新型裝配式砼框架中柱節點抗震性能試驗與模擬

常中權 張延年 谷偉

摘?要：基于課題組前期的試驗研究，對新型裝配式砼框架中柱節點的五種型號做有限元模擬，并將效果最佳的模擬參數用于變尺寸模型中，試圖得出抗震性能最好的節點類型。研究表明，在往復加載下，NFC-3與NFC-4的模擬與試驗的滯回曲線較完美貼合，其余型號僅在負向極限荷載上有所差距；施工縫變尺寸模型在總耗能方面，中柱邊梁與后澆區在縱向的接觸面積越大，總耗能越強；而后澆區與邊梁的橫向接觸面積過大或過小，均不利于縱向接觸耗能的發揮；邊梁下部或上部縱向長度越長，剛度退化影響越小。模型S123的耗能能力與剛度退化表現突出，即邊梁階梯高度為梁高的一半，階梯延出長度為0.3m的新型節點抗震性能最佳。

關鍵詞：裝配式框架?新型節點?擬靜力試驗?有限元模擬

中圖分類號：TU398.9?????????????????文獻標識碼：A

Test?and?Simulation?of?the?Seismic?Performance?of?Mid-Column?Joints?in?the?New?Prefabricated?Concrete?Frame

CHANG?Zhongquan1??ZHANG?Yannian2??GU?Wei1

（1.Jiaxing?Vocational?Technical?College，?Jiaxing，?Zhejiang?Province，?314030?China;?2.Shenyang?Jianzhu?University，?Shenyang，?Liaoning?Province，?110168?China）

Abstract：?Based?on?the?experimental?research?in?the?early?state?of?the?research?group，?five?types?of?mid-column?joints?in?the?new?prefabricated?concrete?frame?are?carried?out?the?finite?element?modelling，?and?the?best?modelling?parameter?is?used?in?the?variable-size?model?to?try?to?obtain?the?type?of?joints?with?the?best?seismic?performance.?Research?results?shows?that，?under?the?reciprocating?load，?the?hysteresis?curves?of?the?simulation?and?test?of?NFC-3?and?NFC-4?fit?perfectly，?while?the?other?types?only?differ?in?the?negative?ultimate?load，?that?in?the?terms?of?total?energy?consumption?of?the?variable-size?model?of?construction?joints，?the?larger?the?longitudinal?contact?area?between?the?mid-column?side?beam?and?the?post-cast?area?is，?the?stronger?the?total?energy?consumption?is，?while??the?too?large?or?too?small?transverse?contact?area?between?the?post-cast?area?and?the?side?beam?is?not?conducive?to?the?exertion?of?energy?consumption?of?the?longitudinal?contact，?and?that?the?longer?the?longitudinal?length?of?the?lower?or?upper?part?of?the?boundary?beam?is，?the?smaller?the?influence?of?stiffness?degradation?is，?and?model?S123?has?prominent?performance?in?the?energy?dissipation?capacity?and?stiffness?degradation，?that?is，?the?height?of?the?side?beam?step?is?half?of?beam?height，?and?the?new?type?of?joints?with?a?0.3m?extension?length?of?the?step?has?the?best?seismic?performance.

Key?Words：?Prefabricated?frame;?New?joint;?Quasi-static?test;?Finite?element?modelling

裝配式砼結構是通過將工廠批量預制的混凝土部件移運到施工現場拼裝的建筑結構。相比于傳統整體現澆式結構，這種結構工業化生產的方法大大減少了時間、人力、物力與環境等方面的成本，隨著建筑裝配式施工模式的普及，已經形成了建筑行業高效綠色發展的規模優勢[1]。然而，在歷次震害中發現，框架梁柱節點部位的抗震性能較為薄弱，是房屋倒塌的重點影響因素。國內外專家學者進行了很多研究，例如：龔子榮等[2]學者提出了新型干式連接節點，并推導出新型干式節點的承壓、受彎、受剪等承載力計算公式。黃琨等[3]學者提出一種具有自復位功能的裝配式混凝土梁柱節點，在增大耗能能力上做了較好的嘗試。Yuksel[4]等學者研究U形鋼筋連接節點，效果與現澆整體式結構受力性能相當。然而，這幾種節點的構建形式存在施工技術復雜與設備要求高等情況制約。因此，該文通過課題組研究[5]的新型裝配式中柱節點展開新一輪深度探討，利用有限元分析軟件Abaqus對五種型號的試件與施工縫變尺寸模型進行模擬研究，為該領域的發展提供參考。

1?節點與試驗設計

新型裝配式砼框架中柱節點構造與尺寸如圖1所示，試驗設計了五種型號的足尺模型，其統一參數為：梁截面尺寸為200mm×400mm，上部縱筋配有2B18，箍筋配有A8@100；中柱截面尺寸為400mm×400mm，縱筋配有12B20，箍筋配置為A8@120，試件編號及參數如表1所示。

為了模擬真實的地震波往復作用，試驗采用MTS公司的液壓伺服控制作動器，對模型試件做低周反復加載試驗。將球鉸布置于柱頂，預先施加軸向恒荷載1500kN，刀鉸布置在柱底，作動器夾具分別距離柱邊600mm安裝于左右間梁端部。依靠上方鋼梁的反力，作動器對梁端同步進行豎向相反的往復加載；試件屈服之前，以5kN為級差逐級增加，每級循環加載兩次；屈服后，以2mm位移為級差逐級增加，每級循環加載兩次；當試件出現嚴重損傷破壞或試件承載力下降到其峰值承載力的85%時，判定試件失效，從而結束試驗。

2?有限元模擬與試驗對比

建模前期，為了便于收斂，建立簡化模型，設置彈性的本構關系，設置簡單的接觸。通過一步步調試，逐漸增加復雜設置，將模擬效果逼近真實情況，各設置環節簡述如下。

2.1.1?單元類型

設置為線性插值與減縮積分單元；鋼筋選用T3D2桁架單元，混凝土選用C3D8R單元。

2.1.2?鋼筋材質

根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010），鋼筋的彈塑性本構特性采用雙斜線模型來模擬，鋼筋的彈性模量、屈服與極限強度需與實測值一致，密度為7850kg/m3，泊松比取0.28。

2.1.3?混凝土材質

混凝土的本構關系符合混凝土損傷塑性模型（CDP）[6]，其受拉與受壓的應力-應變關系可以根據《混凝土結構設計規范》給出的關系表達式推導所得。混凝土彈性模量、初始與最大屈服強度等參數需與實測值一致，密度為2370?kg/m3，泊松比取0.2，偏心率取0.1，膨脹角取30°，粘性參數取0.005，K取0.6667，fb0?/?fc0取1.16。

2.1.4?接觸與約束設置

鋼筋與混凝土以嵌入式約束；后澆砼與預制砼的接觸面設置為綁定，切向摩擦公式設為“罰”，法向設置為“硬接觸”，摩擦系數取0.001；在柱底、柱頂與間梁兩端面建立運動耦合約束。

2.1.5?分析步與加載設置

建立Step-1、Step-2靜力分析步，分別設定1s與28s，初始步鉸接中柱底部耦合點；在Step-1中，中柱頂部耦合點位移固定在X、Z方向，并預壓1500kN；在Step-2中，設置位移加載幅值為2mm逐級增加，梁兩端耦合點Y向分別設為-1與1。

通過將五種試件模擬與試驗所得的數據繪制成滯回曲線，如圖2所示。相比之下，NFC-3、NFC-4試件在模擬與試驗的各項性能指標基本一致，其余試件在負向極限荷載方面還有一定區別，而在正向極限荷載、下降段趨勢、初始剛度等方面也基本一致，捏縮效應貼近現實。

3?施工縫尺寸的影響研究

為了研究出不同施工縫尺寸對新型節點結構的影響，建立S系列變尺寸模型，如圖3，為中柱節點模型的右邊梁施工縫尺寸示意圖，左邊梁隨之對稱變化，分別將a、b、c取0.1m、0.2m、0.3m，取15種尺寸組合，其型號以“S+a值+b值+c值”規則命名，各值量綱為分米。間梁耦合點的加載位置不變，故間梁縱向尺寸需隨變化多減少補，將模擬效果穩定良好的NFC-4試件參數代入到這些變尺寸模型中進行模擬，觀察各型號的特征差異。

由于加載時間與加載體制相同，那么各類模型滯回曲線的回環數量是相同的，故而可以考察模型之間的總體耗能能力，如圖4所示。對比發現，S123的總耗能最大，S121總耗能最小；當施工縫尺寸a=0.1m，b=0.2m時，相比于其他尺寸，總耗能會隨著c值的增大而陡然增大，即中柱邊梁與后澆區在縱向的接觸面積越大，摩擦面積越大，則總體耗能能力也越強；而當b=0.1m或b=0.3m時，總耗能受c值的影響不明顯，即后澆區與邊梁的橫向接觸面積過大或過小，均不利于縱向接觸耗能能力的發揮；介于前者的影響，考察當b=0.2m時，發現當a值固定時，總耗能均會隨著c值的增大而增大，同樣地，當c值固定時，總耗能皆會隨著a值的增大而增大。

在低周反復加載試驗中，試件損傷會隨加載次數的增加而增大，而模型剛度則逐漸降低，此為剛度退化現象[7]，其退化程度可用割線剛度公式K=ΣF?/ΣΔ來衡量，其中ΣΔ表示某加載級上正負向峰值位移的絕對值之和，ΣF為相應加載級上正負向峰值的荷載絕對值之和，通過模擬得出的數據推導出K值的變化。由于各模型的割線剛度在位移16mm之后的演化趨勢相近，故取2mm～16mm位移區段作為研究對象，方便清晰對比。如圖5所示，當a、b值固定時，最大割線剛度值Kmax隨著尺寸c的增大而增高，即邊梁下部縱向長度越長，剛度退化影響越小；當a、c值固定時，b=0.2m時，相比于其他尺寸，Kmax均為最大，表明在該尺寸下，結構受震害影響最小；當b、c值固定時，Kmax與a呈正相關，即邊梁上部縱向長度越長，剛度退化影響越小；?S111的Kmax最小，S123的Kmax最大，即邊梁階梯高度為梁高的一半，階梯延出長度為0.3m受剛度退化影響最小。

5?結論

該文通過Abaqus對新型裝配式砼框架中柱節點的五種型號做有限元模擬，最終調試出趨于模擬效果最佳的參數，并將其應用于15種型號施工縫尺寸的模型中，得出結論如下。

（1）在往復加載下，NFC-3與NFC-4的模擬與試驗的滯回曲線較完美貼合，其余型號僅在負向極限荷載上有所差距。

（2）施工縫變尺寸模型在總耗能方面，中柱邊梁與后澆區在縱向的接觸面積越大，總耗能越強；而后澆區與邊梁的橫向接觸面積過大或過小，均不利于縱向接觸耗能的發揮。

（3）邊梁下部或上部縱向長度越長，剛度退化影響越小。模型S123的耗能能力與剛度退化表現突出，即邊梁階梯高度為梁高的一半，階梯延出長度為0.3m的新型節點抗震性能最佳。

參考文獻