不同預應力下預壓裝配式節點抗震性能分析

［摘 要］ 為研究不同預應力下預壓裝配式節點的抗震性能，對三個預壓裝配式節點進行試驗研究，得出節點在不同預應力下的滯回性能、承載能力、耗能能力、延性以及自復位性能。之后建立節點有限元模型，對節點進行擴大參數研究。結果表明：本文所提出的預壓裝配式節點擁有較好的自復位能力和耗能性能，在一定范圍內，隨著初始預應力的提高，節點的自復位能力越強，初始有效預應力的提高能在一定程度上提高節點的承載能力。但是初始預應力不是越大越好，初始預應力的提高會導致節點的耗能能力下降。

［關鍵詞］ 裝配式節點； 抗震性能； 初始預應力； 自復位能力

［中圖分類號］ TU37 ［文獻標識碼］ A

裝配式建筑結構具有諸多優點，比如節能環保、施工運輸方便、縮短工期等。目前裝配式建筑已有廣泛應用，而節點作為其重要部位，已經成為現在研究的熱點，不同的節點擁有不同的力學性能，在地震作用下，節點是否擁有優良的抗震性能將尤為關鍵。

現階段，裝配式混凝土結構中梁和柱之間的連接方式有干式連接和濕式連接兩種[1]。干式連接是指在現場不需要現澆混凝土或者用灌漿材料連接的方式，而是通過螺栓、焊接或者預應力等方式將節點連接起來。常見的干式連接有預應力連接、牛腿連接、螺栓連接等。濕式連接是指預制構件之間采用現場現澆混凝土或灌漿材料的連接方式，濕式連接現場存在大量的濕作業，施工效率較低，內部鋼筋多采用套筒連接，連接質量可控性不足。而干式連接憑借施工便捷以及更高的效率逐漸成為現在的研究熱點[2]。在干式連接方法中，后張預應力連接具有殘余變形小，震后損傷小以及更好的自復位能力，但相關研究發現該連接方式的結構耗能能力不足[3-4]。申彥利[5]等對一種自復位預制混凝土框架節點進行有限元分析，探究了初始預應力對節點抗震性能的影響，結果表明：提高初始預應力可以提高節點的抗震性能。楊輝[6]等對局部后張預應力裝配式混凝土節點進行試驗研究，發現預應力筋的類型、預應力筋和疊合層的縱筋的粘結方式對節點抗震性能有所影響。劉家亮[7]等對預應力全裝配式節點進行試驗研究，研究發現在節點中設置預應力可是節點擁有較好的抵抗變形的能力。

在以上現狀的基礎上，提出一種預壓裝配式節點，也稱PPEFF節點。通過改變節點初始預應力來探究節點的抗震性能，為PPEFF節點在實際工程中的應用提供支撐。

1 試驗概況

1.1 試驗設計及制作

為避免尺寸效應，設計三個足尺節點試件進行試驗研究，試件梁長1800 mm，柱長2600 mm，梁柱混凝土等級均為C40，梁柱均采用HRB400級鋼筋。其余參數見表1。試驗采用的PPEFF節點柱在工廠預制，梁為疊合構件，梁下400 mm為工廠預制，梁上200 mm為現場現澆。梁柱中心均預留預應力孔道，梁上部鋼筋均通過機械連接與柱內的鋼筋連接，同時，耗能鋼筋靠近柱端用PVC管與熱縮管做無粘結處理。梁和柱使用無粘結預應力筋使其連接成為一個整體。節點示意圖及現場試驗圖分別見圖1和圖2。

1.2 試件安裝過程

1）首先根據節點設計圖紙布置鋼筋以及粘貼應變片，之后完成混凝土澆筑，確保試件預留孔洞的正確性以便后續梁和柱的連接。

2）通過梁和柱上事先預留的孔道放置預應力筋，之后完成預應力鋼絞線的張拉。由于節點為無粘結預應力筋，孔洞不作灌漿處理。

3）試件中梁上部耗能鋼筋端部無粘結處理方式為：通過PVC套管包裹耗能鋼筋靠近柱端，在遠離柱端的PVC套管放置熱縮管，加熱熱縮管使其包裹住PVC管的另一端，避免在澆筑混凝土過程中，混凝土進入PVC套管內部。

1.3 加載制度

試驗在開始之前先進行預加載，正式加載先采用荷載控制然后采用位移控制，試件屈服之前采用荷載控制，控制荷載為屈服荷載的0.5倍和0.7倍，且每級循環一次。試件屈服后采用位移控制，且每級循環兩次。圖3為本次試驗加載示意圖。

1.4 試驗現象

節點在屈服之前，在荷載作用下，三組試件均出現不同程度的裂縫，但裂縫較小，在卸載后裂縫基本上閉合，節點核心區未出現裂縫。節點屈服后，在位移作用下，梁柱接觸面上裂縫逐漸增大，裂縫大多集中在梁柱接觸面處，節點核心區混凝土保存良好，當梁端位移作用逐漸增大至80 mm時，在梁柱連接截面400 mm內出現大量裂縫且離連接截面越近裂縫寬度越大混凝土損傷越嚴重，混凝土破壞嚴重部分出現脫落，梁上部鋼筋外露。三組試件最終的破壞形態見圖4。

2 試驗結果分析

2.1 滯回曲線

不同初始預應力下節點滯回曲線見圖5。

由圖5可以看出：

1）從JD1～JD3的滯回曲線對比可以看出，由于在梁中心布置了預應力筋，三組試件滯回曲線均出現了不同程度的“捏縮”現象。由于節點特性，梁靠近柱端截面由于耗能鋼筋僅在梁上部設置，三組試件在正向和負向荷載作用下，正向荷載作用下滯回環的面積明顯大于負向荷載作用時滯回環的面積，滯回曲線明顯不對稱分布。

2）梁端位移作用由20 mm增加至80 mm時，三組試件正向滯回環的面積逐步增大，耗能能力逐步增強。

2.2 骨架曲線

在滯回曲線中每一級位移作用下的荷載的最高點所圍成的曲線成為骨架曲線，三組試件骨架曲線對比見圖6。

由圖6可以看出：

1）在位移作用較小的階段，JD1～JD3骨架曲線基本重合，說明初始預應力大小在這個階段對節點影響很小。梁端位移作用由20 mm增加至80 mm這一階段，不同初始預應力的試件骨架曲線出現明顯差異，隨著初始預應力的增加，節點的承載能力呈上升趨勢。

2）對比JD3和JD1在梁端位移作用為80 mm時的承載力可以發現，JD3的承載力相比于JD1提高了9.19%，而在梁端位移作用為-80 mm時，JD3的承載力相比于JD1僅提高了1.07%。因此，在一定范圍內，增加初始預應力可以提高節點的承載能力，初始預應力越大，節點的承載能力也越大。

2.3 耗能能力

在地震作用下，節點擁有良好的抗震耗能能力可以使節點耗散地震能量從而使節點損傷降低，所以擁有良好的耗能能力對于節點來說尤為重要。在抗震設計中也是需要考慮的一個重要參數。通過能量耗散系數來衡量節點的耗能能力[8]。采用公式（1）與圖7計算耗能系數。

式中：S（ABC+CDA）為滯回曲線所包絡的面積；S（OBE+ODF）為三角形OBE與三角形ODF面積之和。

由圖8可知：

1）在梁端位移作用由20 mm增大到80 mm時，JD1、JD2、JD3的耗能系數均呈逐步上升趨勢，說明試件從加載開始至加載后期，試件的耗能能力逐步增強。

2）對比不同預應力下三組試件的耗能系數可以發現，在試驗加載前期即位移作用較小的階段，JD3的耗能系數介于JD1和JD2之間，在梁端位移作用為80 mm時，JD1的耗能系數與JD3接近，說明初始預應力并不是越大越好，初始預應力過大，試件的耗能能力反而會降低。

2.4 節點延性

延性是衡量節點塑性變形的能力，在抗震設計中具有重要意義。節點延性可由以公式（2）計算，三組試件的延性系數見表2。

式中：μΔ為節點的延性系數；Δμ為節點的屈服位移；Δy為節點的極限位移。

由表2可知：JD1、JD2、JD3在正向和負向作用下延性系數差距較大，正向作用下，節點延性系數在3.57～3.88之間，負向作用下，節點延性系數在21.28～33.25之間。從三組試件的延性系數對比可以看出，在一定范圍內，增加初始預應力能增加節點的延性。

2.5 自復位性能

自復位性能是指結構在荷載作用下的變形恢復能力，采用公式（3）計算

r=（Δ2-Δ1）/Δ2" （3）

式中：γ為自復位能力系數；Δ1為卸載后的殘余變形；Δ2為結構的最大變形。

由圖9可知：梁端位移作用由20 mm逐漸增大到60 mm時，JD1、JD2、JD3自復位能力系數均呈下降趨勢。三組試件中JD3的自復位能力系數明顯大于JD1，說明初始預應力的提高在一定程度上可以提高節點的自復位能力。

3 有限元變參數分析

3.1 簡化及假定

為了使有限元分析更加準確，與實際試驗符合良好，采用以下基本假設：1）假設混凝土疊合梁其疊合截面混凝土粘結良好，其受力性能類似于現澆梁；2）忽略其中耗能鋼筋、抗剪鋼筋與混凝土粘結滑移的影響，二者無相對滑移[7]。

3.2 材料本構模型

在有限元分析中，材料本構模型的選取對計算結果影響重大。混凝土采用經典的塑性損傷模型，該模型可以較好的反映試件在往復荷載下的受力情況。混凝土塑性損傷曲線見圖10。

鋼筋的應力應變關系采用雙折線模型，E0為其在在彈性階段的彈性模量，在屈服后應力應變曲線較為平緩的這一階段其彈性模量為Es（圖11）。

在節點有限元計算中預應力筋的模擬也尤為重要，為使節點有限元模型更容易收斂，預應力筋應力應變曲線斜率為恒定值，采用線彈性本構，預應力筋應力應變曲線見圖12。

3.3 單元選用及網格劃分

有限元模擬其中關鍵的一步為單元選取和網格劃分，二者可保證計算結果的精確性。為了精確地反映節點在真實情況下的受力性能。根據分析的重點選擇不同的單元進行建模，混凝土、耗能鋼筋和抗剪鋼筋采用實體單元建模，箍筋和預應力筋采用桁架單元建模。

網格的大小和質量直接決定了計算結果的真實性。網格劃分過大，雖然在計算效率上有所提升，但是勢必會丟失其模擬精度，導致模擬誤差過大，網格劃分過小，會增加計算迭代次數，計算時間會大大提升甚至會導致模型不收斂。因此，選取合適的網格尺寸至關重要。

3.4 邊界條件及加載

為了準確地模擬節點在真實情況下的受力性能，使其與實際試驗情況相符。對于節點模型柱上下端約束其平面內的位移，允許其自由轉動。節點模型預應力的模擬通過預先創建溫度場使其降溫的方法施加。節點加載制度與實際試驗相同。

3.5 有限元計算結果驗證

圖13為JD2試驗滯回曲線與有限元滯回曲線對比，可以看出兩組曲線基本上重合，僅出現少許偏差，誤差在可接受范圍之內，可見節點建模方法的準確性。

3.6 自復位性能

由于實際試驗制約，僅設置三組不同初始預應力進行分析，因此利用有限元模型對節點增加兩組不同初始預應力進行分析。新增兩組有限元模型節點初始預應力為1050 MPa和1250 MPa。

由圖14可知：當梁端位移作用由20 mm增加至100 mm時，不同初始預應力的節點自復位能力系數均出現不同程度的下降。初始預應力由950 MPa增加至1350 MPa，節點自復位能力系數出現了不同程度的增加。因此，在一定范圍內提高節點的初始預應力可以有效的提高節點的自復位能力。

4 結論

通過對不同初始預應力下預壓裝配式節點的試驗研究、有限元非線性分析，得出以下結論：

1）對于預壓裝配式節點，初始預應力的提高可[CM（22]以有效提高節點的承載能力與自復位能力。但是[LL]初始預應力不是越大越好，初始預應力的提高會導致節點的耗能能力下降。

2）通過有限元滯回曲線與實際試驗滯回曲線對比可知本文所采取的有限元建模方法有效可行。

3）擴大參數分析發現節點初始預應力的增大，對節點自復位性能有較明顯的影響，在一定范圍內，初始預應力的提高能有效提升節點的自復位能力。

［ 參 考 文 獻 ］

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Seismic Performance Analysis of Preloaded FabricatedJoints Under Different Prestress

GUI WenXiang， CAI Jie

（School of civil Engin.，Architecture and Environment， Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract： In order to study the seismic performance of preloaded prefabricated joints under different prestress， this paper makes an experimental study on three preloaded prefabricated joints， and obtains the hysteretic performance， bearing capacity， energy dissipation capacity， ductility and self resetting performance of the joints under different prestress. Then the finite element model of the joint is established and the expanded parameters of the joint are studied. The results show that the preloaded fabricated joint proposed in this paper has better self resetting capacity and energy dissipation performance. In a certain range， with the increase of initial prestress， the stronger the self resetting capacity of the joint is， and the increase of initial effective prestress can improve the bearing capacity of the joint to a certain extent. However， the greater the initial prestress is， the better. The increase of the initial prestress will lead to the decrease of the energy dissipation capacity of the joint.

Keywords： fabricated joints; seismic performance; initial prestress; self reset capability

［責任編校： 裴 琴］

［收稿日期］ 2022-04-22

［第一作者］ 桂文祥（1996-），男，湖北荊門人， 湖北工業大學碩士研究生，研究方向為裝配式混凝土結構。