裝配式預應力梁柱節(jié)點抗震性能分析

單豪良

摘 要：為促進建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化，進行預制裝配式剪力墻結構中間層邊節(jié)點的抗震性能試驗研究。對2個現(xiàn)澆試件和3個預制裝配試件進行ANSYS理論分析，考慮到有限元方法的局限性，分析采用正向單調加載模式，并結合對比試驗結果來近似評價節(jié)點在低周反復荷載作用下的抗震性能。有限元分析結果與實測結果能較好地吻合，可用來評價其抗震性能。

關鍵詞：預制混凝土；剪力墻；節(jié)點抗震；有限元方法

【文章編號】1627-6868（2016）05-0010-03

Abstract： To promote building and housing industrialization， seismic behavior test was carried out for new precast concrete shear wall structures（PC）. Theoretical analysis was done using ANSYS with two cast- in- situ and three PC specimens. Considering the limitation of finite element method，monotonic load mode was adopted to approximately evaluate the seismic behavior of joints under low-cyclic reversed load. The finite elementanalysis result agrees well with the test and can be used for evaluating the seismic behavior.

Keywords： precast concrete； shear walls； joints seismic； finite element method

引言

近年來，在國家大力倡導“低碳經(jīng)濟”、“綠色建筑”概念的驅使下，建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化工作在全國范圍進行普遍推廣。裝配式混凝土結構是建筑工業(yè)化的一種重要形式，同時，由于剪力墻結構的多種優(yōu)越性，而在我國面廣量大的住宅建筑中得到了大量采用，因此，兩者相結合所形成的裝配式混凝土剪力墻結構成為我國當前的研究熱點。預制混凝土剪力墻單元通過局部現(xiàn)澆、主要墻豎向鋼筋預留金屬波紋管漿錨連接以及梁、板疊合澆，形成整體的型預制裝配式剪力墻結構（Precast Concrete，以下簡稱PC）是適應我國國情的種住宅結構形式。

預制混凝土剪力墻構件豎向受力鋼筋連接技術是直接決定裝配式混凝土剪力墻結構整體抗震能力的關鍵，多種連接技術包括漿錨搭接連接、 套筒灌漿連接等的裝配式混凝土剪力墻構件的抗震性能成為當前主要的研究內容， 國內開展了大量相關試驗及理論研究， 積累了一定成果和經(jīng)驗[1-6]。但目前，對波紋管漿錨搭接連接技術的新型混凝土混合裝配式結構研究較少。特別是關于波紋管漿錨搭接連接技術的新型混凝土混合裝配式結構的有限元模擬計算未見相關研究。

1.有限元介紹

低周反復荷載試驗涉及到混凝土的開裂以及裂縫閉合、混凝土局部壓碎、鋼筋的包辛格效應、鋼筋與混凝土之間的黏結退化以及混凝土和鋼筋的應力剛化等非線性及塑性因素， 目前仍然沒有一個有限元軟件能精確模擬出結構在低周反復荷載作用下的受力全過程。

本文在兼顧計算精度和效率的基礎上，結合有限元分析軟件ANSYS，并從節(jié)點低周反復荷載試驗的骨架曲線出發(fā)，即僅模擬節(jié)點的正向單向加載，直至破壞，以此對節(jié)點破壞全過程進行近似分析，分析認為，只要彈性階段有限元計算得到的荷載-位移曲線與骨架曲線逼近， 即可認為該模型能足夠準確反映節(jié)點的實際受力狀態(tài)，可作為代表性模型，并以此模型探討PC節(jié)點構造優(yōu)化。

2.有限元模型建立

由于模型僅考慮彈性階段的精確性， 因此不考慮鋼筋與混凝土的黏結滑移；試驗中新老混凝土強度等級一致并都經(jīng)過了足夠長時間的養(yǎng)護期，且全部試驗均未發(fā)現(xiàn)新老混凝土界面滑移和破壞，并且預制、后澆混凝土強度相差1MPa，為方便建模，不考慮兩部分混凝土齡期和強度差異的影響；同時由于墻梁以及板內配筋比較均勻，混凝土單元采用帶筋的Solid65單元，建立現(xiàn)澆試件的整體式模型 混凝土本構關系采用多線性等向強化模型MISO，不考慮其抗拉強度，抗壓應力-應變曲線采用混凝土結構設計規(guī)范（GB50010-2010）附錄推薦單軸受壓的應力-應變曲線數(shù)學模型，并根據(jù)實測混凝土極限抗壓強度標定其中所需參數(shù)，破壞準則采用 Willam-Warnker五參數(shù)準則，不考慮混凝土壓碎 鋼筋本構關系采用雙線性隨動強化模型BKIN，抗拉強度采用實測值，應力-應變曲線屈服后為水平段，即不考慮鋼筋屈服后強化，可近似考慮包辛格效應。

由于ANSYS workbench支持外部模型導入，本文分析模型的幾何模型建立主要AutoCAD中完成，CAD中的三維模型如圖2所示。在中將試驗構件分成梁、柱、砂裝和預應力筋四塊實體，其中梁柱材料類型為混凝土，忽略掉其中普通鋼筋的作用；在梁柱、砂裝實體中開洞，洞口直徑略大于預應力筋的直徑，在導入CAD后，取消梁柱、砂漿和鋼筋之間系統(tǒng)默認的接觸面，從而實現(xiàn)預應力筋無粘結性能的模擬；在加載、施加約束以及鋼筋筋兩端設置剛性塾板，以防止應力集中。

3.計算結果分析比較

骨架曲線表征節(jié)點恢復力與變形的關系以及在低周反復荷載作用下的變形過程， 是節(jié)點抗震性能的重要體現(xiàn)。現(xiàn)澆試件以及PC試件試驗實測骨架曲線與有限元計算曲線的對比見圖4

由圖4可以看出，初始階段即屈服前，節(jié)點處于彈性階段塑性未充分發(fā)展，節(jié)點非線性因素不明顯，有限元計算曲線能較好地吻合實測曲線；至加載后期即屈服后，特別是接近極限荷載時，隨著混凝土開裂加劇和局部壓碎 節(jié)點附近受拉鋼筋與混凝土黏結退化鋼筋處于反復拉壓狀態(tài)的包辛格效應等各類非線性和塑性因素的影響越來越顯著，而這些因素對節(jié)點承載力都有一定的削弱作用，雖然實際鋼筋的應變硬化理論上可繼續(xù)提高節(jié)點承載力，但綜合各種因素，提高幅度非常有限，表現(xiàn)在圖4中屈服后骨架曲線較平緩。另一方面，有限元模型沒有考慮鋼筋的應變硬化，僅是對鋼筋的包辛格效應的一種近似考慮，仍然不能充分考慮前述各因素對節(jié)點承載力的影響，因此，屈服后有限元計算值仍有較多提高，表現(xiàn)在圖4中計算曲線較實測曲線有一較陡 較長的上升段， 造成有限元計算值較實測值偏大 但是， 計算曲線的整體趨勢和實測曲線一致 可以用單調加載下的荷載-位移曲線來近似評價節(jié)點在低周反復荷載作用下的受力性能。

特征荷載實測值與有限元計算值的對比見表1。

4.結論

節(jié)點屈服荷載有限元計算值與實測值較接近，而極限荷載分別提高了約30%和50%，說明低周反復荷載作用下對節(jié)點極限承載力影響較大，而對節(jié)點屈服荷載影響不大。

極限荷載有限元計算值與實測值比較的平均誤差現(xiàn)澆試件為49%，大于PC試件的29.63%。分析認為，加載后期更靠近截面中部的連接鋼筋開始發(fā)揮作用，使得PC試件屈服后實測承載力得到較現(xiàn)澆試件更大的提高。

PC試件較現(xiàn)澆試件屈服荷載極限荷載分別提高了約31.9%和23.2%，但是，由于連接鋼筋的存在，用鋼量比現(xiàn)澆試件高，但相對于試件承載力的提高來說用鋼量增加不大，并可通過工業(yè)化制作與安裝效率的提高來降低造價。

參考文獻

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