反復(fù)荷載下裝配整體式梁板節(jié)點延性分析

李真真 張鵬 鄧宇 吳賢情

摘 ? ?要：為研究裝配整體式梁板節(jié)點的延性性能，分別對2個預(yù)制梁板節(jié)點和2個現(xiàn)澆梁板節(jié)點進行豎向低周反復(fù)荷載試驗，觀察節(jié)點的破壞過程和破壞形態(tài)，對比分析節(jié)點的延性性能、剛度退化規(guī)律.試驗結(jié)果表明：預(yù)制梁板節(jié)點和現(xiàn)澆梁板節(jié)點的破壞形態(tài)均為彎曲破壞，兩類節(jié)點延性系數(shù)基本相同并且都大于3，說明各節(jié)點延性性能均較好;按照等強度設(shè)計的裝配整體式梁板節(jié)點滿足受力要求，表現(xiàn)出良好的延性性能;利用ABAQUS有限元分析軟件建立模型對試件進行模擬分析，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果接近，驗證了試驗方法和有限元模型的有效性.

關(guān)鍵詞：裝配整體式;梁板節(jié)點;低周反復(fù)荷載;延性

中圖分類號：TU375 ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.004

引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)，具有眾多優(yōu)越性能，符合我國綠色建筑的標準及新時期建筑業(yè)的發(fā)展方向[1-2].相比傳統(tǒng)建設(shè)方法，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率高、施工速度快，既節(jié)省模板，降低工程費用，又具有外裝飾效果，適合工業(yè)化生產(chǎn)，因此其在土木工程中得到越來越多的應(yīng)用.但是該結(jié)構(gòu)形式也存在整體性較差、抗震性能弱、節(jié)點開裂及滲水等缺陷[3]，因此改善裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能對其在土木工程中的應(yīng)用與發(fā)展尤為重要.

預(yù)制板-現(xiàn)澆梁裝配整體式梁板節(jié)點（Prefabricated plate-cast-in-place beam assembly integral beam-plate joint，以下簡稱預(yù)制節(jié)點）既具有普通裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可在工廠進行批量生產(chǎn)，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，縮短工期[4]，又可以改善裝配式結(jié)構(gòu)整體性，提高裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能.文獻[5]對裝配式梁板節(jié)點進行足尺單調(diào)靜力加載試驗，研究了其在靜力加載下的力學(xué)性能;文獻[6]對裝配整體式節(jié)點和現(xiàn)澆對比節(jié)點進行靜力加載試驗研究，試驗表明裝配式節(jié)點的受力性能與現(xiàn)澆節(jié)點基本相同.目前此類預(yù)制節(jié)點的研究多為靜力加載試驗研究，缺少對節(jié)點的抗震性能研究，對其設(shè)計方法、受力機理還不了解，限制了其在工程中的應(yīng)用.為了全面了解其延性性能，分別對2個預(yù)制節(jié)點和2個現(xiàn)澆梁板節(jié)點（Cast-in-place beam-slab joint，以下簡稱現(xiàn)澆節(jié)點）進行豎向低周反復(fù)荷載下的試驗研究，對比分析兩類節(jié)點的破壞過程、破壞形態(tài)、剛度退化規(guī)律和延性性能，并通過ABAQUS軟件對試件進行模擬分析，為這種預(yù)制節(jié)點在工程中的應(yīng)用及設(shè)計方法的完善提供了參考依據(jù)，推動了裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展.

1 ?試驗概況

1.1 ?試件設(shè)計

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010[7]中對配筋率和構(gòu)造要求的規(guī)定，并采用等強度設(shè)計進行配筋，設(shè)計制作了兩類梁板節(jié)點，分別為預(yù)制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點，試件具體參數(shù)見表1.

兩類梁板節(jié)點的板面和板底配筋均采用B8@150的HRB335級鋼筋，不同之處是預(yù)制板端預(yù)留鋼筋錨入梁內(nèi)，現(xiàn)澆板鋼筋沿板長通長布置;梁的縱筋為4B16的HRB335級鋼筋，箍筋為 ? ? ? B8@160，箍筋保護層厚度為18.5 mm.試件具體尺寸及配筋見圖 1.

預(yù)制節(jié)點試件后澆區(qū)采用的混凝土等級為C30，預(yù)制板和現(xiàn)澆節(jié)點試件混凝土等級為C20，試件材料力學(xué)性能見表2和表3.

1.2 ? 加載方案

本試驗采用MTS電液伺服加載裝置對試件進行豎向低周反復(fù)加載，試件兩板端為一端固定鉸支座一端滑動鉸支座，豎向荷載施加在中間梁上，具體加載裝置如圖2所示.本試驗加載方式采用荷載和位移混合控制加載[8]，試件屈服前按荷載控制，每級荷載增量為3 kN，每級荷載反復(fù) 1次;試件屈服后，按屈服時豎向位移的倍數(shù)逐級增加，每級循環(huán)3次，直到豎向荷載下降到試件峰值荷載的85% 左右時，結(jié)束試驗.試驗加載制度如圖 3 所示.

1.3 ? 測量方案

試驗主要觀測內(nèi)容為試件豎向荷載、豎向位移、節(jié)點區(qū)縱筋、箍筋和混凝土應(yīng)變、試件受力過程中裂縫開展情況，并在外部采用位移計測量節(jié)點豎向位移.內(nèi)部測點及位移計布置見圖4.

2 ? ?試件破壞過程

經(jīng)過試驗觀測，4個試件的破壞形態(tài)均為彎曲破壞，可把試件受力后的破壞過程分為3個階段：彈性階段、屈服階段、破壞階段.

1）彈性階段：從加載開始直至混凝土開裂以前，試件處于彈性階段，此時鋼筋和混凝土應(yīng)變較小，試件變形可以恢復(fù);

2）屈服階段：隨著荷載的加大，梁板節(jié)點核心區(qū)附近的板面出現(xiàn)裂縫，并且在板面豎向緩慢延伸，鋼筋應(yīng)變出現(xiàn)突變現(xiàn)象;繼續(xù)加載，部分裂縫在板面貫穿，并向試件正面梁處延伸，板面裂縫數(shù)量增多，試件位移加大，鋼筋屈服;

3）破壞階段：隨著反復(fù)循環(huán)加載，板面原有的裂縫寬度增大，并且貫穿形成幾條通長裂縫，梁板節(jié)點區(qū)附近開始有混凝土剝落，內(nèi)部發(fā)出劈裂聲，豎向荷載開始下降，當荷載下降至85%的峰值荷載時，板混凝土被壓碎，試件喪失承載能力并破壞，試驗結(jié)束.

試驗加載過程中，預(yù)制節(jié)點試件與現(xiàn)澆節(jié)點試件的裂縫分布大體一致，預(yù)制節(jié)點試件的裂縫多出現(xiàn)于預(yù)制板與現(xiàn)澆梁的新舊混凝土交接處，現(xiàn)澆節(jié)點裂縫多分布于節(jié)點核心區(qū)附近，加載后期現(xiàn)澆節(jié)點的極限位移要略大于預(yù)制節(jié)點，但是二者相差不大.由于設(shè)計時預(yù)制板采用鋼筋伸入梁內(nèi)進行錨固，在節(jié)點的受力過程中梁板連接處并未產(chǎn)生剪切破壞，預(yù)制節(jié)點試件整體性較好，各節(jié)點破壞形態(tài)見圖5.

3 ? ?剛度退化

結(jié)構(gòu)在受力過程中抵抗變形的能力稱為剛度，在低周反復(fù)荷載作用下，試件內(nèi)部出現(xiàn)累計損傷，其剛度隨加載和位移循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小，這種現(xiàn)象稱為剛度退化.為研究試件的剛度退化規(guī)律，本文采用折算等效剛度公式：

式中，[Pi ， Δi] 分別為第 i 級循環(huán)對應(yīng)的正向或負向豎向荷載最大值和相應(yīng)位移，各試件的剛度退化曲線如圖6所示.

從圖中各試件剛度變化可以看出，加載初期，試件處于彈性階段，剛度退化現(xiàn)象不明顯;隨著控制荷載的增加，混凝土開始出現(xiàn)裂縫，試件有效截面減小，剛度退化速度開始加快;當荷載和位移循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，試件進入彈塑性階段至破壞前，因為混凝土表面原有裂縫發(fā)展緩慢，試件形成梁端塑性鉸，剛度退化速度減慢.現(xiàn)澆節(jié)點初始剛度比預(yù)制節(jié)點大，但隨著試驗加載，預(yù)制節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的剛度退化速率基本一致，在反復(fù)循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出較好的抵抗變形的能力.

4 ? ?延性性能分析

延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在某個截面屈服后，其承載能力還沒有明顯下降期間的可承受變形的能力[9-10].本文對兩類梁板節(jié)點的位移延性系數(shù)做了研究，對比分析了各試件的延性性能.

4.1 ? 位移延性系數(shù)的確定

結(jié)構(gòu)的延性性能通?？梢圆捎醚有韵禂?shù)μ來表示，位移延性系數(shù)為極限位移與屈服位移的比值即 ? ? ? μ=Δu/Δy[11-12].一般可根據(jù)試驗所測滯回曲線的骨架曲線，采用能量等值法確定構(gòu)件的屈服點及屈服位移，極限位移取為荷載下降到85%峰值荷載時所對應(yīng)的位移值，通過計算，各個梁板節(jié)點試件的延性系數(shù)見表4.

[構(gòu)件編號 加載方向 屈服點 峰值點 破壞點 位移延性

注：[Pty]為屈服荷載實測值，[Ptmax]為峰值荷載實測值，[Ptu]為破壞荷載實測值;Δy、Δmax、Δu分別為[Pty]、[Ptmax]、[Ptu]所對應(yīng)的位移值.

4.2 ? 位移延性系數(shù)對比分析

通過對各試件位移延性系數(shù)分析可知，預(yù)制節(jié)點試件位移延性系數(shù)介于5.1～6.0，現(xiàn)澆節(jié)點試件位移延性系數(shù)介于5.7～6.6，現(xiàn)澆節(jié)點的延性系數(shù)要略大于預(yù)制節(jié)點，但是兩類梁板節(jié)點的延性系數(shù)均大于3，說明兩類節(jié)點的延性性能都較好，采用預(yù)制板-現(xiàn)澆梁的裝配整體式混凝土梁板節(jié)點的抗震性能滿足規(guī)范要求.

預(yù)制節(jié)點試件的極限位移平均值為72.30 mm，現(xiàn)澆節(jié)點試件的極限位移平均值為82.84 mm，表明兩類試件在完全喪失承載力之前都有較大豎向位移，二者變形能力相差不大，均具有良好的延性及耗能能力.

通過以上對比分析，按等強度條件設(shè)計的新型裝配整體式梁板節(jié)點與現(xiàn)澆梁板節(jié)點構(gòu)件的特征荷載、特征位移、延性系數(shù)都基本相同，新型裝配整體式梁板節(jié)點在豎向低周反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出良好的延性性能，滿足抗震要求.

5 ? ?有限元分析

有限元模擬以現(xiàn)澆及預(yù)制試件為原型進行實體建模，采用ABAQUS有限元軟件對試件進行了非線性有限元分析，為提高計算效率及建模的簡便易行，模擬時不考慮混凝土和鋼筋之間的黏結(jié)滑移，并將模擬結(jié)果與試驗實測結(jié)果進行了對比分析.

5.1 ? 有限元模型的建立

混凝土選用C3D8R單元，考慮到混凝土在反復(fù)荷載下的損傷、裂縫開展和閉合、剛度恢復(fù)等問題，本構(gòu)模型采用了混凝土損傷塑性模型，該模型收斂效果較好，適用于混凝土構(gòu)件在反復(fù)荷載下的抗震性能分析，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）所建議的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線[13].鋼筋選用T3D2單元，本構(gòu)關(guān)系采用雙線性模型，鋼筋抗拉強度為實測值，不考慮鋼筋屈服后的強化階段，采用*embedded 將鋼筋埋入混凝土模型中[14].預(yù)制節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點最大區(qū)別在于梁板后澆區(qū)混凝土強度和節(jié)點處錨固連接鋼筋，建立的非線性數(shù)值模型見圖7，其中預(yù)制節(jié)點模型為矢量圖，以便顯示節(jié)點處連接鋼筋.

5.2 ? 結(jié)果分析

5.2.1 ? 應(yīng)力分布及變形

對節(jié)點進行豎向低周反復(fù)加載，圖8為非線性節(jié)點模型的應(yīng)力分布圖，試件節(jié)點區(qū)附近混凝土開裂后鋼筋應(yīng)力增大，塑性變形主要發(fā)生在梁板節(jié)點區(qū)附近，最終破壞形態(tài)為彎曲破壞，有限元模擬結(jié)果與試驗測得結(jié)果相吻合，有限元模型較好地反映了試件在反復(fù)荷載下的應(yīng)力分布及變形情況.

5.2.2 ? 承載力

承載力特征值的實測值與模擬值對比見表5.從表5可知，現(xiàn)澆節(jié)點模型和預(yù)制節(jié)點模型的有限元模擬結(jié)果與實測結(jié)果相差不大，屈服荷載較接近，有限元模擬的峰值荷載大于實測峰值荷載.分析認為，有限元模擬時沒有考慮反復(fù)加載時混凝土開裂發(fā)展、鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)滑移、邊界條件差別等因素對試件承載力的影響，因此導(dǎo)致峰值荷載差距相對較大.但是總體來看，模擬結(jié)果與實測結(jié)果誤差在允許范圍內(nèi)，說明ABAQUS軟件可以在一定程度上模擬節(jié)點試件在低周反復(fù)荷載下的抗震性能.

[構(gòu)件編號 加載方向 屈服荷載模擬值[Pcy/kN] 峰值荷載模擬值[Pcmax/kN] [PcyPty] [PcuPtu] XJJD-3 正向 ?26.1 ?32.1 1.10 1.20 反向 -30.6 -37.3 YZJD-3 正向 ?25.6 ?30.1 1.07 1.21 反向 -30.0 -36.2 ]

6 ? ?結(jié)論

1）按等強度條件設(shè)計的預(yù)制節(jié)點的破壞過程與現(xiàn)澆混凝土梁板節(jié)點的十分接近，預(yù)制節(jié)點裂縫分布與現(xiàn)澆節(jié)點的基本一致，兩者破壞形態(tài)最終都是彎曲破壞;

2）預(yù)制板采用鋼筋伸入梁內(nèi)進行錨固，試驗過程中預(yù)制節(jié)點核心區(qū)沒有出現(xiàn)剪切破壞，改善了裝配整體式梁板節(jié)點的整體性，保證了梁板在受力過程中的協(xié)同工作;

3）現(xiàn)澆節(jié)點的初始剛度比預(yù)制節(jié)點略大，但加載后期預(yù)制節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的剛度退化速率基本一致，預(yù)制節(jié)點在反復(fù)循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出較好的抵抗變形的能力;

4）預(yù)制節(jié)點的延性系數(shù)與現(xiàn)澆節(jié)點基本相同，延性性能較好，滿足抗震要求，表明按照等強度設(shè)計后的裝配整體式預(yù)制節(jié)點提高了普通裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能，改善了裝配式結(jié)構(gòu)的整體性，具有較好的耗能能力，在未來建筑中具有廣闊的應(yīng)用前景;

5）基于ABAQUS有限元軟件對預(yù)制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點受力過程進行了非線性模擬，并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本接近，驗證了試驗方法和有限元模型的有效性，對裝配式結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和進一步科學(xué)研究具有重要意義.

參考文獻

[1] ? ? 劉瓊，李向民，許清風.預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].施工技術(shù)，2014，43（22）：9-14，36.

[2] ? ? 閆維明，王文明，陳適才，等. 裝配式預(yù)制混凝土梁-柱-疊合板邊節(jié)點抗震性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2010，43（12）：56-61.

[3] ? ? 王東輝，柳旭東，陳勇.裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展[J].混凝土，2012（1）：113-115.

[4] ? ? 彭媛媛. 預(yù)制鋼筋混凝土剪力墻抗震性能試驗研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[5] ? ? 朱文正，張季超，陳原，等.新型裝配整體式混凝土梁板節(jié)點試驗研究[J].施工技術(shù)，2015，44（3）：49-52，92.

[6] ? ? 許勇，劉波，張季超，等.新型裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)主次梁節(jié)點試驗研究[J].工業(yè)建筑，2009，39（8）：114-117.

[7] ? ? 中國建筑科學(xué)研究院. 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[8] ? ? 李忠獻，張雪松，丁陽.裝配整體式型鋼混凝土框架節(jié)點抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005（4）：32-38.

[9] ? ? 李向民，高潤東，許清風.預(yù)制裝配式混凝土框架高效延性節(jié)點試驗研究[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，44（8）：3453-3463.

[10] ? 趙斌，呂西林，劉麗珍.全裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)梁柱組合件抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2005，25（1）：81-87.

[11] ? 羅青兒，王蘊，翁煜輝，等.裝配整體式鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點的試驗研究[J].工業(yè)建筑，2009，39（2）：80-83.

[12] ? 呂西林.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[13] ? 胡強，陳勁飆.帶鋼桁架連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能有限元分析[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2017，28（4）：37-41.

[14] ? 張敏，李曉康.三向地震作用下傳統(tǒng)框架與樓板局部設(shè)縫框架動力彈塑性分析[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2016，27（3）：8-16.

Abstract：In order to study the ductility of the assembled integral beam plate joints， the low cycle cyclic loading tests were carried out respectively on two prefabricated beam plate joints and two cast-in-place beam plate joints .The failure process and failure pattern of the joints were observed. The ductility and stiffness degradation of joints were compared and analyzed. The experimental results show that the failure pattern of the beam plate joints and the cast-in-place beam plate joints is the bending failure， the ductility coefficient of the two types of joints is basically the same and is greater than 3， which indicates that the ductility performance of each joints is good. The prefabricated assembled beam-plate joints designed according to equal strength meet well with the requirement of stress and show good ductility. The model was simulated by ABAQUS finite element analysis software. The finite element simulation results were close to the experimental data， which verified the validity of the experimental method and the finite element model.

Key words： precast; beam plate joint; low cycle cyclic loading; ductility

（責任編輯：黎 ?婭）