韌性裝配式RC梁柱節點抗震性能數值模擬研究

錢愛云，周 雄，姜華明，李 桅（.江西恒信檢測集團有限公司，江西 南昌 330096；.溫州大學建筑工程學院，浙江 溫州 35035）

0 引 言

裝配式結構是以預制構件作為主要受力構件，并通過一定的裝配和連接手段，把預制構件組裝成一個整體的結構，具有施工速度快、運營周期短、產品質量高和生產效率高的優點[1-2]。震害觀測表明，起到連接作用的節點破壞是引起裝配式結構倒塌的主要原因，節點區受力復雜并且會受到極大的剪力作用，通常能達到數倍柱端所受剪力，是結構中典型薄弱部位[3-4]。新型梁柱節點的不斷突破，給裝配式節點的抗震發展帶來了巨大變革，抗震的裝配式梁柱節點也得到了飛速發展。

LI等[5]對所提出3種可拆卸節點的抗震性能進行了數值和試驗研究，與不可拆卸節點相比，3種可拆卸節點具有更大的水平承載力和更好的耗能能力。李祚華等[6]提出了一種裝配式RC梁柱塑性可控鋼質節點，新型節點的最大耗能能力比現澆節點提高了81.7%，延性提高了13.81%，并且新型節點承載力退化速率比現澆節點慢，退化系數保持在0.9以上。SONG等[7]提出帶有腹板摩擦裝置的自復位混凝土梁柱的新型連接方式，研究表明該結構具有減小殘余變形能力和結構損傷的作用。YAN等[8]提出一種采用高強度鋼構件和保險絲節點的框架。當保險絲的屈服強度增加到1.1fy、1.2fy、1.3fy時，T形節點的極限抗彎能力分別提高了8%、16%、30%。HUANG等[9]提出了一種新型的裝配式混凝土梁柱連接形式，該裝配式梁柱節點的抗震性能在強度、剛度、變形和耗能能力方面均優于現澆節點。同時，裝配式構件在地震破壞后可以進行更換，便于裝配式構件的快速修復。劉建武等[10]研究了預制裝配式塑性可控節點的抗震性能，當梁繞著銷軸轉動時，圓棒或鋼板阻礙其轉動并發生塑性變形耗能。YE等[11]提出了一種新型雙功能可更換鋼板阻尼器。在其滯回曲線中，極限承載力大于167.20 kN，試件的延性系數均大于7.0，對于相同參數的鋼板減振器，狗骨型減振器的變形能力、耗能能力和延性均優于橢圓孔型減振器。

為了充分發揮裝配式梁柱節點的優點，本文提出了一種新型且具備抗震韌性的裝配式梁柱節點。該節點的主要特點是結構上的削弱型耗能板處采用了塑性鉸外移的設計方法，讓上部鋼板成為耗能板，增加其梁柱節點的抗震韌性。在地震作用下，耗能構件通過和連接件的摩擦以及自身金屬屈服變形所消耗地震能量，并為結構構件提供變形空間，保證結構不發生脆性破壞，解決了傳統裝配式梁柱節點抗震性能差的問題。在震后，通過更換耗能板以達到恢復該節點抗震功能的目的，滿足損傷控制設計的基本設計原則。

1 節點構造

1.1 節點的描述

新型的裝配式梁柱節點主要包括混凝土預制梁柱、預埋鋼構件、耗能板和抗剪腹板。預埋在柱端的鋼構件如圖1（a）所示，預埋在梁端的鋼構件上，H型鋼的腹板兩側焊接栓釘以此增加連接強度，如圖1（b）所示。此外，在預制混凝土柱中，在節點區要預制橫梁，為鋼構件提供足夠的錨固長度。在2個鋼構件上的翼緣和腹板處分別鉆取多個螺栓孔洞，把耗能板和抗剪腹板安裝到鋼構件上，通過螺栓連接把節點構件組裝起來，如圖1（c）所示。耗能板能控制塑性鉸形成在規定的削弱位置，讓鋼板更快地達到屈服，起到耗能的目的。現澆式梁柱節點BCJ-C[12]為本模型的參考節點，如圖2（a）所示。本文所提出新型節點J1的具體尺寸如圖2（b）所示，本模型節點處的箍筋不穿透H型鋼，而是焊接在腹板上以增強其連接強度。

圖1 新型的混凝土裝配式梁柱節點

圖2 節點幾何尺寸與構造

1.2 節點有限元加載制度

對試件進行擬靜力的有限元模擬仿真分析，研究其滯回性能。在梁的自由端施加豎向荷載，除了在梁端對梁施加低周反復荷載，還在柱頂端施加一個豎直向下的軸向壓力，軸向力的大小始終保持在700 kN。本加載制度選擇荷載-位移混合加載制度，如圖3所示。在梁柱節點處的耗能板屈服前，采用荷載控制加載制度，每個加載步驟只使用1次加載循環，等到試件屈服后對其進行位移加載，前3個步驟重復3次，第3個加載步驟后均重復2次。

圖3 位移-荷載混合加載制度

2 節點有限元模型的建立

本文利用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，建立的有限元模型及相應的網格分布如圖4所示。對于混凝土和鋼構件，闡述了使用的材料模型和單元類型，還說明了該梁柱節點的邊界條件和荷載狀態。

圖4 有限元模型的建立

2.1 混凝土材料模型

本研究中的混凝土本構模型能較好地反映混凝土滯回、剛度退化以及強度退化的特性。為了模擬所選參考節點的真實情況，所采用的混凝土為C40混凝土，彈性模量為32 460 MPa，泊松比為0.2，混凝土抗壓強度為39.8 MPa。

2.2 鋼筋和型鋼材料模型

在本模型中，縱筋和箍筋均采用HRB400級鋼筋，型鋼、耗能板和栓釘等其他鋼構件為Q390。縱筋的直徑為16 mm，箍筋的直徑為8 mm，鋼材本構模型均采用雙折線模型為了簡化分析和避免收斂困難，不考慮混凝土與鋼筋的黏結滑移，通過“嵌入”約束將型鋼和鋼筋嵌入到混凝土當中[13]。

2.3 邊界條件和荷載狀態

在該數值模型中，混凝土柱頂部和底部的節點在X、Y和Z軸方向上的位移被約束，在X和Y軸方向的轉動被約束。加載過程中在梁的自由端施加低周反復的循環荷載。在混凝土柱頂端施加一個豎直向下的軸向荷載，大小為混凝土軸向最大承載能力的30%，荷載始終保持在700 kN，并且貫穿了加載的整個階段，螺栓預緊力為極限承載力的70%。

2.4 有限元模型的驗證

數值模擬和試驗均采用位移加載制度，通過數值計算結果和試驗結果的對比，以此來驗證所建立模型的有效性。如圖5（a）所示，有限元中的塑性應變幅度（PEMAG）在破壞階段主要集中在靠近節點的梁端，即破壞主要發生在節點處，并未發生在柱內。如圖5（b）所示，模擬與試驗中的滯回曲線相對比可知，在循環加載的各個階段中，數值模擬與試驗中滯回曲線的荷載峰值吻合較好。試驗中滯回曲線的捏縮現象比數值模擬要明顯，這是因為數值模擬沒考慮鋼筋的黏結滑移作用。綜上所述，數值模擬結果與實驗結果吻合較好，驗證了文中建立的數值模擬方法的有效性[14-15]。

圖5 有限元模型的驗證

3 計算結果與討論

3.1 滯回曲線和骨架曲線

如圖6（a）所示，裝配式節點的滯回曲線更飽滿，表現了更好的耗能能力，這主要是因為耗能板具有良好的塑性變形能力。裝配式節點正負向峰值荷載分別為整體節點的1.74倍和1.95倍，表明了節點在發生較大變形時仍具有較高的承載力。由于有限元模型中未考慮鋼筋滑移所造成的影響，滯回曲線無明顯捏縮現象。裝配式節點的骨架曲線對比圖如圖6（b）所示，在彈性階段，裝配式節點的剛度遠大于整體節點，隨著位移加大，裝配式節點J1的骨架曲線有較平緩的下降段，表明其延性的優越性。

圖6 滯回曲線和骨架曲線對比圖

3.2 各部件的應力分析

本文所述的裝配式節點每個部件的應力應變云圖，如圖7所示。在整個加載過程中，混凝土構件應力很小，鋼筋籠還未屈服，最大應力還在彈性范圍內，說明裝配式梁柱節點破壞時仍處于彈性范圍內或者整體的結構只出現輕微損傷的狀態。從圖7（b）可知，應力主要集中于螺栓以及耗能板上，每個耗能板都參與了拉壓變形耗能，同時裝配式節點有效控制了混凝土的損傷，避免梁端發生彎曲破壞，實現梁端“塑性可控”。

圖7 裝配式節點各部件的應力應變云圖

3.3 耗能分析

節點的耗能-加載位移曲線如圖8（a）所示。加載初期，裝配式節點和現澆節點的耗能相差不大且較低，隨著位移荷載的增加，兩者的耗能逐漸增大，差距也逐漸增大，并且裝配式節點的耗能一直大于現澆節點的耗能。裝配式節點的累計耗能為165 723 kN·mm，現澆節點BCJ-C的累計耗能為105 180 kN·mm，裝配式節點累計耗能是現澆節點耗能的1.58倍。裝配式節點和現澆節點的等效黏滯阻尼系數he隨位移加載的變化如圖8（b）所示。現澆節點的等效黏滯阻尼系數最大值為0.281，而裝配式節點的等效黏滯阻尼系數最大值為0.393，比現澆節點的阻尼系數提高了39.86%。由于現澆節點核心區混凝土較早產生裂縫，混凝土裂縫集中在節點核心區發展，最后在此區域發生了破壞。導致現澆節點中加載位移＜40 mm時，等效黏滯阻尼系數大于裝配式節點的等效黏滯阻尼系數。

圖8 耗能-加載位移曲線

4 參數研究

本模型考慮了混凝土強度、耗能板厚度和耗能板強度對節點極限承載力的影響。

4.1 混凝土強度的影響

在不同混凝土強度下的滯回曲線如圖9所示。在彈性范圍內，混凝土強度對節點的荷載-位移曲線影響并不明顯，主要是因為較高的初始剛度不是混凝土賦予的，而是內置的型鋼本身較高的剛度。如圖10（a）所示，混凝土強度從25 MPa提高到70 MPa，峰值荷載也隨之從71.18 kN增加到91.61 kN，承載能力提高了28.7%。如圖10（b）所示，當混凝土強度為25 MPa時，延性系數最大為7.01。隨著混凝土強度的提高，延性隨之降低，當混凝土強度達到70 MPa時，構件的延性系數達到最低為6.42，下降了8.4%。

圖9 混凝土強度對裝配式梁柱節點荷載-位移的影響

圖10 混凝土強度的影響

4.2 耗能板厚度的影響

耗能板厚度設置為4個不同值：5 mm、10 mm、15 mm和20 mm。如圖11所示，在彈性范圍內，耗能板的厚度越大，裝配式梁柱節點的初始剛度也越大；節點的承載能力也有所提高，如圖12（a）所示，當耗能板厚度為5 mm時，承載能力為77.88 kN，當耗能板厚度為20 mm時，最大承載能力為83.18 kN，提高了6.9%。如圖12（b）所示，當耗能板厚度為5 mm時，延性系數最大為6.86，厚度為20 mm時，延性系數為6.26，降低了9.1%，可知耗能板厚度對節點的抗震性能影響較小。

圖11 耗能板厚度對裝配式梁柱節點荷載-位移的影響

圖12 耗能板厚度對承載能力和延性的影響

4.3 耗能板強度的影響

耗能板鋼材強度設置為4個不同值：235 MPa、345 MPa、390 MPa和460 MPa，分別對應于Q235、Q345、Q390和Q460。應力云圖如圖13所示，可以看出，當耗能板鋼材強度為Q390時，所達到的應力最大，耗能板中間削弱部位和螺栓孔附近的應力最大，耗能板的中間削弱部位最先發生屈服，設計達到控制損傷的目的。

圖13 不同強度耗能板應力云圖

如圖14所示，型鋼強度越大，裝配式梁柱節點的初始剛度也越大；節點的承載能力也越大。如圖15（a）所示，當耗能板鋼材使用Q235時，其極限承載力最小，為72.4 kN；當耗能板鋼材使用Q460時，其極限承載力最大，為84.17 kN，提高了16.3%。如圖15（b）所示，當耗能板鋼材使用Q235時，延性系數最大為7.42；耗能板鋼材使用Q460時，延性系數最小為6.32，比前者低了14.8%。

圖14 耗能板強度對裝配式梁柱節點荷載-位移的影響

圖15 耗能板強度對承載能力和延性的影響

5 結 語

筆者對一種韌性裝配式RC梁柱節點的抗震性能進行了模擬分析，得出如下結論。

（1）裝配式RC梁柱節點在加載過程中一直處于彈性范圍內，節點只出現輕微損傷的狀態。本文提出的裝配式節點正負向峰值荷載分別為現澆參考節點的1.74倍和1.95倍，其初始剛度遠遠大于現澆參考節點，并且節點的累計耗能是現澆參考節點耗能的1.58倍，抗震性能明顯優于現澆節點。

（2）本文對混凝土強度、耗能板厚度和耗能板強度進行了參數分析，不同的參數對承載力和延性的影響也不同。提高混凝土強度、耗能板厚度和耗能板強度，均會使節點的承載力增加，而延性降低。