裝配式梁柱組合結構在地震作用下的理論研究

李 斌，陳 歡

（內蒙古科技大學 土木工程學院，內蒙古 包頭 014010）

近年來隨著建筑產業(yè)的不斷發(fā)展，國內外對裝配式型鋼混凝土框架結構的運用越來越多。其中在裝配式組合結構中，節(jié)點是連接梁柱的關鍵部位，并被大多數學者深入研究。

目前，國內外學者在裝配式組合結構的研究中取得了一定的研究成果，郭小農[1]提出一種預埋式槽鋼新型節(jié)點，通過螺栓與槽鋼連接，采用ABAQUS 模擬對其進行擬靜力分析。李忠獻等[2]人對兩組裝配整體式型鋼混凝土框架節(jié)點試件進行低周反復試驗，得出結論對節(jié)點附近的梁翼緣進行狗骨形削弱可以將框架節(jié)點的塑性鉸轉移到削弱部位。對近年來國內外學者對裝配式結構的研究進行總結后得出結論及建議：目前裝配式結構主要用于底層建筑[3]，用于高層住宅還有一定的技術障礙和理論基礎，在栓接節(jié)點中難以保證“強節(jié)點弱構件”的抗震理念[4]。對以上學者的觀點進行總結分析后，本文提出一種栓接裝配式組合結構形式，并對其進行理論研究和模擬分析，得出其受力特征和規(guī)律。對裝配式結構提供一種新的節(jié)點形式，為將來的實際工程運用提供理論基礎。

1 有限元模型

1.1 模型參數設計

本文以某辦公大樓的中間層邊節(jié)點為研究對象，對梁柱節(jié)點進行建模分析，其中梁、柱選用截鋼材牌號為Q235 的H 型鋼，柱內填充混凝土為C40 混凝土，螺栓采用10.9 級的M24 的高強螺栓，系桿采用直徑為10 mm 的HRB335 鋼筋[5]。

有限元分析中主要研究連接板厚度和柱截面高度二者分別對節(jié)點承載力的影響，連接板厚度分別考慮了16 mm、20 mm、24 mm 三種情況，型鋼柱截面高度分別選用了250 mm、300 mm、350 mm 三種情況，本次有限元模擬一共建立6 個力學模型對其進行模擬分析。

本文共建立6 個有限元模型，其中考慮連接板厚度變化的試件編號為JD1、JD2、JD3，考慮柱截面高度變化的試件編號為JD4、JD5、JD6。試件模型設計具體參數見表1。

表1 數值模型參數

1.2 單元選取和網格劃分

有限元模型中包含梁端板、連接板、型鋼柱、型鋼梁、混凝土、系桿及螺栓，依據表1 進行1∶1 建模，各部件模型如圖1 所示。

圖1 有限元模型

1.3 接觸關系

ABAQUS 在定義連接板與梁、螺栓之間的接觸關系時，將摩擦系數設為0.30[6]。

梁端板與H 型鋼梁通過采用綁定（Tie）約束連接到節(jié)點上，H 型鋼柱與系桿采用Assemble 模塊中的Merger 指令將二者合并為鋼骨架，最后將混凝土通過Embeded 指令嵌入到鋼骨架內部。

1.4 約束和荷載

為了讓模擬更接近實際試驗，在加荷載的位置建立參考點，將參考點與加載面進行耦合[7]。

同時柱的兩端通過限制x、y、z 三個方向的位移和轉角固定不動，梁在加載方向的位移和轉角釋放其余方向固定不動[8]。

2 數值分析結果分析

2.1 連接板厚度的影響

本小節(jié)通過對JD1、JD2、JD3 三個模型進行有限元模擬，分析試件中連接板厚度的變化對裝配式PEC 柱-鋼梁的力學性能的影響，模擬結果如圖2、圖3 所示。

圖2 ABAQUS 提取的應力云圖

圖3 連接板厚度變化模擬結果

從模型整體應力云圖中可以看出JD1 模型由于連接板厚度只有16 mm，最終導致連接板屈服，而JD2和JD3 由于連接板厚度較厚，模型的最終破壞為梁和柱連接處屈服[9]。

從ABAQUS 中提取各模型的骨架曲線和滯回曲線可知：節(jié)點模型的承載力隨著連接板厚度的增加而增加，不同連接板厚度的模型骨架曲線前期發(fā)展趨勢較為一致，隨著連接板厚度的增加模型節(jié)點的剛度有所提高。與連接板厚度為12 mm 的承載力比較，JD1、JD2、JD3 模型分別提高了3.22%、5.71%、8.30%，這說明繼續(xù)增加連接板厚度可以有效提高節(jié)點承載力。各模型的滯回曲線的飽滿程度隨著連接板厚度的提升而增加，試件的滯回性能得到明顯提升。

2.2 柱高的影響

本小節(jié)在PEC1 試件的基礎上通過改變柱高建立了3 個有限元模型JD4、JD5、JD6，并對其進行擬靜力模擬分析模型的力學性能的影響[10]，并從ABAQUS 中提取出各模型的損傷應力云圖、骨架曲線和滯回曲線，如圖4、圖5 所示。

圖4 ABAQUS 提取的應力云圖

從圖5 可以看出3 個模型的骨架曲線趨勢基本相似，節(jié)點模型的承載力隨著柱高的增加而增加，不同柱高的模型骨架曲線前期發(fā)展趨勢較為相似，隨著柱高度的增加模型節(jié)點的承載力有所提高。與PEC1試件承載力比較，JD4、JD5、JD6模型分別提高了1.21%、1.73%、12.65%，這說明合理增加柱高可以有效提高節(jié)點承載力。各模型的滯回曲線的飽滿程度隨著連接板厚度的提升而增加，試件的滯回性能得到明顯提升。

圖5 柱高變化模擬結果

3 結束語

通過對6 個裝配式梁柱節(jié)點關鍵部位的模擬應力進行了深入研究和分析，得出以下結論：增加連接板厚度可以有效提高節(jié)點承載力，合理增加柱高可以有效提高節(jié)點承載力。兩種變量都可以在不同程度上提高節(jié)點的滯回曲線的飽滿程度，提升試件的滯回性能。在工程中還需考慮結構的成本及尺寸，可作為后期研究的重點內容。