新型鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析

盛汝健, 黃慎江

(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年我國在各地大力推進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展。以合肥市為例，設(shè)立總體建設(shè)目標(biāo)，力求在2020年將裝配式建筑面積突破千萬平方米，并讓全市在建裝配式建筑關(guān)鍵崗位從業(yè)人員培訓(xùn)上崗率達(dá)100%[1]。而在安徽省，近日出臺的《關(guān)于促進(jìn)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》明確提出，到2025年，各設(shè)區(qū)的市培育或引進(jìn)設(shè)計施工一體化企業(yè)不少于3家，并形成集設(shè)計、生產(chǎn)、施工于一體的裝配式建筑企業(yè)；全省培育50個以上省級裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地、裝配式產(chǎn)業(yè)園，力爭裝配式建筑達(dá)到新建建筑面積的30%，基本形成立足安徽、面向長三角的裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地[2]。結(jié)合鋼骨混凝土節(jié)點(diǎn)的承載力強(qiáng)、延性等力學(xué)性能好，因此有學(xué)者針對預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)界定連接的便捷性，研發(fā)了幾種螺栓連接。本課題根據(jù)現(xiàn)有研究成果，通過ABAQUS有限元軟件建立一種新型預(yù)制裝配式鋼骨接頭鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)來研究鋼骨接頭中節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能。

1 鋼骨接頭鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

預(yù)制裝配式鋼骨接頭鋼筋混凝土邊節(jié)點(diǎn)，其具體梁柱配筋圖及梁柱鋼骨接頭尺寸如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)配筋示意和鋼骨尺寸

在梁端、柱端預(yù)埋一段長度的鋼骨，一端與縱向受力鋼筋焊接埋入混凝土，即為工廠預(yù)制加工部分，露出的一端方便現(xiàn)場通過螺栓進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，再進(jìn)行現(xiàn)場澆筑。這種節(jié)點(diǎn)最大優(yōu)點(diǎn)就是施工方便、速度快，梁柱主體工廠預(yù)制，易于保證質(zhì)量，其節(jié)點(diǎn)連接多為螺栓連接，方便快捷，節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場施工質(zhì)量也可得到保障。所以對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行性能研究，對我國裝配式建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行非線性有限元分析，主要研究該節(jié)點(diǎn)的承載力及其影響因素。

2 有限元模型

2.1 鋼骨接頭鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)計

本文采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型，如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計示意圖

利用有限元軟件建立數(shù)值模型，對該邊節(jié)點(diǎn)與普通鋼筋混凝土邊節(jié)點(diǎn)抗震性能對比分析，其具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 各類型節(jié)點(diǎn)工況設(shè)計

本文節(jié)點(diǎn)所用縱筋均采用HRB400鋼筋；所有箍筋均采用HRB300鋼筋；預(yù)埋鋼骨鋼材牌號為Q345B；所有螺栓均采用10.9級的M20高強(qiáng)螺栓，具體配筋見表2。

表2 梁柱配筋及截面尺寸

2.2 單元選取及網(wǎng)格劃分

本文有限元模型中各類鋼材與鋼筋構(gòu)件的網(wǎng)格劃分如圖3所示，其中包括鋼筋籠、加載板、端板、鋼骨、螺栓和混凝土梁柱。本文模型，除鋼筋籠以外的其他部件均采用減縮積分實(shí)體單元 C3D8R 模擬。而鋼筋籠采用三維桁架線性單元 T3D2 模擬。

圖3 節(jié)點(diǎn)模型圖

2.3 接觸關(guān)系

本文使用ABAQUS有限元數(shù)值模擬包括混凝土與鋼筋之間相互作用，混凝土與鋼材之間的相互作用，鋼筋與鋼材之間的相互作用等。其中混凝土與鋼筋之間的相互作用設(shè)置的接觸關(guān)系中，混凝土梁柱與鋼筋籠之間以及端板、鋼骨與混凝土梁柱之間設(shè)置為嵌入作用關(guān)系。鋼筋籠縱筋與梁端鋼骨設(shè)置為綁定作用關(guān)系。

2.4 邊界條件和荷載

本文對混凝土梁端面固定x、y方向的轉(zhuǎn)角和z方向位移;對上柱頂面固定y方向的轉(zhuǎn)角和x、z方向的位移，對下柱底面設(shè)置完全固定約束。在柱頂施加靜力，加載板上部設(shè)置參考點(diǎn)，來模擬軸壓比;對中節(jié)點(diǎn)兩邊梁端施加方向相反的其梁端加以位移為控制的低周往復(fù)荷載，對邊節(jié)點(diǎn)梁端參考點(diǎn)進(jìn)行豎直向下的低周往復(fù)荷載及加載制度,如圖4、圖5所示。

圖4 中節(jié)點(diǎn)荷載和邊界條件

圖5 施加在梁端的往復(fù)加載制度

2.5 本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)設(shè)置

材料的本構(gòu)關(guān)系在ABAQUS有限元分析軟件模擬中，對模擬結(jié)果的精準(zhǔn)性有很大的作用。不同的物質(zhì)在不同的變形條件下，有著不同的本構(gòu)關(guān)系，也稱為不同的本構(gòu)模型[3]。本構(gòu)關(guān)系可以綜合反映結(jié)構(gòu)或者材料的宏觀力學(xué)性能。在有限元模擬分析中，合理確定材料的本構(gòu)關(guān)系是模型進(jìn)行非線性計算的基礎(chǔ)，可以更加準(zhǔn)確地模擬出構(gòu)件在荷載作用下力學(xué)性能。

混凝土單軸拉伸和壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線以及鋼材受拉下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 各材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及破壞形式

通過對ABAQUS有限元軟件建立的鋼骨接頭鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)模型計算結(jié)果分析，本文分析討論P(yáng)SRC-1節(jié)點(diǎn)試件數(shù)值模型破壞模式，與普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)試件RC-1進(jìn)行對比，如圖7所示。

文化圈（cultural circle）是社會學(xué)與人類學(xué)描述文化分布的概念之一，主要指一系列具有共同文化因素的復(fù)合體，該復(fù)合體又體現(xiàn)了一定的共同趨勢。人們把某幾個地域相近、溝通頻繁、共同發(fā)展成相近文化特征，并且具有共同特征的地理范圍劃分為同一文化圈。因此，學(xué)者把世界劃分為五大文化圈，即東亞文化圈、西方文化圈、印度文化圈、東歐文化圈和伊斯蘭文化圈。中國和東南亞國家則屬于大的東亞文化圈范圍，而對于區(qū)域內(nèi)加強(qiáng)合作與信任，共同抵御西方文化的滲透，還需要構(gòu)建一個強(qiáng)大穩(wěn)定的泛北部灣文化圈。

圖7 典型破壞模式

ABAQUS有限元軟件中，Mises應(yīng)力能夠準(zhǔn)確地反映模型部件主應(yīng)力的大小，可以用來判斷材料的應(yīng)力狀態(tài)；在往復(fù)加載過程中，結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變累積的結(jié)果可以用等效塑性應(yīng)變PEEQ來反映，通過云圖可以輕易地判斷試件的裂縫發(fā)展情況以及破壞形態(tài)。從圖7可以看出，在梁端往復(fù)荷載作用下，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)SRC-1的破壞位置在鋼筋混凝土段和柱上鋼骨接頭過渡處，而對照組普通鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)TRC-1的破壞位置則發(fā)生在梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)因?yàn)殇摴堑拇嬖?，有效地保護(hù)了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。

3.2 滯回曲線

滯回曲線能夠反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在低周反復(fù)荷載中，變形性能、剛度退化、節(jié)點(diǎn)耗能能力及滯回性能等[4]。如圖8所示。因此，滯回曲線可以很好地綜合反映節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

相對比普通鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)試件TRC-1,鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)試件SRC-1中的鋼骨承擔(dān)了較大部分荷載，因此滯回曲線更加飽滿。同時，鋼骨接頭鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力比普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)，具有良好的變形能力。

3.3 承載力退化

節(jié)點(diǎn)承載力退化是指在低周往復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行同級位移加載時每進(jìn)行一次循環(huán)加載后承載力降低的速率[5]。其曲線如圖9所示。

b.TRC-1

圖9 承載力退化曲線

從圖9可知，此試件SRC-1的破壞荷載較極限荷載下降很少，此外與TRC-1相比，鋼骨接頭鋼筋混凝土試件SRC-1由于內(nèi)置鋼骨的承載能力較高，試件在達(dá)到極限荷載后仍具有一段較長的水平階段，說明鋼骨接頭鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)具有較好的延性。而作為對照試驗(yàn)的普通鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)TRC-1的承載力退化明顯，因此相較于鋼骨接頭鋼筋混凝土試件SRC-1節(jié)點(diǎn)延性較差。

3.4 剛度退化

剛度退化作為結(jié)構(gòu)抗震性能的重要組成部分，能夠反映結(jié)構(gòu)損傷的累積。試件剛度退化的原因有：混凝土裂縫不斷發(fā)展、等梁柱節(jié)點(diǎn)組合體開裂后的彈塑性性質(zhì)、鋼材與混凝土之間的黏結(jié)滑移等。剛度退化可以用環(huán)線剛度Kj來衡量[6],如圖10所示。

圖10 剛度退化曲線

圖10為節(jié)點(diǎn)環(huán)線剛度Kj隨加載位移級別(△/△y)的變化情況。從圖10可以看出,SRC-1和TRC-1試件的剛度均為初始階段較大，隨著變形的增加，試件的剛度均逐漸減低。鋼骨接頭混凝土構(gòu)件SRC-1比普通鋼筋混凝土TRC-1的節(jié)點(diǎn)剛度退化更加平緩，退化速度更慢，強(qiáng)度保持更好。

3.5 節(jié)點(diǎn)延性

延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞前能承受的最大變形能力，也就是構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的承載能力在某一截面屈服后沒有明顯下降前的變形能力[7]。

本文采用梁端極限位移和屈服位移的比值，即位移延性系數(shù)來表示構(gòu)件延性：

(1)

式中:δu為試件荷載-位移骨架曲線下降段中對應(yīng)0.85Pu的位移值;δy為試件屈服位移[8]。

按照上述方法得到本文試件的位移延性系數(shù)見表4。

表4 位移延性系數(shù)對比

由表4可知，鋼骨接頭混凝土中節(jié)點(diǎn)試件的平均位移延性系數(shù)大于3.1。研究表明，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)應(yīng)大于3.0。因此鋼骨接頭混凝土中節(jié)點(diǎn)具有較好的延性。

在低周往復(fù)荷載作用下，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)的極限承載力和極限位移，相比普通鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)均大幅提高，因此鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)不僅可靠穩(wěn)定，還顯著提高了節(jié)點(diǎn)的承載能力。

4 結(jié) 論

本文通過ABAQUS有限元軟件對數(shù)值模型的模擬，得出以下結(jié)論：

(1)通過試件中各材料的各循環(huán)加載階段應(yīng)力云圖，混凝土等效塑性應(yīng)變的分析，可以對比出鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)試件SRC-1的破壞位置位于鋼骨接頭段與鋼筋混凝土段交接處，鋼骨接頭的存在，有效地提高了鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)試件SRC-1節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的整體剛度，使得節(jié)點(diǎn)未發(fā)生破壞。而作為對照組的普通鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)試件TRC-1破壞位置在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。

(2)在梁端往復(fù)低周荷載作用下，相比普通鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)TRC-1，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)試件SRC-1具有較高的承載力和良好的延性，以及更強(qiáng)的變形能力。

(3)在同級荷載作用下，相比普通鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)TRC-1,鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)試件SRC-1的剛度退化趨勢較慢，以及剛度保持性能。

(4)綜上所述，鋼骨接頭鋼筋混凝土中節(jié)點(diǎn)具有良好的力學(xué)性能，可在工程中推廣使用。