帶T型連接件的裝配式RCS梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

熊進(jìn)剛，馮嗣鑫，胡淑軍

(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.江西省近零能耗建筑工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031)

裝配式鋼筋混凝土柱(reinforced concrete column)—鋼梁(steel beam)組合框架結(jié)構(gòu)，簡稱裝配式RCS框架結(jié)構(gòu)。美國和日本在RCS研究方面起步較早，研究成果也相對豐富。上世紀(jì)70年代，F(xiàn)ranke等[1]最先將鋼筋混凝土柱和鋼梁組合，提出了RCS組合框架結(jié)構(gòu)的概念；Alireza等[2]進(jìn)行了2個(gè)1/2比例的預(yù)制RCS連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究。Jun等[3]對RCS節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)制等進(jìn)行了研究，并提出了RCS節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)指南。近20年來，我國學(xué)者也加強(qiáng)了有關(guān)RCS框架結(jié)構(gòu)的研究工作。司啟等[4]提出一種將預(yù)制裝配式與ECS混合框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型裝配式RCS節(jié)點(diǎn)，研究了在不同初始轉(zhuǎn)動剛度下結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，但其結(jié)果不能精確表示出初始剛度與最大層間位移角的關(guān)系，仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究。可見裝配式RCS組合結(jié)構(gòu)的研究已成為一大趨勢。

裝配式RCS節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較弱，在大震下梁柱連接處的混凝土可能發(fā)生損傷[5]，使得裝配式RCS框架結(jié)構(gòu)的抗震性能大幅下降。因此將Y型偏心支撐引入裝配式RCS框架結(jié)構(gòu)中[6]得到一種裝配式RCS框架-偏心鋼支撐結(jié)構(gòu)，可有效保證該結(jié)構(gòu)具有足夠承載力和較好的震后恢復(fù)能力。

在此結(jié)構(gòu)體系中，作為主要傳力部件的RCS梁柱節(jié)點(diǎn)是該種結(jié)構(gòu)能否達(dá)到預(yù)期性能的關(guān)鍵[7]。郭子雄等[8]對裝配式RCS框架節(jié)點(diǎn)研究表明，節(jié)點(diǎn)處預(yù)埋高強(qiáng)螺栓可實(shí)現(xiàn)鋼梁與混凝土柱的裝配式連接，但混凝土與螺栓接觸處往往損傷過大，不利于震后功能恢復(fù)。王海龍等[9]在RCS節(jié)點(diǎn)梁貫通式連接中采用切除部分鋼梁翼緣的做法，保證了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜壓桿的傳力機(jī)制，減小了對混凝土的削弱，但施工工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)裝配化。何益斌等[10]對方鋼管鋼骨混凝土柱與鋼梁端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)研究表明，承載力由端板控制時(shí)，其具有良好的轉(zhuǎn)動和耗能能力，但連接節(jié)點(diǎn)的縱橫向預(yù)留螺桿孔較大程度削弱了節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土受剪能力，且節(jié)點(diǎn)剛度難以滿足剛性節(jié)點(diǎn)要求。Nguyen等[11]提出了一種新型柱貫通型RCS節(jié)點(diǎn)，對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了足尺力學(xué)性能試驗(yàn)，并基于ABAQUS三維有限元模型進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)分析，但此節(jié)點(diǎn)的剛度與承載力遠(yuǎn)不如梁貫穿節(jié)點(diǎn)。

本文提出一種帶T型連接件的新型裝配式RCS梁柱節(jié)點(diǎn)，并采用ABAQUS軟件對其抗震性能進(jìn)行分析，在控制相對位移角為2%的情況下，改變其T型連接件之間的摩擦系數(shù)來得到該組合節(jié)點(diǎn)的滯回性能、混凝土損傷、T型連接件應(yīng)力和高強(qiáng)螺栓應(yīng)力等；節(jié)點(diǎn)在T型連接件上開設(shè)長圓孔，構(gòu)件在大震來臨時(shí)可繞某一頂點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動從而達(dá)到耗能的目的，將此節(jié)點(diǎn)放入到偏心支撐框架體系中，可使得整體結(jié)構(gòu)的耗能能力和承載能力得到保證。

1 裝配式RCS梁柱節(jié)點(diǎn)

帶T型連接件的裝配式RCS梁柱節(jié)點(diǎn)，包括全裝配式混凝土柱、鋼梁、高強(qiáng)螺栓、T型連接件一、二、三，如圖1所示。其中，混凝土柱內(nèi)需設(shè)置預(yù)埋件，該預(yù)埋件包括節(jié)點(diǎn)鋼板箍與十字腹板。十字腹板焊接在節(jié)點(diǎn)鋼板箍的內(nèi)側(cè)，將高強(qiáng)螺栓用點(diǎn)焊的方式固定在節(jié)點(diǎn)鋼板箍的內(nèi)表面上。

圖1 裝配式RCS框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)體系

節(jié)點(diǎn)鋼板箍由4塊鋼板焊接組成，十字腹板焊接固定在節(jié)點(diǎn)鋼板箍里的對應(yīng)位置。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)不設(shè)置箍筋，縱筋從節(jié)點(diǎn)鋼板箍內(nèi)穿過，再澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)達(dá)標(biāo)后拆除模板；其中T型連接件二、三之間采用滑移連接，最后通過T型連接板和高強(qiáng)螺栓實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)域與鋼梁的連接。

2 有限元模型校正

采用ABAQUS軟件對文獻(xiàn)[11]裝配式RCS梁柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模型校正，從而保證該連接節(jié)點(diǎn)分析模型的可靠性。

2.1 分析對象及分析模型

藍(lán)欽宇等[12]對3個(gè)新型裝配式混凝土柱-鋼梁組合節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，本文選取RCSJ-1為研究對象。

模型中所選取的混凝土等級為C40，具體參數(shù)如表1所示，混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[13]中模型?；炷翐p傷模型通過文獻(xiàn)[13]定義損傷變量d=1-σ/fc取值到0.95以上。試驗(yàn)中所有鋼材型號均為Q345；鋼材采用隨動強(qiáng)化本構(gòu)模型，鋼材屬性如表2所示，各構(gòu)件尺寸如圖2所示。其試驗(yàn)裝置如圖3(a)所示。

(a) 混凝土柱 (b) 節(jié)點(diǎn)域與鋼梁俯視圖

表1 混凝土材料參數(shù)表

表2 鋼材材料屬性

分析單元及接觸設(shè)置。整個(gè)模型分為節(jié)點(diǎn)域、混凝土柱、鋼構(gòu)件和鋼筋4部分，其中除鋼筋采用T3D2單元進(jìn)行模擬，其余部件均采用C3D8R單元。單元類型T3D2代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的桁架三維模型；C3D8R代表采用縮減積分計(jì)算的8個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)體三維模型[12]。單元接觸包括鋼筋-混凝土接觸、加勁肋-混凝土接觸、十字腹板-混凝土接觸、螺栓-混凝土接觸、節(jié)點(diǎn)鋼板箍-混凝土接觸、加勁肋-十字腹板接觸、螺栓-節(jié)點(diǎn)鋼板箍接觸、外伸梁段-鋼板接觸、加載梁段-鋼板的接觸、螺栓-鋼板的接觸、外伸梁段-節(jié)點(diǎn)鋼板箍的接觸；其中鋼筋-混凝土為嵌入接觸，外伸梁段-節(jié)點(diǎn)鋼板箍為綁定接觸，加勁肋與十字腹板與節(jié)點(diǎn)鋼板箍之間均為綁定接觸，其余接觸法線方向設(shè)置為硬接觸，切線方向設(shè)置罰函數(shù)模擬摩擦，鋼材與混凝土之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.6，鋼材與鋼材、鋼材與螺栓之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.35。

邊界條件。有限元模型如圖3(b)所示，在有限元模型分析中，對柱頂和柱頂?shù)耐獗砻嫔纤悬c(diǎn)各方向的自由度進(jìn)行固定，將加載梁端外表面上所有點(diǎn)耦合至一點(diǎn)，并約束Z方向位移，在耦合點(diǎn)處加載一水平(X方向)位移，由此對組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。

(a) 試驗(yàn)裝置圖

加載方式。試驗(yàn)采用臥式加載，即將柱轉(zhuǎn)動90度平臥并錨固于地臺，如圖3(a)所示，將一水平方向的往復(fù)荷載施加在鋼梁的端部。

2.2 分析結(jié)果對比

如圖4所示，試件RCSJ-1的有限元和試驗(yàn)的滯回曲線對比圖。其中最大荷載分別為111和107 kN，且二者滯回曲線輪廓基本重合。圖5為試件RCSJ-1的試驗(yàn)和有限元分析的破壞形態(tài)，從試驗(yàn)現(xiàn)場圖中可知，試驗(yàn)中構(gòu)件在外伸梁端與節(jié)點(diǎn)鋼板箍的焊接處發(fā)生破壞，從有限元后處理云圖可知，外伸梁端與節(jié)點(diǎn)鋼板箍焊接處應(yīng)力最大且達(dá)到516 MPa，超過焊縫的破壞強(qiáng)度，兩者的破壞形態(tài)基本吻合。

位移/mm

(a)

上述對比分析驗(yàn)證了本文有限元模擬方法的有效性。該有限元校正模型中與新型節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造中都使用了節(jié)點(diǎn)鋼板箍與十字腹板來作為梁柱連接的一部分。

3 抗震性能

為研究這種帶T型連接件的新型節(jié)點(diǎn)的抗震性能，設(shè)計(jì)了3個(gè)考慮T型連接板二、三之間摩擦系數(shù)不同取值的分析模型，如表1所示。模型尺寸如圖1和圖6所示，其中T型連接件三的開孔方式為：以T型連接件一上的一點(diǎn)為圓心，如圖6(d)所示，作半徑分別為400、422、445、467、486、508、523、545 mm的圓弧，在兩條圓弧的兩端，分別作半徑為11 mm的半圓弧將其連接起來。以期在地震作用下，高強(qiáng)螺栓能隨著板件一起繞圖6(d)中的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)而不與T型連接件二、三的開孔壁內(nèi)側(cè)發(fā)生接觸。

(a) T型連接件一正視圖及側(cè)視圖

摩擦系數(shù)的取值依據(jù)參考文獻(xiàn)[14]中的設(shè)置方法；試驗(yàn)中可在T型連接件之間放置兩塊黃銅板[13]，通過高強(qiáng)螺栓將它們連接為一個(gè)整體，使得T型連接件之間的摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定。

3.1 材料參數(shù)的選取

在3個(gè)分析模型中，選用了C30強(qiáng)度混凝土，主要參數(shù)如表4所示，鋼材屬性如表5所示。

表4 混凝土材料參數(shù)表

表5 鋼材材料屬性

3.2 分析方法

分析單元及接觸設(shè)置。采用ABAQUS軟件中的C3D8R單元對新型節(jié)點(diǎn)中的混凝土、鋼梁、T型連接件和螺栓進(jìn)行模擬，采用T3D2桁架單元對新型節(jié)點(diǎn)中的縱筋和箍筋進(jìn)行模擬。單元接觸包括螺栓與節(jié)點(diǎn)鋼板箍、鋼梁以及T型連接件的接觸，T型連接件一、三與節(jié)點(diǎn)鋼板箍的接觸，T型連接件一、二與鋼梁的接觸，T型連接件二與三的接觸，混凝土與鋼筋網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)鋼板箍、十字腹板以及螺栓的接觸。各接觸中所有的法線方向均設(shè)置為硬接觸，鋼筋網(wǎng)采用嵌入接觸的方式與混凝土接觸。鋼構(gòu)件與混凝土之間切向摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3；除T型連接件二、三之間外其余鋼構(gòu)件之間的切向摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.1。

表3 新型節(jié)點(diǎn)的分析模型

邊界條件。如圖7(a)所示，混凝土柱上下端分別定義為表面一(A)、表面二(B)，約束表面一和表面二上所有位移；為防止鋼梁發(fā)生平面外位移，將鋼梁端部外表面即表面三上所有點(diǎn)耦合至鋼梁端部的幾何形心處并限制Y方向上位移，對表面三上所有豎向位移(X方向)進(jìn)行耦合約束，由此來限定各點(diǎn)的豎向位移在加載過程中始終相等。

加載方式。加載方式采用文獻(xiàn)[15]中方法，加載制度如圖7(b)所示。將鋼梁外表面三上所有節(jié)點(diǎn)耦合至其形心處，在耦合點(diǎn)施加X方向的往復(fù)荷載。其加載時(shí)程如圖7所示，控制參數(shù)為梁端位移，分級施加往復(fù)荷載，最終相對位移角目標(biāo)為2%。

(a) 有限元模型

3.3 分析結(jié)果

3.3.1 滯回曲線

基于分析所得的各模型滯回曲線，如圖8所示。模型1的最大反力為12.12 kN，模型2的最大反力為23.72 kN，模型3的最大反力為35.56 kN，成比例增長。且模型1、模型2的滯回曲線更飽滿，說明其在往復(fù)荷載作用下具有足夠的承載力。模型3滯回曲線略有畸變，說明在加載過程中構(gòu)件基本達(dá)到極限狀態(tài)，但其滯回曲線仍較飽滿，說明仍具有一定的承載能力。

位移/mm

3.3.2 混凝土損傷

各模型混凝土損傷如圖9所示。模型1、模型2及模型3的混凝土最大損傷分別為16.67%、20.02%和26.63%，可知摩擦系數(shù)的提升會使得混凝土損傷增大且增大程度較大。由應(yīng)力云圖可知，隨著摩擦系數(shù)的增大，混凝土的損傷區(qū)域也逐漸增大。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3

3.3.3 螺栓應(yīng)力

各模型螺栓應(yīng)力如圖10所示，從模型1～模型3中T型連接件二、三之間的螺栓應(yīng)力可知，各螺栓最大應(yīng)力分別為212.7、190、183.6 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度940 MPa。從模型1～模型3可知，增大T型連接件二、三之間的切向摩擦系數(shù)，可一定程度上減小螺栓處的最大應(yīng)力，且摩擦系數(shù)越大，螺栓上最大應(yīng)力也越小。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3

3.3.4 T型連接件應(yīng)力

各模型中T型連接件應(yīng)力如圖11所示，模型1～模型3中T型連接件上的應(yīng)力云圖可知，隨著T型連接件二、三間的摩擦系數(shù)的增大，T型連接件一上的最大應(yīng)力減小，T型連接件二、三上的最大應(yīng)力增大，且各連接件上的平均應(yīng)力也將增大。但應(yīng)力值都小于其屈服強(qiáng)度，即各鋼構(gòu)件還均處于彈性階段。

(a) 模型1

基于上述對帶T型連接件的裝配式RCS組合節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、混凝土損傷、螺栓應(yīng)力和T型連接件應(yīng)力分析可知，該種新型節(jié)點(diǎn)具有足夠的承載力，螺栓和T型連接件始終處于彈性，在摩擦系數(shù)為0.1時(shí)混凝土損傷區(qū)域較小，滿足在此連接下遇到大震作用不發(fā)生損傷的功能。

4 結(jié)論

1) 該節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力和一定的承載能力；往復(fù)荷載作用下，新型組合節(jié)點(diǎn)滯回曲線飽滿，節(jié)點(diǎn)承載力隨著T型連接件之間的摩擦系數(shù)增大而成比例增大，達(dá)到預(yù)期最大位移時(shí)螺栓、T型連接板仍處于彈性，未發(fā)生任何損傷。

2) 所提出的帶T型連接件的裝配式RCS組合節(jié)點(diǎn)，具有高延性、高耗能、可裝配等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的預(yù)期抗震目標(biāo)；在大震來臨時(shí)，這種半剛性連接能夠使得板件繞著一頂點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動，具有良好轉(zhuǎn)動能力和耗能能力。

3) 節(jié)點(diǎn)的承載力問題與穩(wěn)定性問題仍有待解決，將在后續(xù)的研究中將此節(jié)點(diǎn)放入到帶偏心支撐的框架結(jié)構(gòu)中去，以在保證具有足夠承載力的同時(shí)發(fā)揮其轉(zhuǎn)動能力與耗能能力。