基于干式節(jié)點連接的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估

潘 峰 時春霞 何 強

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有施工工程量大、結(jié)構(gòu)耗能多、施工環(huán)境差和環(huán)境不友好等缺點[1-3]，難以滿足我國高水平城市化發(fā)展的需要。為此，我國近年來大力發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。相比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有對施工場地依賴性低、施工效率高且環(huán)境較為友好等優(yōu)點。

裝配式結(jié)構(gòu)在歐美等發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用較廣[4]。其中，較為典型的裝配式結(jié)構(gòu)形式包括：意大利地區(qū)應(yīng)用廣泛的BSAIS工業(yè)化建筑體系、美國應(yīng)用較為廣泛的LSFB輕型鋼框架建筑體系和Conxtech鋼框架體系[5]，以及日本積水住宅株式會社研發(fā)的Sekisui和Toyota Homes住宅體系[6]。隨著我國政府和相關(guān)部門對裝配式結(jié)構(gòu)的不斷關(guān)注和大力推廣，我國近年來在裝配式新結(jié)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用方面取得了一系列成果。例如：低層冷彎薄壁型鋼龍骨式住宅[7]和北新集團(tuán)提出的薄板鋼骨建筑體系[8]。

在混凝土結(jié)構(gòu)中較常采用的現(xiàn)存結(jié)構(gòu)體系中，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)近年來得到了廣泛關(guān)注。對于裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，如何解決混凝土梁柱節(jié)點的預(yù)制和裝配問題十分重要。目前，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)要求“等同現(xiàn)澆”。因此，確保裝配式混凝土梁柱節(jié)點的剛度和強度意義重大。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點可分為干式連接和濕式連接2種。其中，干式連接是指預(yù)制混凝土梁、柱在節(jié)點區(qū)通過預(yù)埋連接件，采用焊接和螺栓等方式進(jìn)行連接。濕式連接是在預(yù)制構(gòu)件中預(yù)留鋼筋，施工時將這些鋼筋相互綁扎或焊接并澆筑混凝土相連。干式連接具有施工簡潔、施工條件簡單、后期維護(hù)方便等特點，得到了研究和工程人員的廣泛青睞。

1 預(yù)制混凝土梁柱干式節(jié)點的快速連接技術(shù)

借鑒文獻(xiàn)[9]，本文提出了一種預(yù)制混凝土梁柱干式混合節(jié)點，如圖1所示。其中，圖1（a）為一個典型梁柱干式連接節(jié)點的幾何尺寸，圖1（b）為梁柱干式連接節(jié)點的連接處詳細(xì)構(gòu)造，圖1（c）為連接板的尺寸。

由圖1可見：本項目提出的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱干式節(jié)點是一種階梯形式的節(jié)點，預(yù)制部分主要由帶外伸階梯梁的預(yù)制混凝土柱和預(yù)制階梯形混凝土梁兩部分組成。為確保節(jié)點連接處具有足夠的剛度和強度，梁柱節(jié)點采用S10.9級M18型高強螺栓連接。

圖1 梁柱干式節(jié)點設(shè)計與尺寸

為方便后續(xù)數(shù)值模擬，該節(jié)點的施工步驟如下：

1）搭接定位：將預(yù)制式階梯狀梁柱節(jié)點的階梯式梁端與已預(yù)制好的柱的階梯式梁端進(jìn)行搭接。

2）螺栓安裝：將柱的外伸階梯梁端和階梯形梁進(jìn)行螺栓連接，其中螺栓通過預(yù)留孔洞進(jìn)行安裝。

3）防水處理：在階梯裝配的豎直縫隙位置填充密封材料用以防水。密封材料可采用發(fā)泡聚乙烯棒和建筑結(jié)構(gòu)防水膠，發(fā)泡聚乙烯棒位于內(nèi)側(cè)，外側(cè)為建筑結(jié)構(gòu)防水膠。

2 預(yù)制混凝土梁柱干式節(jié)點的滯回性能研究

2.1 基于Abaqus軟件的有限元建模

本文采用Abaqus軟件平臺[10]進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在Abaqus建模中，將本文提出的干式節(jié)點分為以下幾部分：梁-柱節(jié)點核心區(qū)、邊梁、縱向鋼筋、橫向鋼筋、連接鋼板和螺栓。其中，梁-柱節(jié)點核心區(qū)、邊梁、連接鋼板和螺栓均采用實體（Solid）建模方式；橫向鋼筋和縱向鋼筋均選擇線（Wire）建模方式。混凝土本構(gòu)關(guān)系采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》提出的混凝土單軸受壓和受拉本構(gòu)模型。鋼筋、鋼板和螺栓的本構(gòu)關(guān)系均采用雙折線隨動強化模型，該強化模型采用了Von Mises屈服準(zhǔn)則、隨動強化準(zhǔn)則、關(guān)聯(lián)流動法則。邊梁，螺栓和連接鋼板均采用C3D8R減縮積分單元，該單元采用8節(jié)點線性減縮積分。鋼筋選擇T3D2桁架實體單元。邊梁與梁柱核心區(qū)的網(wǎng)格尺寸采用50 mm，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。螺栓采用掃掠中性軸網(wǎng)格劃分辦法，網(wǎng)格尺寸為5 mm。連接鋼板分為2種方法劃分網(wǎng)格，在螺栓孔和鋼筋孔附近，采用掃掠中性軸網(wǎng)格劃分辦法，而在其余部位，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分辦法，網(wǎng)格尺寸為5 mm。對于鋼筋，縱向鋼筋網(wǎng)格尺寸為100 mm，箍筋網(wǎng)格尺寸為30 mm。在節(jié)點裝配中，螺栓軸與連接板孔共軸，且螺帽與連接板面共面。鋼筋穿過連接板，認(rèn)為其在連接板位置斷開，即鋼筋穿過連接板后將鋼筋與連接板焊接。

對接觸行為的模擬方式為：鋼筋與混凝土之間嵌固約束；連接鋼板與混凝土之間嵌固約束；螺栓與連接鋼板接觸面采用綁定接觸；螺栓頭和螺帽與混凝土之間嵌固約束；裝配連接處的階梯表面之間的相互作用設(shè)置為表面與表面接觸，其中，接觸屬性中的切向行為摩擦公式采用“罰”。通過模型試算及結(jié)合已有研究結(jié)果，保證精度與收斂性的平衡，確定本文采用的摩擦因數(shù)為0.3；鋼筋與連接鋼板之間采用嵌固約束。

在初始分析步中，柱頂設(shè)置為鉸接。在柱頂約束住X和Y兩個方向的位移和Y和Z兩個方向轉(zhuǎn)角。柱頂可在Z方向發(fā)生壓縮變形，柱底也設(shè)置為鉸接。在柱底的參考點施加邊界條件，約束住X、Y、Z三個方向位移和X和Y兩個方向的轉(zhuǎn)角。梁端視為自由端，分別對梁端參考點施加反對稱往復(fù)位移。在分析第一步中施加軸向荷載，取軸壓比為0.2，施加荷載為1 029.6 kN。在分析的第二步施加往復(fù)荷載。在左邊梁端施加正向荷載，在邊梁端施加負(fù)向荷載，荷載施加過程為位移控制。

2.2 滯回性能分析

圖2為預(yù)制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的應(yīng)力云圖。對比發(fā)現(xiàn)：預(yù)制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的Mises應(yīng)力分布大體一致。對于鋼筋應(yīng)力，預(yù)制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點存在一定差異。具體而言，預(yù)制節(jié)點的鋼筋應(yīng)力最大值主要分布在節(jié)點核心區(qū)的梁縱筋上以及與連接鋼板相焊接附近的外加裝配梁的縱筋上。

圖2 現(xiàn)澆和裝配式節(jié)點的應(yīng)力云圖

滯回曲線能夠反映試件在往復(fù)加載過程中的變形、剛度及耗能情況，是研究試件抗震性能的基礎(chǔ)。圖3給出了現(xiàn)澆和裝配式節(jié)點滯回曲線。

圖3 裝配式和現(xiàn)澆節(jié)點的滯回曲線對比

基于數(shù)值模擬獲得的裝配式和現(xiàn)澆節(jié)點滯回曲線，本文從以下8個方面分析和對比現(xiàn)澆和裝配式節(jié)點的滯回性能，包括：屈服位移Δy、屈服荷載Fy（對應(yīng)Δy的荷載）、峰值荷載Fmax、峰值變形Δmax（對應(yīng)Fmax）、延性系數(shù)μ、累積耗能Esum、平均耗能系數(shù)λc（構(gòu)件屈服后一個滯回環(huán)平均耗能）、等效黏滯阻尼系數(shù)he，如表1所示。由表1可知，當(dāng)現(xiàn)澆節(jié)點與預(yù)制節(jié)點的加載位移分別達(dá)到35.712 mm與39.188 mm時，此時兩類節(jié)點分別進(jìn)入屈服階段。隨著位移的增大，荷載-位移曲線不再呈現(xiàn)塑形特性，兩類節(jié)點的滯回曲線均發(fā)生彎折，曲線斜率也隨之減小，滯回曲線包圍的面積逐漸增大。現(xiàn)澆節(jié)點與預(yù)制節(jié)點的耗能參數(shù)比較接近，且各耗能參數(shù)均表現(xiàn)良好。綜上所述，本文提出的干式裝配式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的滯回性能十分接近，實現(xiàn)了“等同現(xiàn)澆”的設(shè)計要求。

表1 裝配式和現(xiàn)澆節(jié)點的滯回性能參數(shù)對比

3 基于干性節(jié)點連接的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

某工程為5層3跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面和立面布置如圖4、圖5所示。結(jié)構(gòu)底層層高為3.9 m，其余層高為3.3 m，總高17.1 m。選取一榀平面框架作為研究對象。該結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計資料包括：基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為C類，基本雪壓為0.3 kN/m2，標(biāo)準(zhǔn)層活荷載為2.0 kN/m2，標(biāo)準(zhǔn)層恒荷載為4.5 kN/m2。采用不上人屋面，板厚為120 mm，屋面恒荷載為7.0 kN/m2。抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g），地震分組為第1組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s。梁、柱主筋等級為HRB335，箍筋等級為HPB235，混凝土等級為C30。典型截面配筋如圖6所示。

圖4 結(jié)構(gòu)平面布置

圖5 結(jié)構(gòu)立面布置

圖6 梁柱截面配筋

3.2 基于Pushover軟件的結(jié)構(gòu)抗震性能分析

本節(jié)參照2.1節(jié)的建模方式，采用Abaqus軟件建立裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的有限元模型。基于Pushover分析方法，利用倒三角側(cè)向加載模式，采用位移控制加載，分別進(jìn)行了現(xiàn)澆和裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的Pushover分析，得到現(xiàn)澆與裝配式框架結(jié)構(gòu)的Pushover曲線對比結(jié)果，如圖7所示。由圖7可知：2種結(jié)構(gòu)在彈性階段差別不大，新型裝配式結(jié)構(gòu)的極限承載力略低于現(xiàn)澆式框架結(jié)構(gòu)。在極限承載力后的退化階段，裝配式結(jié)構(gòu)性能退化比現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)明顯。基于裝配式與現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的Pushover曲線，依據(jù)等能量原則計算得到的結(jié)構(gòu)屈服點、峰值點與85%峰值點的坐標(biāo)如圖8與圖9所示，并列于表2。由表2可知，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的屈服點承載力比裝配式結(jié)構(gòu)要高12 kN，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的極限承載力比裝配式結(jié)構(gòu)多出4.9%。綜上所述，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)良好，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，屈服承載力與峰值承載力削弱不多，但是裝配式框架結(jié)構(gòu)的延性低于現(xiàn)澆式。

表2 框架結(jié)構(gòu)的抗震性能系數(shù)

圖7 現(xiàn)澆和裝配式框架結(jié)構(gòu)的Pushover曲線

圖8 裝配式框架結(jié)構(gòu)Pushover曲線

圖9 現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)Pushover曲線

3.3 基于時程分析的結(jié)構(gòu)抗震性能分析

本文選取EI-Centro地震波作為輸入地震波，最大地面峰值加速度PGA為0.29g，時間間隔取0.02 s，作用時間為128 s。

以EI-Centro地震波作為輸入，基于Abaqus有限元分析平臺，分別對5層的現(xiàn)澆與裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時程反應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)的頂點位移、頂點加速度和頂點速度時程曲線，如圖10～圖12所示。

圖10 裝配式和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂點位移時程

由圖10可知：現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂點位移最大值為53.39 mm，發(fā)生時刻為31.44 s；裝配式結(jié)構(gòu)頂點位移最大值為65.88 mm，發(fā)生時刻為54.64 s。這一結(jié)果表明在相同地震動輸入作用下，裝配式結(jié)構(gòu)的頂點位移要略高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，位移峰值相差23.39%。

由圖11可知：現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)頂層最大加速度為0.143 5g，發(fā)生時刻為31.5 s。然而，裝配式結(jié)構(gòu)頂層最大加速度為0.115 8g，發(fā)生時刻為53.84 s。這一結(jié)果表明在相同地震動輸入作用下，裝配式結(jié)構(gòu)的峰值頂層加速度小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，加速度峰值相差23.92%。此外，裝配式框架結(jié)構(gòu)在30～65 s區(qū)間的頂層加速度處于較高水平且波動不明顯，此區(qū)間裝配式結(jié)構(gòu)的頂層加速度普遍大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

圖11 裝配式和現(xiàn)澆頂點加速度時程

由圖12可知：現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)頂層最大速度為255.60 mm/s，發(fā)生時刻為31.68 s；裝配式結(jié)構(gòu)頂層最大速度為244.93 mm/s，發(fā)生時刻為54.16 s。這一結(jié)果表明在相同地震動輸入作用下，裝配式結(jié)構(gòu)的頂層峰值速度小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，相差4.35%。此外，裝配式結(jié)構(gòu)在35～65 s區(qū)間的頂層速度較高且波動不明顯，此區(qū)間裝配式結(jié)構(gòu)的頂層速度大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

圖12 裝配式和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂點速度時程

圖13給出了現(xiàn)澆與裝配式結(jié)構(gòu)在EI-Centro地震波作用下的彈塑性層間位移角隨樓層變化曲線。由圖13可知，裝配式框架結(jié)構(gòu)的層間位移角普遍高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。其中，裝配式結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為0.48%，發(fā)生在第1層。然而，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為0.38%，發(fā)生在第2層，且其樓層剛度突變現(xiàn)象與裝配式結(jié)構(gòu)相比并不明顯。

圖13 裝配式和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)最大層間位移角分布

4 結(jié)語

本文提出了一種混凝土梁柱干式連接節(jié)點，對其滯回性能進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步針對采用干式梁柱連接節(jié)點的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過與現(xiàn)澆混凝土梁柱節(jié)點和現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的分析對比，結(jié)果表明：本文采用的混凝土梁柱干式連接節(jié)點的滯回性能與現(xiàn)澆節(jié)點的滯回性能幾乎一致，滿足“等同現(xiàn)澆”的要求；采用干式梁柱連接節(jié)點的裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能良好，干式連接對結(jié)構(gòu)整體抗震承載力和延性的削弱程度有限，滿足抗震要求。