現(xiàn)澆空心樓蓋板柱增強節(jié)點抗震性能數(shù)值分析

倪紅梅，龐 瑞，劉 瑞，黨隆基

(1.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036；2.河南工業(yè)大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001)

現(xiàn)澆空心樓蓋板柱增強節(jié)點抗震性能數(shù)值分析

倪紅梅1，龐 瑞2，劉 瑞2，黨隆基2

(1.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036；2.河南工業(yè)大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001)

對4個構(gòu)件進行了低周反向反復荷載作用下的數(shù)值分析，對現(xiàn)澆空心樓蓋板柱增強節(jié)點的荷載-位移滯回曲線、骨架曲線、耗能能力和剛度退化進行了系統(tǒng)的分析研究。結(jié)果表明：沿著板長邊布置空心管能夠承受更大的承載力，滯回曲線更為飽滿，剛度退化緩慢，說明沿板長邊布置空心管的受力性能和抗震性能均比沿垂直板長邊布置空心管好；在板柱節(jié)點添加型鋼剪力架能顯著提高構(gòu)件的承載力，但是耗能能力降低；配置彎起鋼筋對提高板柱節(jié)點抗震性能的作用不明顯。

現(xiàn)澆空心樓蓋板柱節(jié)點；布管方向；抗沖切元件；抗震性能

現(xiàn)澆空心樓蓋是指在樓板中預先埋置空心內(nèi)膜，經(jīng)現(xiàn)場澆筑混凝土后形成空腔，從而減輕樓蓋自重，而板承受荷載的能力基本不變的一種新型樓蓋體系。其主要特點是暗梁和空心板構(gòu)成無梁樓蓋，樓面荷載通過框架柱傳遞至基礎，傳力途徑短捷可靠，室內(nèi)凈空大，布局靈活，可降低層高，降低房屋總高度，同時，能滿足多層高層建筑的要求，在住宅、公寓、商場、旅館、倉庫等建筑中應用越來越普遍。

但是，現(xiàn)澆空心樓蓋板柱結(jié)構(gòu)在單獨受豎向荷載作用下或者在豎向荷載和水平地震荷載、重力荷載等綜合作用下，在板柱節(jié)點的連接區(qū)不僅會產(chǎn)生重力荷載，而且還會產(chǎn)生很大的不平衡彎矩，使節(jié)點區(qū)受力更加復雜多變，而節(jié)點區(qū)一旦發(fā)生無預兆的、脆性的沖切破壞[1]，導致節(jié)點區(qū)的連續(xù)破壞，進而引起整個結(jié)構(gòu)的倒塌，后果十分嚴重，目前，國內(nèi)對空心板柱節(jié)點抗震性能的研究較少。

本文在總結(jié)了國內(nèi)外研究的基礎上[2—7]，運用ABAQUS分析軟件對實心板柱節(jié)點、空心板柱節(jié)點、添加彎起鋼筋[8]的空心板柱節(jié)點和添加型鋼剪力架[9—10]的現(xiàn)澆空心樓蓋板柱節(jié)點進行了在低周反向往復荷載作用下的抗震性能數(shù)值分析，進而對現(xiàn)澆空心樓蓋板柱增強節(jié)點的荷載位移滯回曲線、骨架曲線、耗能性能和剛度退化進行對比分析，從而研究空心管不同布置方向和布置不同的抗沖切元件[11]對現(xiàn)澆空心樓蓋板柱增強節(jié)點的抗震性能的影響。

1 模型設計

本文選取了4個板柱結(jié)構(gòu)中柱節(jié)點為研究對象，板幾何尺寸2 400 mm×1 400 mm×140 mm，柱高為1 540 mm，柱橫截面尺寸為300 mm×300 mm，空心管管徑為90 mm，混凝土強度等級C30，暗梁采用四肢箍，圖1為空心管和型鋼剪力架的構(gòu)造詳圖。為了敘述方便，用BZ-SX、BZ-KX、BZ-WQ和BZ-XG分別代表實心節(jié)點、空心節(jié)點、添加彎起鋼筋節(jié)點和添加型鋼剪力架節(jié)點，沿長板邊布置空心管為順管向，記為S。例如，空心板柱順管向節(jié)點記為BZ-KX-S，沿短板邊布置空心管為垂直管向，記為C，同理，空心板柱垂直管向節(jié)點記為BZ-KX-C。表1為各個模型的主要參數(shù)。

圖1 空心管和型鋼剪力架構(gòu)造詳圖

試件編號空心率/%板面配筋暗梁配筋抗沖切元件BZ-SX0?8@100?8@100(50)-BZ-KX32.9?8@100?8@100(50)-BZ-WQ32.9?8@100?8@100(50)彎起鋼筋BZ-CG32.9?8@100?8@100(50)型鋼剪力架

2 有限元模型的建立

2.1 混凝土本構(gòu)模型

混凝土的本構(gòu)模型采用ABAQUS提供的Concrete Plastic Damage模型，由于此模型考慮了混凝土在受拉力和受壓力狀態(tài)下的內(nèi)部損傷，能很好地模擬混凝土的非線性性能。

2.2 鋼材本構(gòu)模型

鋼材本構(gòu)模型由彈性階段和強化階段兩部分組成，隨著荷載的增加，鋼材由彈性階段進入到強化階段，屈服應力隨之提高；反之，屈服應力降低，這種現(xiàn)象稱為鋼材的包辛格效應。本文在此基礎上建立鋼材應力-應變關系的折線模型。

2.3 單元選擇與加載制度

有限元分析模型中混凝土材料采用C3D8R單元，鋼筋均采用Truss(T3D2)單元，型鋼剪力架采用shell(S4R)單元。鋼筋及剪力架通過Embeded嵌入到混凝土中，剪力架各型鋼節(jié)點通過Tie接觸。在進行有限元分析時，首先，在柱頂幾何形心建立參考點并與柱頂截面耦合，在參考點定義250kN的集中力模擬試驗的軸壓力，軸壓比取0.194，柱底采用固定約束，板兩端采用反向反復循環(huán)加載。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

ABAQUS分析計算結(jié)果主要有裂縫云圖、應力云圖和位移圖等，通過云圖，我們能清楚地看到裂縫出現(xiàn)的主要區(qū)域以及鋼筋受力情況。現(xiàn)澆空心樓蓋板柱增強節(jié)點在豎直荷載和不平衡彎矩共同作用下有限元模型及結(jié)果云圖如圖2所示。

圖2 有限元模型及分析結(jié)果

3.1 滯回曲線

在低周反向往復荷載作用下，荷載或位移與構(gòu)件位移之間能夠匯成一系列滯回環(huán)，這一系列滯回環(huán)就構(gòu)成了構(gòu)件的滯回曲線。滯回曲線不僅能綜合體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能，而且還是判斷結(jié)構(gòu)抗震的恢復力并進行彈塑性分析的主要方法。圖3為實心板柱和空心板柱節(jié)點的荷載-位移滯回曲線的對比圖。

由圖3可知：(1)在荷載很小時，滯回曲線接近直線，說明構(gòu)件未開裂，仍舊處于彈性階段，剛度退化不顯著，構(gòu)件殘余變形很小。(2)隨著荷載的不斷增加，構(gòu)件開裂，構(gòu)件殘余變形增大，構(gòu)件由彈性階段進入到彈塑性階段，滯回曲線的斜率不斷減小并向位移軸傾斜，滯回環(huán)面積隨之增大，“梭行”曲線越來越飽滿，說明構(gòu)件耗能能力持續(xù)提高。(3)沿長邊方向布置空心管比沿垂直長邊方向布置空心管的滯回環(huán)面積大，說明沿長邊方向布置空心管受力性能更好。

ABAQUS有限元分析在低周往復荷載作用下的現(xiàn)澆空心樓蓋板柱增強節(jié)點滯回曲線捏縮效應不明顯，主要是因為節(jié)點鋼筋發(fā)生黏結(jié)滑移和鋼筋混凝土拉壓剛度無法符合真實情況所致。

圖3 板柱節(jié)點荷載-位移滯回曲線對比分析

3.2 骨架曲線

把滯回曲線上每次同向拉或壓加載的荷載極值點依次連接所得到的包絡線稱為骨架曲線。骨架曲線能反應試件在各個不同階段的變形和受力特性(強度、剛度、延性及耗能能力等)，它為確定構(gòu)件恢復力模型中的特征點的選擇提供依據(jù)。實心板和空心板板端骨架曲線的對比分析如圖4所示。

圖4 骨架曲線對比分析 圖5 板柱節(jié)點剛度退化

由圖4可知：(1)骨架曲線均呈現(xiàn)S形，說明4個構(gòu)件在低周反向反復荷載作用下經(jīng)歷3個階段，分別為：①彈性階段，此階段隨著荷載的增加，位移沒有明顯變化，呈線性增加，初始剛度沒有明顯變化；②強化階段，此階段隨著荷載值的不斷增加，荷載-位移曲線明顯向位移軸軸靠近，變形曲線不呈現(xiàn)線性增加，說明構(gòu)件的剛度變?。虎燮茐碾A段，此階段曲線荷載位移曲線無明顯變化，說明節(jié)點延性良好。(2)添加型鋼剪力架的現(xiàn)澆空心樓蓋板柱節(jié)點的極限承載力得到明顯提升，構(gòu)件受力性能最好；添加彎起鋼筋也能在一定程度上提高構(gòu)件的受力性能，但效果沒有型鋼剪力架效果明顯。(3)同一構(gòu)件，不同的布管方向，沿長邊布置空心管比沿垂直長邊布置空心管受力性能好。(4)空心板柱節(jié)點和實心板柱節(jié)點比較，沿板短邊布置空心管的板柱節(jié)點的受力性能比實心板節(jié)點的差，沿板長邊布置空心管的板柱節(jié)點的受力性能比實心板好。

3.3 剛度退化

根據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101-2015)[12]取割線剛度表示構(gòu)件的剛度退化，實心板柱節(jié)點和空心板柱節(jié)點剛度退化對比分析如圖5所示。由圖5可知：(1)BZ-KX、BZ-WQ和BZ-CG三個構(gòu)件沿垂直板長邊方向布置空心管均比沿板長邊方向布置空心管剛度退化快。(2)對沿垂直板長邊方向布置空心管，添加型鋼剪力架剛度退化小于實心板柱剛度退化，其余板柱節(jié)點均比實心板柱剛度退化快。(3)對沿板長邊方向布置空心管，BZ-KX、BZ-WQ和BZ-CG三個構(gòu)件的剛度退化均比實心板柱慢。

3.4 耗能分析

滯回曲線所包含的面積能夠反映構(gòu)件耗散地震能量的能力，滯回曲線越飽滿，說明構(gòu)件的耗散地震能量的能力越強，反之，說明構(gòu)件的耗散地震能量的能力越弱。本文主要通過能量耗散系數(shù)E，等效粘滯阻尼系數(shù)ψ探討4個模型的耗能性能。表2為各模型耗能能力對照表。

由表2可知，實心板柱和空心板柱的ψ值為0.419～0.481，說明此類節(jié)點的耗能性能較好，滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)抗震的設計要求。

BZ-KX、BZ-WQ和BZ-CG三個構(gòu)件沿板長邊方向布置空心管均比沿垂直板長方向布置空心管耗能能力強；三個構(gòu)件沿垂直板長方向布置空心管耗能能力均略低于實心板柱的耗能能力，說明此布管方向不利于抗震。

表2 試件的耗能指標

4 結(jié)論

(1)在板柱節(jié)點添加彎起鋼筋對提高構(gòu)件承載力不明顯，添加型鋼剪力架能明顯提高構(gòu)件的承載力。

(2) 沿板長邊方向布置空心管比沿垂直板長邊方向布置空心管抗震性能好。

(3) 在承載力、耗能能力和剛度退化方面，空心板柱和實心板柱的各項性能比較接近，從經(jīng)濟效益考慮，空心板柱具有更好地經(jīng)濟效益。

(4)現(xiàn)澆空心樓蓋型鋼剪力架增強板柱節(jié)點具有更好的抗震性能。

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Numerical study on seismic performance of cast-in-place hollow floor slab-column reinforced connections

NI Hong-mei1, PANG Rui2, LIU Rui2, DANG Long-ji2

(1.SchoolofCivilandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China)

The numerical analysis of 4 components under reversed cyclic reversed loading is carried out, and the cast-in-situ concrete hollow floor slab column reinforced joints of the load displacement hysteretic curve, skeleton curve, energy dissipation capacity and stiffness degradation is studied. The results show that the hollow pipe along the long side of the plate can bear greater bearing capacity, the hysteresis curve is more full, and the stiffness degradation is slow. It is shown that the stress and seismic performance of hollow pipe along the long side of the plate are better than that of the hollow pipe along the long side of the vertical plate. Adding steel shear frame in plate column joints can significantly improve the bearing capacity of the members, but the energy dissipation capacity decreases. The effect of bending reinforcement on seismic behavior of slab column joints is not obvious.

cast-in-place hollow floor slab-column connections; tube laying direction; anti-punching elements; seismic performance

2016-09-12

河南省科技攻關計劃項目(142102210033，132102210445)

倪紅梅(1975—)，女，河南焦作人，碩士，副教授。

1674-7046(2017)01-0030-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.006

TU312

A