基于干式節(jié)點連接的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估

潘 峰 時春霞 何 強

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)具有施工工程量大、結(jié)構(gòu)耗能多、施工環(huán)境差和環(huán)境不友好等缺點[1-3]，難以滿足我國高水平城市化發(fā)展的需要。為此，我國近年來大力發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。相比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有對施工場地依賴性低、施工效率高且環(huán)境較為友好等優(yōu)點。

裝配式結(jié)構(gòu)在歐美等發(fā)達國家的應(yīng)用較廣[4]。其中，較為典型的裝配式結(jié)構(gòu)形式包括：意大利地區(qū)應(yīng)用廣泛的BSAIS工業(yè)化建筑體系、美國應(yīng)用較為廣泛的LSFB輕型鋼框架建筑體系和Conxtech鋼框架體系[5]，以及日本積水住宅株式會社研發(fā)的Sekisui和Toyota Homes住宅體系[6]。隨著我國政府和相關(guān)部門對裝配式結(jié)構(gòu)的不斷關(guān)注和大力推廣，我國近年來在裝配式新結(jié)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用方面取得了一系列成果。例如：低層冷彎薄壁型鋼龍骨式住宅[7]和北新集團提出的薄板鋼骨建筑體系[8]。

在混凝土結(jié)構(gòu)中較常采用的現(xiàn)存結(jié)構(gòu)體系中，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)近年來得到了廣泛關(guān)注。對于裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，如何解決混凝土梁柱節(jié)點的預制和裝配問題十分重要。目前，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)要求“等同現(xiàn)澆”。因此，確保裝配式混凝土梁柱節(jié)點的剛度和強度意義重大。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點可分為干式連接和濕式連接2種。其中，干式連接是指預制混凝土梁、柱在節(jié)點區(qū)通過預埋連接件，采用焊接和螺栓等方式進行連接。濕式連接是在預制構(gòu)件中預留鋼筋，施工時將這些鋼筋相互綁扎或焊接并澆筑混凝土相連。干式連接具有施工簡潔、施工條件簡單、后期維護方便等特點，得到了研究和工程人員的廣泛青睞。

1 預制混凝土梁柱干式節(jié)點的快速連接技術(shù)

借鑒文獻[9]，本文提出了一種預制混凝土梁柱干式混合節(jié)點，如圖1所示。其中，圖1（a）為一個典型梁柱干式連接節(jié)點的幾何尺寸，圖1（b）為梁柱干式連接節(jié)點的連接處詳細構(gòu)造，圖1（c）為連接板的尺寸。

由圖1可見：本項目提出的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱干式節(jié)點是一種階梯形式的節(jié)點，預制部分主要由帶外伸階梯梁的預制混凝土柱和預制階梯形混凝土梁兩部分組成。為確保節(jié)點連接處具有足夠的剛度和強度，梁柱節(jié)點采用S10.9級M18型高強螺栓連接。

圖1 梁柱干式節(jié)點設(shè)計與尺寸

為方便后續(xù)數(shù)值模擬，該節(jié)點的施工步驟如下：

1）搭接定位：將預制式階梯狀梁柱節(jié)點的階梯式梁端與已預制好的柱的階梯式梁端進行搭接。

2）螺栓安裝：將柱的外伸階梯梁端和階梯形梁進行螺栓連接，其中螺栓通過預留孔洞進行安裝。

3）防水處理：在階梯裝配的豎直縫隙位置填充密封材料用以防水。密封材料可采用發(fā)泡聚乙烯棒和建筑結(jié)構(gòu)防水膠，發(fā)泡聚乙烯棒位于內(nèi)側(cè)，外側(cè)為建筑結(jié)構(gòu)防水膠。

2 預制混凝土梁柱干式節(jié)點的滯回性能研究

2.1 基于Abaqus軟件的有限元建模

本文采用Abaqus軟件平臺[10]進行數(shù)值模擬研究。在Abaqus建模中，將本文提出的干式節(jié)點分為以下幾部分：梁-柱節(jié)點核心區(qū)、邊梁、縱向鋼筋、橫向鋼筋、連接鋼板和螺栓。其中，梁-柱節(jié)點核心區(qū)、邊梁、連接鋼板和螺栓均采用實體（Solid）建模方式；橫向鋼筋和縱向鋼筋均選擇線（Wire）建模方式?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》提出的混凝土單軸受壓和受拉本構(gòu)模型。鋼筋、鋼板和螺栓的本構(gòu)關(guān)系均采用雙折線隨動強化模型，該強化模型采用了Von Mises屈服準則、隨動強化準則、關(guān)聯(lián)流動法則。邊梁，螺栓和連接鋼板均采用C3D8R減縮積分單元，該單元采用8節(jié)點線性減縮積分。鋼筋選擇T3D2桁架實體單元。邊梁與梁柱核心區(qū)的網(wǎng)格尺寸采用50 mm，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。螺栓采用掃掠中性軸網(wǎng)格劃分辦法，網(wǎng)格尺寸為5 mm。連接鋼板分為2種方法劃分網(wǎng)格，在螺栓孔和鋼筋孔附近，采用掃掠中性軸網(wǎng)格劃分辦法，而在其余部位，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分辦法，網(wǎng)格尺寸為5 mm。對于鋼筋，縱向鋼筋網(wǎng)格尺寸為100 mm，箍筋網(wǎng)格尺寸為30 mm。在節(jié)點裝配中，螺栓軸與連接板孔共軸，且螺帽與連接板面共面。鋼筋穿過連接板，認為其在連接板位置斷開，即鋼筋穿過連接板后將鋼筋與連接板焊接。

對接觸行為的模擬方式為：鋼筋與混凝土之間嵌固約束；連接鋼板與混凝土之間嵌固約束；螺栓與連接鋼板接觸面采用綁定接觸；螺栓頭和螺帽與混凝土之間嵌固約束；裝配連接處的階梯表面之間的相互作用設(shè)置為表面與表面接觸，其中，接觸屬性中的切向行為摩擦公式采用“罰”。通過模型試算及結(jié)合已有研究結(jié)果，保證精度與收斂性的平衡，確定本文采用的摩擦因數(shù)為0.3；鋼筋與連接鋼板之間采用嵌固約束。

在初始分析步中，柱頂設(shè)置為鉸接。在柱頂約束住X和Y兩個方向的位移和Y和Z兩個方向轉(zhuǎn)角。柱頂可在Z方向發(fā)生壓縮變形，柱底也設(shè)置為鉸接。在柱底的參考點施加邊界條件，約束住X、Y、Z三個方向位移和X和Y兩個方向的轉(zhuǎn)角。梁端視為自由端，分別對梁端參考點施加反對稱往復位移。在分析第一步中施加軸向荷載，取軸壓比為0.2，施加荷載為1 029.6 kN。在分析的第二步施加往復荷載。在左邊梁端施加正向荷載，在邊梁端施加負向荷載，荷載施加過程為位移控制。

2.2 滯回性能分析

圖2為預制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的應(yīng)力云圖。對比發(fā)現(xiàn)：預制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的Mises應(yīng)力分布大體一致。對于鋼筋應(yīng)力，預制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點存在一定差異。具體而言，預制節(jié)點的鋼筋應(yīng)力最大值主要分布在節(jié)點核心區(qū)的梁縱筋上以及與連接鋼板相焊接附近的外加裝配梁的縱筋上。

圖2 現(xiàn)澆和裝配式節(jié)點的應(yīng)力云圖

滯回曲線能夠反映試件在往復加載過程中的變形、剛度及耗能情況，是研究試件抗震性能的基礎(chǔ)。圖3給出了現(xiàn)澆和裝配式節(jié)點滯回曲線。

圖3 裝配式和現(xiàn)澆節(jié)點的滯回曲線對比

基于數(shù)值模擬獲得的裝配式和現(xiàn)澆節(jié)點滯回曲線，本文從以下8個方面分析和對比現(xiàn)澆和裝配式節(jié)點的滯回性能，包括：屈服位移Δy、屈服荷載Fy（對應(yīng)Δy的荷載）、峰值荷載Fmax、峰值變形Δmax（對應(yīng)Fmax）、延性系數(shù)μ、累積耗能Esum、平均耗能系數(shù)λc（構(gòu)件屈服后一個滯回環(huán)平均耗能）、等效黏滯阻尼系數(shù)he，如表1所示。由表1可知，當現(xiàn)澆節(jié)點與預制節(jié)點的加載位移分別達到35.712 mm與39.188 mm時，此時兩類節(jié)點分別進入屈服階段。隨著位移的增大，荷載-位移曲線不再呈現(xiàn)塑形特性，兩類節(jié)點的滯回曲線均發(fā)生彎折，曲線斜率也隨之減小，滯回曲線包圍的面積逐漸增大?，F(xiàn)澆節(jié)點與預制節(jié)點的耗能參數(shù)比較接近，且各耗能參數(shù)均表現(xiàn)良好。綜上所述，本文提出的干式裝配式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點的滯回性能十分接近，實現(xiàn)了“等同現(xiàn)澆”的設(shè)計要求。

表1 裝配式和現(xiàn)澆節(jié)點的滯回性能參數(shù)對比

3 基于干性節(jié)點連接的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

某工程為5層3跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面和立面布置如圖4、圖5所示。結(jié)構(gòu)底層層高為3.9 m，其余層高為3.3 m，總高17.1 m。選取一榀平面框架作為研究對象。該結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計資料包括：基本風壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為C類，基本雪壓為0.3 kN/m2，標準層活荷載為2.0 kN/m2，標準層恒荷載為4.5 kN/m2。采用不上人屋面，板厚為120 mm，屋面恒荷載為7.0 kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度為7度（0.15g），地震分組為第1組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s。梁、柱主筋等級為HRB335，箍筋等級為HPB235，混凝土等級為C30。典型截面配筋如圖6所示。

圖4 結(jié)構(gòu)平面布置

圖5 結(jié)構(gòu)立面布置

圖6 梁柱截面配筋

3.2 基于Pushover軟件的結(jié)構(gòu)抗震性能分析

本節(jié)參照2.1節(jié)的建模方式，采用Abaqus軟件建立裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的有限元模型?；赑ushover分析方法，利用倒三角側(cè)向加載模式，采用位移控制加載，分別進行了現(xiàn)澆和裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的Pushover分析，得到現(xiàn)澆與裝配式框架結(jié)構(gòu)的Pushover曲線對比結(jié)果，如圖7所示。由圖7可知：2種結(jié)構(gòu)在彈性階段差別不大，新型裝配式結(jié)構(gòu)的極限承載力略低于現(xiàn)澆式框架結(jié)構(gòu)。在極限承載力后的退化階段，裝配式結(jié)構(gòu)性能退化比現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)明顯。基于裝配式與現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的Pushover曲線，依據(jù)等能量原則計算得到的結(jié)構(gòu)屈服點、峰值點與85%峰值點的坐標如圖8與圖9所示，并列于表2。由表2可知，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的屈服點承載力比裝配式結(jié)構(gòu)要高12 kN，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的極限承載力比裝配式結(jié)構(gòu)多出4.9%。綜上所述，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)良好，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，屈服承載力與峰值承載力削弱不多，但是裝配式框架結(jié)構(gòu)的延性低于現(xiàn)澆式。

表2 框架結(jié)構(gòu)的抗震性能系數(shù)

圖7 現(xiàn)澆和裝配式框架結(jié)構(gòu)的Pushover曲線

圖8 裝配式框架結(jié)構(gòu)Pushover曲線

圖9 現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)Pushover曲線

3.3 基于時程分析的結(jié)構(gòu)抗震性能分析

本文選取EI-Centro地震波作為輸入地震波，最大地面峰值加速度PGA為0.29g，時間間隔取0.02 s，作用時間為128 s。

以EI-Centro地震波作為輸入，基于Abaqus有限元分析平臺，分別對5層的現(xiàn)澆與裝配式結(jié)構(gòu)進行非線性時程反應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)的頂點位移、頂點加速度和頂點速度時程曲線，如圖10～圖12所示。

圖10 裝配式和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂點位移時程

由圖10可知：現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂點位移最大值為53.39 mm，發(fā)生時刻為31.44 s；裝配式結(jié)構(gòu)頂點位移最大值為65.88 mm，發(fā)生時刻為54.64 s。這一結(jié)果表明在相同地震動輸入作用下，裝配式結(jié)構(gòu)的頂點位移要略高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，位移峰值相差23.39%。

由圖11可知：現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)頂層最大加速度為0.143 5g，發(fā)生時刻為31.5 s。然而，裝配式結(jié)構(gòu)頂層最大加速度為0.115 8g，發(fā)生時刻為53.84 s。這一結(jié)果表明在相同地震動輸入作用下，裝配式結(jié)構(gòu)的峰值頂層加速度小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，加速度峰值相差23.92%。此外，裝配式框架結(jié)構(gòu)在30～65 s區(qū)間的頂層加速度處于較高水平且波動不明顯，此區(qū)間裝配式結(jié)構(gòu)的頂層加速度普遍大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

圖11 裝配式和現(xiàn)澆頂點加速度時程

由圖12可知：現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)頂層最大速度為255.60 mm/s，發(fā)生時刻為31.68 s；裝配式結(jié)構(gòu)頂層最大速度為244.93 mm/s，發(fā)生時刻為54.16 s。這一結(jié)果表明在相同地震動輸入作用下，裝配式結(jié)構(gòu)的頂層峰值速度小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，相差4.35%。此外，裝配式結(jié)構(gòu)在35～65 s區(qū)間的頂層速度較高且波動不明顯，此區(qū)間裝配式結(jié)構(gòu)的頂層速度大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

圖12 裝配式和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)頂點速度時程

圖13給出了現(xiàn)澆與裝配式結(jié)構(gòu)在EI-Centro地震波作用下的彈塑性層間位移角隨樓層變化曲線。由圖13可知，裝配式框架結(jié)構(gòu)的層間位移角普遍高于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。其中，裝配式結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為0.48%，發(fā)生在第1層。然而，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為0.38%，發(fā)生在第2層，且其樓層剛度突變現(xiàn)象與裝配式結(jié)構(gòu)相比并不明顯。

圖13 裝配式和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)最大層間位移角分布

4 結(jié)語

本文提出了一種混凝土梁柱干式連接節(jié)點，對其滯回性能進行了分析，并進一步針對采用干式梁柱連接節(jié)點的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進行了數(shù)值模擬研究。通過與現(xiàn)澆混凝土梁柱節(jié)點和現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的分析對比，結(jié)果表明：本文采用的混凝土梁柱干式連接節(jié)點的滯回性能與現(xiàn)澆節(jié)點的滯回性能幾乎一致，滿足“等同現(xiàn)澆”的要求；采用干式梁柱連接節(jié)點的裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能良好，干式連接對結(jié)構(gòu)整體抗震承載力和延性的削弱程度有限，滿足抗震要求。