新型裝配式混凝土框架節點火災后抗震性能有限元分析

劉陽，劉遠良，黃樂鵬

（1重慶建工住宅建設有限公司，重慶 400015；2重慶大學 土木學院，重慶 400045）

0 引言

目前國內現行的建筑抗火規范并沒有對混凝土結構進行詳細說明[1]。而對于采用干式連接的裝配式混凝土建筑而言，在由濕連接向干式連接發展過程中，除了對其抗震性能的研究以外，對其受火后由于材性劣化導致抗震性能的降低也很有研究的必要[2]。

吳波、馬忠誠、歐進萍[3]在試驗結果基礎上，提出了鋼筋混凝土梁、柱受火后的彎矩-曲率計算方法，為結構受火后抗震加固修復提供理論依據。三年后，三位學者[4]通過模擬得到：高溫后四種抗震性能研判指標均出現明顯下降，隨著溫度升高，構件的破壞形式由延性向脆性轉變。Kodur[5]通過軸壓試驗，發現高溫后混凝土柱失去水分易大塊剝落，變形增大。Han L.H.[6]的試驗表明節點梁柱互相提供約束和支撐，兩者均在對方達到極限承載力后依舊繼續承載，在節點失穩時二者均發生破壞。通過前人大量研究表明，在火災作用后，即使結構構件溫度恢復至常溫[7]，結構的力學性能也會隨火災的嚴重程度發生永久性損傷。因此，應在結構構件火災后進行性能評估，這樣才能保障建筑結構的安全[8]。

在此基礎上，本文利用Abaqus對節點進行低周往復位移加載，通過分析節點滯回耗能、極限荷載、延性，研究受火時長、軸壓比對節點火災后抗震性能的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 基本建模信息

本文采用Abaqus有限元分析軟件建立裝配式節點溫度場分析模型，采用《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ 101—2015）[9]中建議的加載方式。加載方式及加載幅值如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 試驗節點內部升溫30min的溫度云圖

圖2 加載方式示意圖

圖3 加載幅值

1.2 模型分析參數變量

低周往復加載分析模型具體節點參數設置如表1所示。

表1 低周往復加載分析模型概況表

1.3 高溫后模型溫度場設定

本文研究過程中根據預設受火時間，將節點以標準升溫曲線對環境升溫至指定時間后再通過標準降溫曲線降至常溫，并持續10h，確保節點內所有區域均已達到受火升降溫過程溫度峰值。

2 裝配式節點受火后滯回性能參數分析

本小節通過提取六個節點P-Δ滯回曲線、骨架曲線、延性、耗能、剛度退化等參數，分析對比軸壓比和受火時長對裝配式節點受火后滯回性能的影響。

2.1 P-Δ滯回曲線

裝配式節點受火前后的滯回環為梭型，滯回環較為飽滿。在加載初期，各個節點均處于彈性變形狀態，位移荷載基本為直線上升，各節點前期滯回曲線差別不大。隨著受火時長、軸壓比分別增加，節點的滯回曲線如圖4、圖5所示。

圖4 受火時長對裝配式節點受火后滯回曲線的影響

圖5 軸壓比對裝配式節點受火后滯回曲線的影響

從P-Δ滯回曲線可知：

（1）對于裝配式節點，未受火構件的滯回曲線相對更加飽滿，滯回曲線上升段更高，可以看出，火災使裝配式構件的抗震性能產生了劣化；

（2）在受火時間相同時，軸壓比較大的節點滯回曲線比軸壓比較小的節點滯回曲線更加飽滿，這與節點未受火時滯回曲線-軸壓比變化規律相同；

（3）在軸壓比相同時，受火時間較短的節點滯回環較受火時間較長的節點滯回曲線更加飽滿，隨著受火時間增加，火災對節點造成的永久性破壞加劇。

2.2 骨架曲線

加載初期，各節點處于彈性變形狀態，受火前后節點骨架曲線基本重合。進入屈服階段后，由于混凝土及鋼材材性劣化，受火后的骨架曲線斜率較未受火節點放緩，達到峰值后，下降速度也均高于未受火節點，如圖6、圖7所示。

圖6 受火時長對裝配式節點受火后骨架曲線影響

圖7 軸壓比對裝配式節點受火后骨架曲線影響

從骨架曲線可以看出：

（1）在受火時間相同的情況下，軸壓比較大的節點骨架曲線在塑性階段略高于軸壓比較小的節點，這種差距幾乎無法從骨架曲線上看出，軸壓比增大帶來的骨架曲線升高隨著受火時間的增長逐漸消失；

（2）相比于未受火情況，裝配式節點在受火1h左右骨架曲線峰值下降24%，一個半小時下降42%，節點火災后抗震性能的下降隨火災的持續時間呈加速趨勢。

2.3 延性

對裝配式節點而言，在火災影響下的延性系數下降了38.5%。

從表2可以看出：

表2 受火時長和軸壓比對裝配式節點位移延性系數影響

（1）在相同受火時間下，裝配式節點正反向加載的延性系數都隨軸壓比的增大而增大，不同軸壓比節點間的延性系數差距隨著受火時間的增長而下降；

（2）在軸壓比相同的情況下，對比不同受火時長的裝配式節點，隨著受火時長的增長，正反向加載的屈服位移、屈服荷載、極限位移、極限荷載均隨受火時長的增長而減少；

（3）在軸壓比相同的情況下，節點的延性系數在升溫60min時延性系數顯著降低，但隨著升溫時間的增長，又出現一定回升，其原因是在升溫60min左右，由于混凝土受熱材性劣化，導致較常溫下節點延性系數大幅下降，但隨著混凝土核心區溫度升高，鋼筋與混凝土直接的粘結性能遭到較大破壞，試件破壞位移明顯增大。

2.4 耗能

對于裝配式節點，在加載初期，由于各節點均處于彈性受力狀態，節點耗能較小，各節點差異不大，隨著加載幅度增大，節點耗能逐漸增大，如圖8、圖9所示。

圖8 軸壓比對裝配式節點受火后耗能的影響

圖9 受火時長對裝配式節點受火后耗能的影響

從耗能曲線可以看出：

（1）受火時長的長短，所有節點在加載過程中的耗能均隨著加載周期的增大而增大；

（2）軸壓比相同的情況，初期的前兩個滯回周期里，受火時間較長的節點耗能大于受火時間較短的節點，但隨著加載繼續，最終受火時間短的節點耗能大于受火時間長的節點；

（3）受火時間相同的情況下，在加載的初期，節點的耗能能力在不同軸壓比下無明顯區別，隨著加載的繼續，節點的耗能能力體現為軸壓比較高的節點耗能能力大于軸壓比較小的節點，這一規律在未受火和不同受火時長下的裝配式節點均有體現。

3 結論

本文利用Abaqus有限元分析軟件對六個裝配式節點進行低周往復梁端加載試驗的有限元模擬分析，主要得出如下結論：

（1）滯回曲線分析可以得到：對于裝配式節點，未受火構件的滯回曲線相對飽滿，滯回曲線上升段更高，可以看出，火災使裝配式構件的抗震性能產生了劣化。

（2）骨架曲線分析可以得到：進入屈服階段后，受火后的骨架曲線斜率較未受火節點放緩，達到峰值后，下降速度也均高于未受火節點。在加載初期各節點彈性階段骨架曲線基本重合，在彈塑性階段，受火時間較短的節點上升高于受火時間較長的節點；在經歷峰值后的下降段，受火時間短的節點下降較慢。

（3）延性分析可以得到：所有節點受火后延性都出現明顯下降。在相同受火時間下，裝配式節點的正反向加載的延性系數都隨軸壓比的增大而增大，不同軸壓比節點間的延性系數差距隨著受火時間的增長而下降。

（4）耗能分析可以得到：在滯回加載初期，受火時間較長的節點耗能大于受火時間短的節點，隨著加載的繼續，受火時間較長的節點耗能增長小于受火時間短的節點，最終受火時間短的節點耗能大于受火時間長的節點。