qū)的嚴重破壞使節(jié)點失去了承載能力，從而導致結構破壞。因此，對于裝配式結構節(jié)點的研究十分必要。

現(xiàn)階段，裝配式混凝土結構中梁和柱之間的連接方式有干式連接和濕式連接兩種[1]。干式連接是指在現(xiàn)場不需要現(xiàn)澆混凝土或者用灌漿材料連接的方式，而是通過螺栓、焊接或者預應力等方式將節(jié)點連接起來。常見的干式連接有預應力連接、牛腿連接、螺栓連接等。濕式連接是指預制構件之間采用現(xiàn)場現(xiàn)澆混凝土或灌漿材料的連接方式，濕式連接現(xiàn)場存在大量的濕作業(yè)，施工效率較低，內部鋼筋多采用套筒連接，連接質量可控性不足。而干式連接憑借施工便捷以及更高的效率逐漸成為現(xiàn)在的研究熱點[2]。在干式連接方法中，后張預應力連接具有殘余變形小，震后損傷小以及自復位能力好的特點，但相關研究發(fā)現(xiàn)：該連接方式的結構耗能能力不足[3-4]。張錫冶等[5]通過對4個鋼混凝土預制混合梁試件進行低周往復試驗，通過對試件的破壞模式、受力過程以及受力機理的研究發(fā)現(xiàn)：試件在整個加載過程中保持了較好的整體性，而混凝土與鋼梁段連接處的破壞相對嚴重，自復位性能以及震后恢復性能較差。Morgen等[6]提出一種安裝有阻尼器的裝配式節(jié)點，對節(jié)點進行擬靜力試驗。研究表明該節(jié)點具有較好的耗能能力，但是由于阻尼器的安裝會對預制構件的制造與安裝要求更高，提高了施工難度，不利于施工效率的提升。

在以上現(xiàn)狀的基礎上，提出一種后張無粘結預應力裝配式節(jié)點，分析了混凝土強度等級、軸壓比、箍筋配箍率等相關參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響，為PPEFF節(jié)點的推廣提供支持。

1??? 試驗概況

1.1??? 試驗設計及制作

本文設計5個PPEFF節(jié)點足尺試件，梁截面尺寸為300 mm×600 mm，梁長1800 mm，柱截面尺寸為500 mm×500 mm，柱長2600 mm，梁柱混凝土等級均為C40，梁柱均采用HRB400級鋼筋。其余參數(shù)見表1。

試驗采用的PPEFF節(jié)點柱在工廠預制，梁為疊合構件，梁下400 mm為工廠預制，梁上200 mm為現(xiàn)場現(xiàn)澆。梁柱中心均預留預應力孔道，梁上部耗能鋼筋和抗剪鋼筋均通過柱內預埋的直螺紋套孔與柱連接，同時，耗能鋼筋靠近柱端用PVC管與熱縮管做無粘結處理。梁和柱使用無粘結預應力筋使其連接成為一個整體。節(jié)點無粘結段構造及節(jié)點試驗如圖1所示。

1.2??? 加載制度

1）試驗采用力位移混合控制加載方式。節(jié)點屈服前，加載裝置采用荷載控制，采用屈服荷載Pcr為控制荷載，加載值分別為0.5Pcr、0.7Pcr、Pcr，且每級循環(huán)一次。節(jié)點屈服后，加載裝置采用位移控制，記屈服荷載對應的位移為△，以n△（n=1，2，3，…）的梁端位移進行加載，每級位移循環(huán)2次。試驗加載程序如圖2所示。

2）當骨架曲線荷載已逐漸低于極限荷載的85%或試件破壞試驗結束加載。

1.3??? 試驗結果

通過對5組試件的能量耗散系數(shù)對比得出，隨著梁端位移作用的增大，5組試件的耗能能力均有不同程度的提高，在同級位移作用下JD2的耗能能力均強于其他4組節(jié)點，這是由于無粘結段長度適中時，耗能鋼筋的剛度比較理想，其所承受的應力能較快地達到屈服強度，且不會過早達到極限強度，有利于試件耗散更多能量[7]。

2??? 有限元模型建立

2.1??? 簡化及假定

為了使有限元分析更加準確，與實際試驗符合良好，采用以下基本假設：

1）假設梁預制部分與現(xiàn)澆部分混凝土粘結良好，能夠共同受力，協(xié)調變形；

2）假設耗能鋼筋、抗剪鋼筋與混凝土協(xié)調變形（除耗能鋼筋無粘結段外），無相對滑移[7]。

2.2??? 材料本構模型

混凝土塑性損傷模型能夠較好的模擬出混凝土的非線性行為。為提高模擬的精確性，需考慮試件在往復荷載作用下的累計損傷，混凝土的塑性損傷模型如圖4所示。

鋼筋的本構關系采用雙折線模型，鋼材屈服前的應力—應變關系為斜直線，E0為屈服前的彈性模量，Es為屈服后的彈性模量，鋼筋的本構曲線如圖5所示。由于本節(jié)點采用預應力鋼絞線，鋼絞線無明顯的屈服點，為計算方便，預應力鋼絞線采用線彈性本構模型，其本構曲線如圖6所示。

2.3??? 單元選用及網格劃分

混凝土建模時采用三維實體單元，耗能鋼筋和抗剪鋼筋采用實體單元建模，箍筋和預應力筋采用桁架單元建模。

在網格劃分方面，既要考慮模擬精度又要考慮計算效率，網格尺寸過大，將會導致有限元計算結果與實際試驗結果相差較大，網格尺寸過小，將會導致有限元計算效率降低。因此，選取合適的網格尺寸至關重要。通過對本節(jié)點模型不斷試算，取混凝土梁和柱的網格尺寸為50 mm，耗能鋼筋、抗剪鋼筋網格尺寸為10 mm，預應力筋網格尺寸為230 mm，柱內縱筋網格尺寸為260 mm，梁縱筋網格尺寸為180 mm，梁、柱箍筋網格尺寸為25 mm。

2.4??? 邊界條件及加載

為更好模擬節(jié)點在實際試驗中的受力狀態(tài)，約束有限元模型節(jié)點柱端平動位移，使模型柱端的邊界等同鉸接。節(jié)點模型預應力采用降溫法施加，在梁端施加往復荷載，加載采用力—位移混合控制。

3??? 有限元計算結果驗證

試件JD2有限元模型模擬的滯回曲線與實際試驗對比如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)在加載初期，兩條曲線剛度基本重合，有限元曲線與實際試驗曲線基本重合，誤差在可接受范圍之內，可見本文所采取的有限元建模方法是有效可行的（試件JD1、JD3、JD4、JD5實測滯回曲線與有限元模擬滯回曲線基本吻合）[8]。下文有限元變參數(shù)分析均以JD2為基礎，通過改變相關參數(shù)來探究對PPEFF節(jié)點抗震性能的影響。

4??? 有限元變參數(shù)分析

4.1??? 混凝土強度等級

本文在已經建立的PPEFF節(jié)點模型基礎上，以JD2為原模型，通過改變混凝土的本構模型來模擬不同混凝土強度等級對PPEFF節(jié)點抗震性能的影響，本文選取混凝土強度等級為C40、C50、C60的PPEFF節(jié)點模型分析不同混凝土強度等級對節(jié)點滯回曲線和骨架曲線的影響。

不同混凝土強度等級下三組PPEFF節(jié)點試件的滯回曲線如圖8所示。由圖8滯回曲線可以看出，在位移作用較小的階段，混凝土強度等級對PPEFF節(jié)點影響不大，曲線斜率基本相同，隨著梁

端位移作用的增大，混凝土強度等級越高，滯回曲線所圍的面積越大，耗能越強，可見混凝土強度等級在一定程度上可以提高節(jié)點的耗能能力。

不同混凝土強度等級下PPEFF節(jié)點的骨架曲線如圖9所示。

通過圖9三組不同混凝土強度等級節(jié)點的骨架曲線對比可以看出，在位移作用較小的階段，三組試件的骨架曲線基本重合，混凝土強度等級在這一階段對節(jié)點承載力影響不大，但是隨著梁端位移作用逐步加大，三組試件骨架曲線發(fā)生明顯變化，可以看出隨著混凝土強度等級的提高，節(jié)點承載力加大，混凝土強度等級對節(jié)點承載能力有較大影響。

4.2??? 軸壓比

在已建立的PPEFF節(jié)點模型基礎上，以JD2為原模型，通過改變柱頂軸壓力來模擬不同軸壓比對PPEFF節(jié)點抗震性能的影響。本文選取軸壓比為0.2、0.3、0.4的PPEFF節(jié)點模型來分析在不同軸壓比情況下節(jié)點滯回曲線和骨架曲線情況。

不同軸壓比下三組PPEFF節(jié)點試件的滯回曲線如圖10所示。由圖10滯回曲線可以看出：

1）在力控制階段，三組試件的滯回環(huán)面積較小，耗能性能較差，進入位移控制階段時，三組試件處于彈塑性變形階段，隨著梁端位移作用不斷增大，滯回環(huán)所圍的面積增大，試件耗能能力增強。

2）三組試件軸壓比分別為0.2、0.3、0.4，但三組試件滯回曲線所圍面積基本一致，說明軸壓比對節(jié)點耗能能力影響不大。

PPEFF節(jié)點不同軸壓比下的骨架曲線如圖11所示。

由圖11的骨架曲線可以看出：

1）在彈性階段，三組試件骨架曲線基本重合，在節(jié)點屈服時，骨架曲線出現(xiàn)明顯變化，軸壓比為0.3和0.4的試件屈服荷載明顯高于軸壓比為0.2的試件，說明提高節(jié)點軸壓比可以一定程度上提高節(jié)點屈服荷載。

2）節(jié)點屈服后，三組試件骨架曲線出現(xiàn)明顯差異，三組試件峰值荷載隨著軸壓比的增大而變大，說明軸壓比對節(jié)點峰值荷載的影響不大。

4.3??? 箍筋配箍率

本文在已建立的PPEFF節(jié)點模型基礎上，以JD2為原模型，通過改變箍筋配箍率來模擬不同箍筋配箍率對PPEFF節(jié)點抗震性能的影響。本文選取箍筋配箍率為0.34%、0.52%、0.75%的PPEFF節(jié)點模型來分析不同箍筋配箍率對節(jié)點滯回曲線和骨架曲線的影響。

不同箍筋配箍率下三組PPEFF節(jié)點試件的滯回曲線如圖12所示。

由圖12滯回曲線可以看出：

1）三組試件在試驗加載初期，滯回曲線切線斜率基本相同，節(jié)點剛度變化不大，三組試件在不同配箍率情況下滯回曲線飽滿度基本相似，說明三組試件耗能能力差別不大。

2）隨著配箍率的增加，試件的滯回曲線下降段變得更為緩慢，但總體而言，配箍率對三組試件滯回曲線形態(tài)影響不明顯[9]。

3）配箍率為0.34%和0.52%時，節(jié)點滯回曲線在位移為60 mm時達到峰值荷載，隨后荷載出現(xiàn)下降，而隨著配箍率提高到0.72%，節(jié)點滯回曲線在位移為40 mm時達到峰值荷載，隨后荷載出現(xiàn)下降，說明提高節(jié)點配箍率能提前使節(jié)點達到極限承載力。

PPEFF節(jié)點不同配箍率下的骨架曲線如圖13所示。

由圖13的骨架曲線可以看出：

1）不同配箍率的節(jié)點在彈性階段剛度基本相同，節(jié)點屈服荷載相同，隨著梁端位移作用的增大，節(jié)點承載能力逐漸增大。

2）隨著節(jié)點配箍率的增加，試件的承載力都在增大，配箍率為0.52%時節(jié)點承載力較配箍率為0.34%提高了0.84%，配箍率為0.75%時節(jié)點承載力較配箍率為0.34%提高了4.2%，可見提高節(jié)點配箍率對節(jié)點承載力影響不明顯。

5??? 結論

通過對PPEFF節(jié)點的試驗研究、有限元非線性分析，得出以下結論：

1）通過對5組試件進行低周往復試驗得出：當耗能鋼筋配筋率為0.34%且無粘結段長度為200 mm時，節(jié)點耗能能力較強。

2）通過有限元滯回曲線與實際試驗滯回曲線對比可知本文所采取的有限元建模方法有效可行，能較好地模擬節(jié)點在地震作用下的受力狀態(tài)。

3）混凝土強度等級能提升節(jié)點的承載能力，混凝土強度等級越高，節(jié)點承載力越大。

4）軸壓比在一定程度上可以提高節(jié)點承載力，但影響不大。箍筋配箍率對節(jié)點承載力影響不明顯。

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Study on Seismic Performance of New Joints of Fabricated Structures based on ABAQUS

GUI Wenxiang，CAI Jie，XU Qi

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.，of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract： Based on the quasi static test of a new type of fabricated joint （PPEFF joint）， the finite element nonlinear analysis of PPEFF joint is carried out by using the finite element software ABAQUS. The obtained hysteretic curve is in good agreement with the experimental hysteretic curve， which shows that the finite element model can better simulate the stress state of the joint. On this basis， the effects of concrete strength grade， axial compression ratio and stirrup ratio on the seismic performance of PPEFF joints are studied. The results show that the influence of concrete strength grade on the joint bearing capacity is obvious， the influence of axial compression ratio on the joint bearing capacity is small， and the influence of stirrup ratio on the joint bearing capacity is not obvious.

Keywords：PPEFF joint; quasi static test; ABAQUS; finite element nonlinear analysis; seismic performance

［責任編校： 裴琴］