沈 華 翁大根 沈宏生
(1.同濟(jì)大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)工程系,上海200092;2.南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,南通226007;3.南通三建集團(tuán),海門226100)
隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑行業(yè)面臨著勞動(dòng)力短缺、人工成本快速上升的問題,同時(shí),傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造模式也與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出。為解決這些問題,促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí),我國各級(jí)政府出臺(tái)了一系列扶持政策,以加快建筑工業(yè)化,大力推廣裝配式建筑。預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件質(zhì)量好、施工高效、節(jié)省模板和勞動(dòng)力的優(yōu)勢(shì),在各類建筑中應(yīng)用廣泛[1-4]。但是,傳統(tǒng)濕式預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)仍然需要現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土,施工復(fù)雜,連接部位鋼筋密集且現(xiàn)場(chǎng)需要大量安裝支撐。針對(duì)這些不利因素,有學(xué)者提出了使用傳統(tǒng)預(yù)制混凝土柱和鋼梁的組合框架結(jié)構(gòu),其構(gòu)配件均在工廠制造,而整體結(jié)構(gòu)則在現(xiàn)場(chǎng)組裝[5]。這種框架結(jié)構(gòu)形式能實(shí)現(xiàn)干式全預(yù)制裝配化,但是用鋼量大,存在維護(hù)成本高和抗火性能不足等問題。基于此,本文提出了一種由型鋼(Steel)連接的預(yù)制混凝土(Prefabricated Concrete)梁和柱的裝配式框架節(jié)點(diǎn)(以下簡稱SPC節(jié)點(diǎn)),如圖1所示。SPC節(jié)點(diǎn)使用了成熟的螺栓和焊接連接技術(shù),保證了連接的可靠性和安全性,并可實(shí)現(xiàn)工廠的精準(zhǔn)制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝的簡便。由于僅在連接部位使用少量型鋼,有效降低了用鋼量,且較易對(duì)這部分外露型鋼進(jìn)行防護(hù),具有較低的維護(hù)成本和較好的抗火性能。

圖1 SPC節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SPC joint
SPC 節(jié)點(diǎn)屬于裝配式框架節(jié)點(diǎn),為提高節(jié)點(diǎn)的變形和耗能能力采取了局部削弱式型鋼截面(RBS),允許該區(qū)域在屈服后進(jìn)一步發(fā)生塑性變形,以減少梁端的剪力和彎矩。因此,SPC節(jié)點(diǎn)將同時(shí)具有裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)越性。本文基于OpenSEES(Open System for Earthquake Engineering Simulation)平臺(tái),在驗(yàn)證現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和預(yù)制柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型的基礎(chǔ)上,建立了SPC節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析模型,進(jìn)而研究了這種節(jié)點(diǎn)的基本抗震性能。
混凝土材料采用忽略抗拉強(qiáng)度的修正單軸Kent-Park 本構(gòu)模型 Concrete01[6],如圖 2 所示,并依據(jù)Karsan-Jirsa 加載準(zhǔn)則確定其線性加、卸載剛度,受壓骨架曲線為

式中:ε0為混凝土峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;K為考慮箍筋橫向約束混凝土所引起的強(qiáng)度和峰值應(yīng)變提高系數(shù);Zm為應(yīng)力應(yīng)變曲線軟化段斜率;fyh為箍筋的屈服強(qiáng)度,MPa為非約束混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度,MPa;ρs為箍筋的體積配箍率;h為混凝土核心區(qū)的寬度;sh為箍筋間距。
對(duì)于非約束混凝土的極限應(yīng)變?nèi)?.004,對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力取為;約束混凝土的極限應(yīng)變?yōu)棣與u=0.8/Zm-Kε0,對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力則為
鋼筋和型鋼材料均采用考慮各向同性應(yīng)變硬化的單軸 Giuffre-Menegotto-Pinto 本構(gòu) Steel02,如圖3所示,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:

圖2 修正Kent-Park混凝土本構(gòu)Fig.2 Modified Kent-Park constitutive relationship of concrete material

式中:ε0和σ0分別為鋼材屈服點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變;εr和σr分別為鋼材反向點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變;b為鋼材硬化模量E1與原點(diǎn)切線模量E0的比值;R為反映Bauschinger 效應(yīng)的參數(shù);ξ為上一循環(huán)塑性應(yīng)變的絕對(duì)值;R0,CR1和CR2均為材料常數(shù)。
文中將鋼材從彈性轉(zhuǎn)化為塑性的參數(shù)均按OpenSEES 建 議 取 值 為R0=18.5,CR1=0.925,CR2=0.15;等向強(qiáng)化參數(shù)設(shè)置為a1=0,a2=1,a3=0,a4=1。

圖3 Giuffre-Menegotto-Pinto鋼材本構(gòu)Fig.3 Giuffre-Menegotto-Pinto constitutive relationship of steel material
梁柱節(jié)點(diǎn)模型是數(shù)值分析的核心部分。基于大量的試驗(yàn)研究,OpenSEES開發(fā)了專門研究鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)非線性分析的二維節(jié)點(diǎn)模型Beam-column-joint 單元,如圖 4 所示,全面考慮了影響節(jié)點(diǎn)抗震性能的三要素[7]:核心區(qū)混凝土非線性剪切性能、節(jié)點(diǎn)區(qū)縱筋的粘結(jié)錨固性能和節(jié)點(diǎn)周圍抗剪傳遞能力。該單元是一個(gè)具有4 個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和4 個(gè)外部節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的連續(xù)過渡單元,每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和外部節(jié)點(diǎn)都處在一個(gè)剛性截面上,并通過3個(gè)元件來模擬節(jié)點(diǎn)的三種破壞機(jī)制[8]:
(1)8 個(gè)零長度鋼筋滑移元件來模擬節(jié)點(diǎn)內(nèi)的梁、柱縱向鋼筋的粘結(jié)滑移導(dǎo)致的剛度和強(qiáng)度的退化;
(2)4 個(gè)零長度交界面剪切元件來模擬節(jié)點(diǎn)周邊交界面?zhèn)鬟f剪力能力的退化;
(3)1 個(gè)剪切板元件來模擬節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切失效引起的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度的退化。

圖4 Beam-column-joint節(jié)點(diǎn)模型Fig.4 Beam-column-joint model

圖5 一維荷載-變形滯回模型Fig.5 One-dimensional load-deformation hysteretic model
對(duì)于這三個(gè)元件,OpenSEES均采用了一個(gè)廣義一維荷載-變形滯回材料(Pinching4)來模擬其在循環(huán)加載下的滯回性能,如圖5 所示。該材料模型定義8 個(gè)特征點(diǎn)來確定正負(fù)方向的骨架曲線;6 個(gè)參數(shù)來指定正負(fù)方向的再加載和卸載的起點(diǎn)和3 組損傷計(jì)算參數(shù)模擬卸載剛度、再加載剛度和強(qiáng)度的退化。損失指數(shù)均采用Park 和Ang于1985年提出的廣義損傷指標(biāo):

式中:Di為損傷指數(shù),i為當(dāng)前位移增量狀態(tài);α1、α2、α3、α4為損傷計(jì)算系數(shù)defmax和defmin為單調(diào)加載時(shí)正方向和負(fù)方向破壞變形,dmax'i和dmin'i分別為當(dāng)前循環(huán)的最大和最小變形;Ei= ∫dE,E為滯回耗能;Em為單調(diào)加載破壞時(shí)的耗能。
1.3.1 核心混凝土非線性剪切性能
核心混凝土非線性剪切性能采用核心區(qū)剪切應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線修正壓力場(chǎng)理論(MCFT),該理論首先由Vecchio和Collins于20世紀(jì)80年代提出[9],Stevens 在 1991 年對(duì)其進(jìn)行了發(fā)展,使其能夠模擬滯回環(huán)的捏縮特征[10]。該節(jié)點(diǎn)核心區(qū)模型可根據(jù)混凝土的平均主拉應(yīng)力、混凝土的平均主壓應(yīng)力以及裂縫處的鋼筋局部應(yīng)力分別判定節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài):
(1)混凝土的平均主拉應(yīng)力超過限值時(shí),判定發(fā)生粘結(jié)滑移破壞;
(2)混凝土的主壓應(yīng)力超過限值時(shí),判定混凝土壓潰引起剪切破壞;
(3)裂縫處的局部應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí),則判定縱筋屈服破壞。
1.3.2 縱筋滑移
震害和試驗(yàn)均表明,節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋼筋錨固破壞是導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞的主要原因之一。OpenSEES 在Eligehausen 和Hawkins 提出的鋼筋應(yīng)力-滑移模型的基礎(chǔ)上[11],建立了鋼筋滑移模型(Bar-Slip),如圖6所示。該模型以Eligehausen 等的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定平均黏結(jié)強(qiáng)度,如表1 所示,并按式(8)可確定縱筋應(yīng)力τE和滑移量dslip間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表1 平均黏結(jié)強(qiáng)度Table 1 Average bond strength


圖6 黏結(jié)滑移模型Fig.6 Bond slip model
Bar-slip 模型可以考慮混凝土強(qiáng)度、縱筋材料特性、節(jié)點(diǎn)尺寸和錨固強(qiáng)弱程度(強(qiáng)、弱)對(duì)鋼筋應(yīng)力—滑移的影響[12]。在反復(fù)荷載作用下,核心區(qū)內(nèi)鋼筋受拉或者受壓屈服后,鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度降低。當(dāng)垂直于節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)混凝土承受壓力時(shí),粘結(jié)強(qiáng)度較大;而混凝土受拉時(shí),粘結(jié)強(qiáng)度較低。文中,對(duì)于節(jié)點(diǎn)內(nèi)梁的上下兩側(cè)的縱筋和柱左右兩側(cè)的縱筋分別建立鋼筋滑移元件,以合理模擬反復(fù)荷載作用下鋼筋應(yīng)力以及粘結(jié)強(qiáng)度與鋼筋滑移的關(guān)系。
1.3.3 界面剪切
設(shè)計(jì)合理的梁柱節(jié)點(diǎn)一般均能確保梁柱交界面處的抗剪性能,且抗剪剛度較大,通常可假定其處于彈性范圍內(nèi)。因此,在本文的數(shù)值分析中,將現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱交界面處的剪切彈簧簡化為一個(gè)彈性模量無限大的彈性彈簧。
梁柱單元采用基于纖維和柔度法的Nonlinear-beam-column 單元,該模型將構(gòu)件截面劃分為一系列鋼筋纖維和混凝土纖維。不同纖維可以定義不同的本構(gòu)關(guān)系,而每根纖維則只考慮自身的軸向本構(gòu)。由于纖維模型采用平截面假定,因此只需明確構(gòu)件截面的彎曲和軸向應(yīng)變就可以得到截面上每根纖維的應(yīng)變,從而可計(jì)算得到整體截面的剛度。但是纖維進(jìn)入非線性后會(huì)導(dǎo)致不平衡力的產(chǎn)生,此時(shí)則需要通過迭代計(jì)算得到截面的剛度。因此,纖維模型可以很好地模擬構(gòu)件的彎曲變形和軸向變形,但不能模擬剪切變形和扭曲變形。
將數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,是檢驗(yàn)數(shù)值模型可信度的常用手段。文中結(jié)合呂西林等[13]完成的現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱框架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)和伍云天等[5]完成的裝配式鋼梁預(yù)制柱組合框架試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)論進(jìn)行了對(duì)比,以進(jìn)一步建立SPC節(jié)點(diǎn)的數(shù)值分析模型。
呂西林等完成的ZHJ2 的鋼筋混凝土梁柱框架節(jié)點(diǎn),如圖7 所示。其柱及梁抗彎承載力按Mc/Mb>3 設(shè)計(jì),軸壓比 0.33,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為35.7 MPa,彈性模量為3.05×104MPa,實(shí)測(cè)縱筋屈服強(qiáng)度為360.2 MPa,極限抗拉強(qiáng)度為528.2 MPa,彈性模量為1.70×105MPa。

圖7 ZHJ2配筋圖(單位:mm)Fig.7 ZHJ2 configuration diagram(Unit:mm)
數(shù)值模擬的得到ZHJ2 試件的柱頂水平力和位移的滯回曲線和骨架曲線,如圖8 和圖9 所示。對(duì)比模擬和試驗(yàn)的結(jié)果,可以看出兩者比較接近,在彈性階段基本呈線性關(guān)系,隨著節(jié)點(diǎn)的屈服,滯回曲線面積明顯增大,耗能能力顯著增加。同時(shí),隨著位移幅值的增加,節(jié)點(diǎn)逐漸進(jìn)入強(qiáng)化階段,節(jié)點(diǎn)剛度退化加速,粘結(jié)滑移現(xiàn)象越來越顯著,滯回環(huán)表現(xiàn)出典型的鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的捏縮特性。數(shù)值分析得到的骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果也比較吻合,區(qū)別在于達(dá)到峰值力后的下降更快。總體上,該數(shù)值模型能較好反映現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱框架節(jié)點(diǎn)的滯回力學(xué)特性。

圖8 ZHJ2的滯回曲線Fig.8 Hysteretic curves of ZHJ2

圖9 ZHJ2的骨架曲線Fig.9 Skeleton curves of ZHJ2
伍云天等完成的TS2裝配式鋼梁和預(yù)制柱框架節(jié)點(diǎn),如圖10所示。混凝土抗壓強(qiáng)度為45 MPa,柱和基礎(chǔ)鋼筋均采用HRB335,柱加密區(qū)長度為455 mm。鋼梁和端板均采用Q345,鋼梁翼緣和腹板實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度分別為370 MPa 和435 MPa。鋼梁通過高強(qiáng)度螺栓和端板與預(yù)制混凝土柱相連接,高強(qiáng)螺栓名義直徑為19 mm,螺栓的實(shí)測(cè)屈服承載力和抗拉強(qiáng)度分別為148 kN和193 kN,施工中施加抗拉強(qiáng)度的50%作為預(yù)拉力。由于加載過程中,螺栓和端板實(shí)際產(chǎn)生的變形很小,因此在數(shù)值模型中將螺栓連接處視為剛性連接[14]。對(duì)于鋼梁端部的局部削弱截面(RBS),則依據(jù)削弱處的最小截面處尺寸和位置進(jìn)行建模。
數(shù)值模擬和試驗(yàn)的柱頂水平力和下層層間位移角的滯回曲線和骨架曲線,如圖11 和圖12 所示。對(duì)比模擬和試驗(yàn)的結(jié)果,可以看出無論是滯回曲線還是骨架曲線,其負(fù)位移方向的吻合性較好,而正位移方向試驗(yàn)值要明顯低于模擬值,且試驗(yàn)值表現(xiàn)出明顯的正負(fù)不對(duì)稱性,其主要原因可能由構(gòu)件不對(duì)稱和試驗(yàn)偏差所導(dǎo)致。總體上說,數(shù)值模擬能體現(xiàn)出這種節(jié)點(diǎn)優(yōu)秀的性能,滯回曲線飽滿,耗能能力強(qiáng),剛度退化不明顯,同時(shí)也驗(yàn)證了裝配式型鋼RBS連接數(shù)值模型的可行性。

圖10 TS2示意圖(單位:mm)Fig.10 TS2 configuration diagram(Unit:mm)

圖12 TS22的骨架曲線Fig.12 Skeleton curves of TS2
在上文介紹的現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和裝配式型鋼梁RBS 連接數(shù)值模型的基礎(chǔ)上,建立了SPC 節(jié)點(diǎn)的數(shù)值分析模型,并對(duì)比了同等條件下現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和SPC節(jié)點(diǎn)滯回性能的差異。
以呂西林等完成的ZHJ2 現(xiàn)澆混凝土梁柱組合件作為SPC 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn),按照等強(qiáng)設(shè)計(jì)原則,這里主要考慮鋼筋混凝土梁和型鋼梁截面的的抗彎承載力相等。ZHJ2 梁截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值為

型鋼梁選用Q235,其抗彎強(qiáng)度f=235 N/mm2,則鋼梁截面模量需求值為

故選取HN150×75型鋼,其參數(shù)如表2所示。

表2 H型鋼參數(shù)Table 2 Parameters of profile H-shaped steel
由于所選型鋼截面模量大于需求值,其實(shí)際抗彎承載力大于基準(zhǔn)鋼筋混凝土截面,會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土截面先于型鋼截面破壞。因此在設(shè)計(jì)型鋼RBS 時(shí),應(yīng)按所需截面模量進(jìn)行設(shè)計(jì),故假定所需翼緣寬度為xcm,可按下式近似求解:

解得:x=6.39 cm,取bf=64 mm,按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[15]的建議進(jìn)行RBS設(shè)計(jì),參數(shù)取為
(1)a=0.5bf=0.5×64=32 mm;
(2)b=0.65hb=0.65×136=88.4 mm;
(3)c=0.25bf=0.25×64=16 mm,實(shí)際削弱后翼緣寬度為32 mm。
因此,RBS 段設(shè)計(jì)如圖13 所示,而高強(qiáng)度螺栓、端板和連接板等可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)[16]的規(guī)定設(shè)計(jì),文中不再贅述。

圖13 RBS設(shè)計(jì)圖(單位:mm)Fig.13 RBS design diagram(Unit:mm)
SPC 節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型如圖14 所示,①-⑧均為Nonlinear-beam-column 單元,其中:①②為鋼筋混凝土柱,③⑧為鋼筋混凝土梁,④為RBS,⑤⑥為H 型鋼;⑨則為 Beam-column-joint 單元,梁柱界面的彈性模量設(shè)置為無窮大忽略界面的剪切破壞,同時(shí)將型鋼和柱的連接簡化為剛性連接,即忽略6 和7 節(jié)點(diǎn)的鋼筋粘結(jié)滑移。數(shù)值模型的邊界條件:節(jié)點(diǎn)1 為鉸支座,節(jié)點(diǎn)3 和10 為水平滑動(dòng)支座。N為豎向力,P為柱頂反力。施加柱頂水平位移,加載時(shí)控制柱頂水平位移與柱高比(位移角)如圖15所示。

圖14 SPC節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型Fig.14 Numerical model of SPC joint

圖15 位移角加載制度Fig.15 Load protocol of story drift
數(shù)值分析得到的滯回曲線和骨架曲線,如圖16 和圖 17 所示,其中,ST0 為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn),ST1 為 SPC 節(jié)點(diǎn)。ST0 和 ST1 的極限承載力分別為39.9 kN 和65.3 kN,為了更清晰地對(duì)比ST0與ST1,圖中定義縱坐標(biāo)柱頂水平力比為柱頂水平力與ST0的極限承載力的比值。從圖中可以看出,SPC 節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出典型RBS 鋼梁的滯回曲線特征,比現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)滯回曲線更為飽滿,具有優(yōu)良的滯回耗能能力。在計(jì)算范圍內(nèi),SPC 節(jié)點(diǎn)沒有明顯的捏縮現(xiàn)象,也沒有明顯的剛度退化,相對(duì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn),承載力提高了約1.6 倍,剛度也得到了一定增加。在位移角略大于0.02 處,ST0 發(fā)生了明顯的強(qiáng)度退化,盡管能滿足抗震規(guī)范中彈塑性位移角限值1/50 的要求[15],但其變形能力儲(chǔ)備要明顯低于ST1。其主要原因在于梁端柱邊彎矩最大處,H型鋼截面相對(duì)鋼筋混凝土截面具有更大的抗彎承載力,同時(shí)距離柱邊一定距離的RBS 段保證了先于鋼筋混凝土截面發(fā)生屈服,并在該處形成塑性鉸,從而保證了節(jié)點(diǎn)的變形和耗能能力。因此,具有RBS 的SPC 節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回耗能和抗震性能,是一種較為理想的裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)形式。

圖16 SPC滯回曲線Fig.16 Hysteretic curves of SPC

圖17 SPC骨架曲線Fig.17 Skeleton curves of SPC
本文提出了一種由型鋼連接的預(yù)制混凝土柱和梁的裝配式框架節(jié)點(diǎn)(SPC),由于采用相對(duì)成熟的螺栓和焊接技術(shù)保證了節(jié)點(diǎn)連接的可靠性和安全性,可實(shí)現(xiàn)工廠的精準(zhǔn)制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝的簡便。由于這種節(jié)點(diǎn)外露的型鋼較少,因此較易對(duì)其進(jìn)行防護(hù),具有較低的維護(hù)成本和較好的抗火性能。在驗(yàn)證現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)模型和預(yù)制混凝土柱連接鋼梁節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上,建立了SPC 的數(shù)值模型。通過對(duì)比分析相同條件下的現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)和SPC 節(jié)點(diǎn),表明了SPC節(jié)點(diǎn)不僅滯回曲線飽滿,具有良好的抗震性能,而且剛度和承載力均得到了提高,是一種相對(duì)理想的裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)形式。將來可進(jìn)一步從物理試驗(yàn)角度來研究這種節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能,并討論影響其力學(xué)性能的各項(xiàng)因素。