裝配式柱構件節點的抗剪性能研究

倪 靜 秦皇島金洋建設集團有限公司

1 相關概念和研究內容

1.1 概念介紹

（1）裝配式結構。裝配式結構是裝配式混凝土結構的簡稱，是以預制構件為主要受力構件經裝配、連接而成的混凝土結構。按照類別可劃分為：全裝配式和半裝配式兩種。

裝配式結構可以連續地按順序完成工程的多個或全部工序，從而減少進場的工程機械種類和數量，消除工序銜接的停閑時間，實現立體交叉作業，減少施工人員，從而提高工效、降低物料消耗、減少環境污染，為綠色施工提供保障。另外，裝配式結構在較大程度上減少建筑垃圾，約占城市垃圾總量的30%～40%，如廢鋼筋、廢鐵絲、廢竹木材、廢棄混凝土等。

（2）梁柱節點。梁柱節點主要指梁柱構件重疊的區域，是梁柱交匯的節點區域，抗震設計時，對節點核心區的抗剪承載力有特殊規定與限值，以保證節點的可靠性。

具體框架節點核心區的截面高度可取驗算方向的柱截面高度，框架節點核心區的截面有效寬度，梁柱中線重合時，當梁寬不小于答柱寬的一半時即為柱寬，當梁寬小于柱寬的一半時，可取梁寬加二分之一的柱寬，梁專柱中線不重合時另有特殊規定。

（3）抗剪力。所謂剪力（Shear Force）就是：作用于同一物體上的兩個距離很近（但不為零），大小相等，方向相反的平行力。而本文中研究的柱構件節點的抗剪力有其相應的驗算公式。

1.2 研究內容

本文針對裝配式梁柱節點模型進行力學性能的研究，具體內容包括：首先，運用有限單元法建立新型的裝配式梁柱節點模型；然后針對裝配式梁柱節點有限元分析模型進行梁柱節點的自振特性分析，研究模型型的軸壓比、混凝土強度、預應力等參數對梁柱節點的基頻和振型的影響。

2 有限元模型的建立

2.1 建立有限元模型

（1）有限單元的選取。本文選取SOLID65作為混凝土單元、以SOLID185作為梁端處的鋼板箍單元，鋼筋單元和梁柱連接處的鋼板方面，分別選擇的LINK180與SHELL181單元，在栓桿上添加預應力時，選取的是 PRETS179單元。

（2）有限元模型的尺寸。模型中，采用預應力螺栓的方式對梁柱節點進行連接。在梁端應用工字形的鋼板箍，其厚度為4mm。選擇強度為C40的混凝土，且工字型梁的截面尺寸為：高450mm，寬bf=380mm，腹板的厚度為b=110mm，翼緣的厚度為hf=150mm，梁端端板的長寬高分別為30mm、710mm和400mm。

（3）建立裝配式梁柱節點有限元模型。根據上述模型中數據，進行模型的力學簡化和建立有限元計算模型和鋼筋混凝土梁柱節點結構內鋼筋。

（4）網格的劃分。在對裝配式模型進行網格劃分時，主要是在對整體進行鋼筋和混凝土劃分之后，對螺栓進行局部劃分。

2.2 模型計算

在模型計算之前，需要進行邊界條件加載，我們參考實驗的數據，將梁長度、高度和垂直于柱且朝外的方向分別設置為X軸、Y軸和Z軸。在模擬加載過程中，選擇在柱端施加豎向荷載；在水平方向，用力的函數的方式進行加載，加載過程中設計的數值，參考試驗的數據，最終得到裝配式鋼筋混凝土梁柱節點的計算模型。

3 梁柱節點模型的模態分析

3.1 模型結構的自振特性

模型中的混凝土強度為C40，重力加速度取9.8N/kg。選取結構模態分析的前二十階頻率，統計數據如表和前二十階自振頻率的統計圖，如表1所示。

表1 裝配式結構結構前20階的自振頻率 f/Hz

通過結構模態分析過程可以得知：裝配式節點的振型主要是以平動為主，彎曲振型、扭轉振型分別出現在第七階、第十八階，而破壞振型相對滯后。

3.2 結構參數對自振頻率的變化分析

（1）軸壓比的影響。軸壓比可以通過改變斜壓桿的主壓應力的大小等條件，對節點的抗震性能及核心區的力的傳遞產生比較大的影響。我們也可以通過限制軸壓比的方式，對結構延性的變化進行控制。

式中：

u——軸壓比，對非抗震地區，u=0.9；

N——軸力設計值；

A——截面面積；

本文主要通過分別取軸壓比為 0.2、0.4、0.6，分析在不同軸壓比的情況下構件的振型頻率，通過結構的前20階振型頻率統計可知：當結構只改變軸壓比時，結構的模態變化很小。

（2）混凝土強度的影響。本文選取強度為C30、C40、C60的混凝土，分析在不同混凝土強度下的構件的自振頻率。其結構基頻分別為37.509/Hz、27.351/Hz和20.126/Hz，通過得出對不同混凝土強度前20階頻率可得：結構的基頻隨與混凝土強度成反比，而當混凝土強度發生遞增變化時，結構的整體頻率會有所降低，也就是說結構混凝土強度與整體結構的剛度成正比。

（3）預應力的影響。當有預應力時，結構基頻為27.351/Hz，沒有預應力時，結構基頻為為118.64/Hz。通過對有、無預應力時前20階頻率分析可得：施加預應力與結構的基頻成正比，而與結構的整體頻率成反比，這說明添加預應力在一定程度上會增強結構的剛度和梁柱節點處的強度，進而增強結構的整體剛度。

4 裝配式鋼筋混凝土梁抗剪承載力分析

4.1 混凝土強度對梁抗剪性能的影響

在軸壓比為0.4的裝配式模型下，依次改變混凝土的強度值為 C30、C40、C60，通過對裝配式梁柱節點模型進行有限元分析，并根據分析結果得到裝配式模型在不同混凝土強度時的極限抗剪強度。

通過對裝配式鋼筋混凝土梁柱節點，在不同混凝土強度下的有限元模擬可知，當模型受到循環荷載的作用下，梁發生的破壞主要是斜截面的剪切作用。

4.2 箍筋強度對梁抗剪性能的影響

在軸壓比為0.4的裝配式模型下，改變模型的箍筋強度值，分別為600MPa、800MPa、1100MPa。通過對裝配式梁柱節點模型進行的有限元分析，通過分析結果可得到裝配式模型在不同箍筋強度時的極限荷載曲線。

由模擬所得的不同箍筋強度下的極限抗剪強度曲線可知：當箍筋強度增大時，箍筋能夠承擔一部分剪力的作用，并能夠有效地抑制裂縫的開展和延伸。箍筋強度越高，梁的抗剪承載力越大。

5 結束語

本文通過建立有限元模型，對梁柱節點的自振特性和自頻率進行了分析，并在此基礎上，通過在不同混凝土強度和不同箍筋強度的情況下，對裝配式鋼筋混凝土梁的抗剪性能進行了有限元分析。