裝配式預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

單豪良

摘 要：為促進(jìn)建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)行預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中間層邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能試驗(yàn)研究。對(duì)2個(gè)現(xiàn)澆試件和3個(gè)預(yù)制裝配試件進(jìn)行ANSYS理論分析，考慮到有限元方法的局限性，分析采用正向單調(diào)加載模式，并結(jié)合對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果來(lái)近似評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能。有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果能較好地吻合，可用來(lái)評(píng)價(jià)其抗震性能。

關(guān)鍵詞：預(yù)制混凝土；剪力墻；節(jié)點(diǎn)抗震；有限元方法

【文章編號(hào)】1627-6868（2016）05-0010-03

Abstract： To promote building and housing industrialization， seismic behavior test was carried out for new precast concrete shear wall structures（PC）. Theoretical analysis was done using ANSYS with two cast- in- situ and three PC specimens. Considering the limitation of finite element method，monotonic load mode was adopted to approximately evaluate the seismic behavior of joints under low-cyclic reversed load. The finite elementanalysis result agrees well with the test and can be used for evaluating the seismic behavior.

Keywords： precast concrete； shear walls； joints seismic； finite element method

引言

近年來(lái)，在國(guó)家大力倡導(dǎo)“低碳經(jīng)濟(jì)”、“綠色建筑”概念的驅(qū)使下，建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化工作在全國(guó)范圍進(jìn)行普遍推廣。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工業(yè)化的一種重要形式，同時(shí)，由于剪力墻結(jié)構(gòu)的多種優(yōu)越性，而在我國(guó)面廣量大的住宅建筑中得到了大量采用，因此，兩者相結(jié)合所形成的裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)成為我國(guó)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。預(yù)制混凝土剪力墻單元通過(guò)局部現(xiàn)澆、主要墻豎向鋼筋預(yù)留金屬波紋管漿錨連接以及梁、板疊合澆，形成整體的型預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)（Precast Concrete，以下簡(jiǎn)稱PC）是適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的種住宅結(jié)構(gòu)形式。

預(yù)制混凝土剪力墻構(gòu)件豎向受力鋼筋連接技術(shù)是直接決定裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體抗震能力的關(guān)鍵，多種連接技術(shù)包括漿錨搭接連接、 套筒灌漿連接等的裝配式混凝土剪力墻構(gòu)件的抗震性能成為當(dāng)前主要的研究?jī)?nèi)容， 國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量相關(guān)試驗(yàn)及理論研究， 積累了一定成果和經(jīng)驗(yàn)[1-6]。但目前，對(duì)波紋管漿錨搭接連接技術(shù)的新型混凝土混合裝配式結(jié)構(gòu)研究較少。特別是關(guān)于波紋管漿錨搭接連接技術(shù)的新型混凝土混合裝配式結(jié)構(gòu)的有限元模擬計(jì)算未見(jiàn)相關(guān)研究。

1.有限元介紹

低周反復(fù)荷載試驗(yàn)涉及到混凝土的開(kāi)裂以及裂縫閉合、混凝土局部壓碎、鋼筋的包辛格效應(yīng)、鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)退化以及混凝土和鋼筋的應(yīng)力剛化等非線性及塑性因素， 目前仍然沒(méi)有一個(gè)有限元軟件能精確模擬出結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下的受力全過(guò)程。

本文在兼顧計(jì)算精度和效率的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS，并從節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的骨架曲線出發(fā)，即僅模擬節(jié)點(diǎn)的正向單向加載，直至破壞，以此對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞全過(guò)程進(jìn)行近似分析，分析認(rèn)為，只要彈性階段有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線與骨架曲線逼近， 即可認(rèn)為該模型能足夠準(zhǔn)確反映節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力狀態(tài)，可作為代表性模型，并以此模型探討PC節(jié)點(diǎn)構(gòu)造優(yōu)化。

2.有限元模型建立

由于模型僅考慮彈性階段的精確性， 因此不考慮鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移；試驗(yàn)中新老混凝土強(qiáng)度等級(jí)一致并都經(jīng)過(guò)了足夠長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)期，且全部試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)新老混凝土界面滑移和破壞，并且預(yù)制、后澆混凝土強(qiáng)度相差1MPa，為方便建模，不考慮兩部分混凝土齡期和強(qiáng)度差異的影響；同時(shí)由于墻梁以及板內(nèi)配筋比較均勻，混凝土單元采用帶筋的Solid65單元，建立現(xiàn)澆試件的整體式模型 混凝土本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO，不考慮其抗拉強(qiáng)度，抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）附錄推薦單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)測(cè)混凝土極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)定其中所需參數(shù)，破壞準(zhǔn)則采用 Willam-Warnker五參數(shù)準(zhǔn)則，不考慮混凝土壓碎 鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型BKIN，抗拉強(qiáng)度采用實(shí)測(cè)值，應(yīng)力-應(yīng)變曲線屈服后為水平段，即不考慮鋼筋屈服后強(qiáng)化，可近似考慮包辛格效應(yīng)。

由于ANSYS workbench支持外部模型導(dǎo)入，本文分析模型的幾何模型建立主要AutoCAD中完成，CAD中的三維模型如圖2所示。在中將試驗(yàn)構(gòu)件分成梁、柱、砂裝和預(yù)應(yīng)力筋四塊實(shí)體，其中梁柱材料類型為混凝土，忽略掉其中普通鋼筋的作用；在梁柱、砂裝實(shí)體中開(kāi)洞，洞口直徑略大于預(yù)應(yīng)力筋的直徑，在導(dǎo)入CAD后，取消梁柱、砂漿和鋼筋之間系統(tǒng)默認(rèn)的接觸面，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋無(wú)粘結(jié)性能的模擬；在加載、施加約束以及鋼筋筋兩端設(shè)置剛性塾板，以防止應(yīng)力集中。

3.計(jì)算結(jié)果分析比較

骨架曲線表征節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力與變形的關(guān)系以及在低周反復(fù)荷載作用下的變形過(guò)程， 是節(jié)點(diǎn)抗震性能的重要體現(xiàn)?，F(xiàn)澆試件以及PC試件試驗(yàn)實(shí)測(cè)骨架曲線與有限元計(jì)算曲線的對(duì)比見(jiàn)圖4

由圖4可以看出，初始階段即屈服前，節(jié)點(diǎn)處于彈性階段塑性未充分發(fā)展，節(jié)點(diǎn)非線性因素不明顯，有限元計(jì)算曲線能較好地吻合實(shí)測(cè)曲線；至加載后期即屈服后，特別是接近極限荷載時(shí)，隨著混凝土開(kāi)裂加劇和局部壓碎 節(jié)點(diǎn)附近受拉鋼筋與混凝土黏結(jié)退化鋼筋處于反復(fù)拉壓狀態(tài)的包辛格效應(yīng)等各類非線性和塑性因素的影響越來(lái)越顯著，而這些因素對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力都有一定的削弱作用，雖然實(shí)際鋼筋的應(yīng)變硬化理論上可繼續(xù)提高節(jié)點(diǎn)承載力，但綜合各種因素，提高幅度非常有限，表現(xiàn)在圖4中屈服后骨架曲線較平緩。另一方面，有限元模型沒(méi)有考慮鋼筋的應(yīng)變硬化，僅是對(duì)鋼筋的包辛格效應(yīng)的一種近似考慮，仍然不能充分考慮前述各因素對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響，因此，屈服后有限元計(jì)算值仍有較多提高，表現(xiàn)在圖4中計(jì)算曲線較實(shí)測(cè)曲線有一較陡 較長(zhǎng)的上升段， 造成有限元計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏大 但是， 計(jì)算曲線的整體趨勢(shì)和實(shí)測(cè)曲線一致 可以用單調(diào)加載下的荷載-位移曲線來(lái)近似評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能。

特征荷載實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值的對(duì)比見(jiàn)表1。

4.結(jié)論

節(jié)點(diǎn)屈服荷載有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較接近，而極限荷載分別提高了約30%和50%，說(shuō)明低周反復(fù)荷載作用下對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力影響較大，而對(duì)節(jié)點(diǎn)屈服荷載影響不大。

極限荷載有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較的平均誤差現(xiàn)澆試件為49%，大于PC試件的29.63%。分析認(rèn)為，加載后期更靠近截面中部的連接鋼筋開(kāi)始發(fā)揮作用，使得PC試件屈服后實(shí)測(cè)承載力得到較現(xiàn)澆試件更大的提高。

PC試件較現(xiàn)澆試件屈服荷載極限荷載分別提高了約31.9%和23.2%，但是，由于連接鋼筋的存在，用鋼量比現(xiàn)澆試件高，但相對(duì)于試件承載力的提高來(lái)說(shuō)用鋼量增加不大，并可通過(guò)工業(yè)化制作與安裝效率的提高來(lái)降低造價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1]錢(qián)稼茹、彭媛媛、張景明等.豎向鋼筋套筒漿錨連接的預(yù)制剪力墻抗震性能試驗(yàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)2011，41（2）：1-6.

[2]錢(qián)稼茹、彭媛媛、秦珩等.豎向鋼筋留洞漿錨間接搭接的預(yù)制剪力墻抗震性能試驗(yàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)2011.41（2）：7-11.

[3]姜洪斌、張海順、劉文清等.預(yù)制混凝土插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接試驗(yàn)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2011，43（10）：18-23.

[4]劉家彬、陳云鋼、郭正興等.豎向新型連接裝配式剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版2014，41（4）：16-24.

[5]肖全東、郭正興.預(yù)制雙板剪力墻的耗能能力[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版 2014，41（9）：35-41

[6]朱張峰、郭正興.裝配式短肢剪力墻低周反復(fù)荷載試驗(yàn)[J]. 工程力學(xué) 2013，30（5）：125-130.