裝配式混凝土框架鉤掛式中柱節點的數值模擬研究

常中權　李松波　谷偉

摘? 要：通過裝配式混凝土框架鉤掛式中柱節點的前期試驗數據，利用ANSYS軟件構建模型并進行有限元分析。通過對多種參數進行調試和低周往復荷載模擬，得出與實際試驗相似的結果。結果表明，摩擦系數、裂縫系數、本構關系、約束、邊界條件和接觸對等參數是試驗重點調節的數據，通過不斷調試這些參數，得出與試驗相一致的試驗結果。通過非線性數值模擬得到相近的最不利點，研究最不利點對實際構件有一定的指導作用，由此變換構件樣式或參數，降低最不利點的不利影響。

關鍵詞：裝配式混凝土? 中柱節點? 數值模擬? ANSYS

中圖分類號：TU352.11;TU375.4? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0052-04

Abstract： Based on the preliminary test data of hook-and-hang typed midcolumn joints for prefabricated concrete frame， the model is built and the finite element analysis is carried out by using ANSYS software. By debugging various parameters and simulating low cycle reciprocating load， the results are similar to the actual test. The results show that the friction coefficient， crack coefficient， constitutive relation， constraint， boundary condition and contact equivalent parameters are the key adjustment data for the test. By continuously adjusting these parameters， the test results consistent with the test are obtained. The most unfavorable points are obtained by nonlinear numerical simulation. The research on the most unfavorable points has a certain guiding role for the actual components， so as to change the component styles or parameters， and reduce the adverse effects of the most unfavorable points.

Key Words： Prefabricated concrete; Midcolumn joints; Numerical simulation; ANSYS

裝配式建筑的研究應用，得益于我國城鎮化建設的發展與可持續戰略的部署[1]。裝配式的梁柱節點連接形式是裝配式混凝土框架結構研究的重點，谷偉? ? ? 等[2]提出了一種鉤掛式連接節點形式，設計并制作了5個不同對比參數的節點試件，開展低周往復試驗研究，分析了試件關鍵部位的鋼筋和混凝土應變、延性系數、滯回曲線、承載能力和破壞形態。結果表明， 鋼筋鉤掛連接處的應變速率變化趨勢大體均勻，隨荷載增加，應變數值增大，表明節點能有效傳遞內力，工作性能良好。節點試件骨架曲線走勢基本一致，表明節點具有良好的耗能能力和延性性能;試件節點的薄弱部位是在混凝土后澆區與預制節點邊梁接縫處，此處容易發生破壞，節點核心區基本完好， 延性系數較高，滯回曲線較為飽滿，符合強節點抗震設計理念。

1? 模型參數

1.1 試件參數

如圖1所示[2]，根據文獻[2]的試件設計，為十字形梁柱組合體，本模型選取其中典型的XGJ-2試件進行模擬，橫截面尺寸為b×h=0.2m×0.4m，梁段一端的跨度為L=0.7m，梁的上部縱筋為2φ18，下部縱筋為3φ20，預制混凝土強度等級為C30，后澆區混凝土強度等級為C35，箍筋采用φ8@100，鋼筋保護層厚度為0.04m。

1.2 材料性能

通過文獻[2]對模型試件的鋼筋材料和混凝土試塊實測的力學性能指標，得到C30和C35混凝土的彈性模量分別為31300 MPa和31600 MPa，鋼筋的實測結果如表1所示;再根據《混凝土結構設計規范》（GB/T 50010—2010）的相關規定，將混凝土受拉壓的本構關系進行推算，結果如圖2和圖3所示。

1.3 模擬加載方案

本模型利用ANSYS有限元分析軟件，對鋼筋混凝土結構進行分離式建模[3]，對試件XGJ-2的建模步驟如下。

（1）打開軟件，進入前處理器，分別定義箍筋、上部縱筋、下部縱筋為LINK8的單元類型，定義預制砼、后澆砼為SOLID65的單元類型。

（2）根據相應鋼筋的截面積，填寫實常數，并且賦予混凝土一個空的實常數，便于后期材料參數的指定。

（3）定義材料屬性，根據文中給出的圖表，分別為三種鋼筋設置相應的彈性模量、泊松比、屈服強度;再為預制砼與后澆砼設置相應的彈性模量、泊松比、密度、本構關系;剪切傳遞系數中，開縫系數設置為0.4，閉縫系數為0.95[4];單軸抗拉強度根據圖表設置;為了便于計算收斂，不考慮壓碎情況，將單軸抗壓強度設為-1[5]。

（4）在相應的單元類型、材料、實常數的編號之下，分別將各個部件，按模型尺寸繪制出來，如圖4所示。

（5）對模型進行單元網格劃分，對預制砼與后澆砼接觸位置網格細化，對梁端和構造柱的位置網格粗化，以優化模型計算。

（6）設置好約束、邊界條件、接觸對，施加低周往復荷載。將柱頂設置三維方向位移約束，為了避免局部出現應力集中，將1500kN的恒定軸壓力平均分散到柱頂的每個節點上;柱底設置約束，（按圖4）只留Z方向彎矩自由度。左右梁端實施往復拉壓加載，加載點距離柱邊緣0.6m，同時把集中力平分到每個節點上;為了便于計算和貼近實際操作，設置以5kN為級差加載，每級加載循環兩次，循環一次用時2s，試件加載到梁縱筋剛好承受120kN（試驗屈服點）時，改用位移控制加載，以2mm為級差加載，每級加載循環兩次，當加載到10mm后，設定為結束條件。

2? 數據對比

通過后處理，得到相應的模擬數據。如圖5（a）（b）所示，試件右邊梁的破壞模擬形態與實際相類似，破壞位置均發生在梁柱節點到預制-后澆接縫處，裂縫分割出三塊區域：左區、右區和中下區。其中，左區壓碎程度嚴重，中下區次之，右區較輕，這與Mises等效應力分布圖反映的情況相一致。在模擬加載T=20s時，第一道裂縫開始出現在左區，隨著時間的步進，開始慢慢在中下區出現裂縫，在模型加載到T=95s時，形成最終的裂縫形態，此時應力分布云圖中的縱筋位置已達到屈服強度，這與現實構件的試驗現象類似。

如圖5（c）（d）所示，模擬的滯回曲線為弓形，而實際試驗的滯回曲線為捏縮較大的Z形，模擬的滑移影響要比試驗的影響小，也比試驗的形狀飽滿，塑性變形能力也較強，節點低周反復荷載試驗研究性能較好，能較好地吸收地震能量[6]。表明構造的模型與實際構造的鋼筋混凝土構件試驗還存在未知的情況，比如實際的混凝土構件并不一定是平整的輪廓，鋼筋的布置也不會是完全筆直的排布，這些都是不可避免的差距。然而，模型與中柱試件的骨架曲線與實際的曲線相一致，表明對實際試驗的模擬，可以得到相近的最不利點，通過最不利點展開研究，對實際的構件起到了一定指導作用，由此變換構件樣式或參數，降低最不利點的不利影響。

3? 結語

（1）通過Mises等效應力分布圖、裂縫視圖、滯回曲線等模擬數據，結合試驗得到對比組圖，由組圖對比可知，通過比較貼近現實的有限元分析，可以得出相似的結論，但由于實際構造的鋼筋混凝土構件試驗存在未知情況，導致仿真與現實存在差距。

（2）摩擦系數、裂縫系數、本構關系，以及約束、邊界條件和接觸對參數是試驗重點調節的數據，通過不斷調試這些參數，得出與試驗相一致的試驗結果。

（3）如果模擬方法正確，各種參數設置適當，會得到貼近現實的效果。通過模擬得到相近的最不利點，研究最不利點對實際構件有一定的指導作用，由此變換構件樣式或參數，降低最不利點的不利影響。最終，結合實際施工的可行性，可以進一步深化，得到更為適合的構件樣式。

參考文獻

[1] 常中權，李松波，谷偉.裝配式混凝土結構抗震研究綜述[J].科技創新導報，2019（7）：39.

[2] 谷偉，張馨心，李中培，等.裝配式混凝土框架鉤掛式中柱節點抗震性能研究[J].建筑結構，2019， 49（11）：33-37.

[3] 楊超.基于ANSYS的鋼筋混凝土簡支梁有限元分析[J].江西建材，2016（24）：15.

[4] 于冬，唐洪巖，馬文一，等.基于ANSYS的CRTSⅢ型軌道底座板混凝土施工裂縫分析[J].鐵道科學與工程學報，2019（8）：1897-1904.

[5] 李霆，張慎，徐子豪，等.帶分段式連梁的鋼筋混凝土聯肢剪力墻擬靜力試驗及數值模擬[J].土木工程學報，2020（4）：38-49.

[6] 孫章騰，雷勁松.半剛性節點連接鋼框架的抗震性能研究[J].平頂山學院學報，2016（2）：34-38.