新型裝配式砼框架中柱節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)與模擬

常中權(quán) 張延年 谷偉

摘?要：基于課題組前期的試驗(yàn)研究，對(duì)新型裝配式砼框架中柱節(jié)點(diǎn)的五種型號(hào)做有限元模擬，并將效果最佳的模擬參數(shù)用于變尺寸模型中，試圖得出抗震性能最好的節(jié)點(diǎn)類型。研究表明，在往復(fù)加載下，NFC-3與NFC-4的模擬與試驗(yàn)的滯回曲線較完美貼合，其余型號(hào)僅在負(fù)向極限荷載上有所差距；施工縫變尺寸模型在總耗能方面，中柱邊梁與后澆區(qū)在縱向的接觸面積越大，總耗能越強(qiáng)；而后澆區(qū)與邊梁的橫向接觸面積過大或過小，均不利于縱向接觸耗能的發(fā)揮；邊梁下部或上部縱向長度越長，剛度退化影響越小。模型S123的耗能能力與剛度退化表現(xiàn)突出，即邊梁階梯高度為梁高的一半，階梯延出長度為0.3m的新型節(jié)點(diǎn)抗震性能最佳。

關(guān)鍵詞：裝配式框架?新型節(jié)點(diǎn)?擬靜力試驗(yàn)?有限元模擬

中圖分類號(hào)：TU398.9?????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Test?and?Simulation?of?the?Seismic?Performance?of?Mid-Column?Joints?in?the?New?Prefabricated?Concrete?Frame

CHANG?Zhongquan1??ZHANG?Yannian2??GU?Wei1

（1.Jiaxing?Vocational?Technical?College，?Jiaxing，?Zhejiang?Province，?314030?China;?2.Shenyang?Jianzhu?University，?Shenyang，?Liaoning?Province，?110168?China）

Abstract：?Based?on?the?experimental?research?in?the?early?state?of?the?research?group，?five?types?of?mid-column?joints?in?the?new?prefabricated?concrete?frame?are?carried?out?the?finite?element?modelling，?and?the?best?modelling?parameter?is?used?in?the?variable-size?model?to?try?to?obtain?the?type?of?joints?with?the?best?seismic?performance.?Research?results?shows?that，?under?the?reciprocating?load，?the?hysteresis?curves?of?the?simulation?and?test?of?NFC-3?and?NFC-4?fit?perfectly，?while?the?other?types?only?differ?in?the?negative?ultimate?load，?that?in?the?terms?of?total?energy?consumption?of?the?variable-size?model?of?construction?joints，?the?larger?the?longitudinal?contact?area?between?the?mid-column?side?beam?and?the?post-cast?area?is，?the?stronger?the?total?energy?consumption?is，?while??the?too?large?or?too?small?transverse?contact?area?between?the?post-cast?area?and?the?side?beam?is?not?conducive?to?the?exertion?of?energy?consumption?of?the?longitudinal?contact，?and?that?the?longer?the?longitudinal?length?of?the?lower?or?upper?part?of?the?boundary?beam?is，?the?smaller?the?influence?of?stiffness?degradation?is，?and?model?S123?has?prominent?performance?in?the?energy?dissipation?capacity?and?stiffness?degradation，?that?is，?the?height?of?the?side?beam?step?is?half?of?beam?height，?and?the?new?type?of?joints?with?a?0.3m?extension?length?of?the?step?has?the?best?seismic?performance.

Key?Words：?Prefabricated?frame;?New?joint;?Quasi-static?test;?Finite?element?modelling

裝配式砼結(jié)構(gòu)是通過將工廠批量預(yù)制的混凝土部件移運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝的建筑結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)整體現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)的方法大大減少了時(shí)間、人力、物力與環(huán)境等方面的成本，隨著建筑裝配式施工模式的普及，已經(jīng)形成了建筑行業(yè)高效綠色發(fā)展的規(guī)模優(yōu)勢(shì)[1]。然而，在歷次震害中發(fā)現(xiàn)，框架梁柱節(jié)點(diǎn)部位的抗震性能較為薄弱，是房屋倒塌的重點(diǎn)影響因素。國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了很多研究，例如：龔子榮等[2]學(xué)者提出了新型干式連接節(jié)點(diǎn)，并推導(dǎo)出新型干式節(jié)點(diǎn)的承壓、受彎、受剪等承載力計(jì)算公式。黃琨等[3]學(xué)者提出一種具有自復(fù)位功能的裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)，在增大耗能能力上做了較好的嘗試。Yuksel[4]等學(xué)者研究U形鋼筋連接節(jié)點(diǎn)，效果與現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)受力性能相當(dāng)。然而，這幾種節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建形式存在施工技術(shù)復(fù)雜與設(shè)備要求高等情況制約。因此，該文通過課題組研究[5]的新型裝配式中柱節(jié)點(diǎn)展開新一輪深度探討，利用有限元分析軟件Abaqus對(duì)五種型號(hào)的試件與施工縫變尺寸模型進(jìn)行模擬研究，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供參考。

1?節(jié)點(diǎn)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

新型裝配式砼框架中柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與尺寸如圖1所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了五種型號(hào)的足尺模型，其統(tǒng)一參數(shù)為：梁截面尺寸為200mm×400mm，上部縱筋配有2B18，箍筋配有A8@100；中柱截面尺寸為400mm×400mm，縱筋配有12B20，箍筋配置為A8@120，試件編號(hào)及參數(shù)如表1所示。

為了模擬真實(shí)的地震波往復(fù)作用，試驗(yàn)采用MTS公司的液壓伺服控制作動(dòng)器，對(duì)模型試件做低周反復(fù)加載試驗(yàn)。將球鉸布置于柱頂，預(yù)先施加軸向恒荷載1500kN，刀鉸布置在柱底，作動(dòng)器夾具分別距離柱邊600mm安裝于左右間梁端部。依靠上方鋼梁的反力，作動(dòng)器對(duì)梁端同步進(jìn)行豎向相反的往復(fù)加載；試件屈服之前，以5kN為級(jí)差逐級(jí)增加，每級(jí)循環(huán)加載兩次；屈服后，以2mm位移為級(jí)差逐級(jí)增加，每級(jí)循環(huán)加載兩次；當(dāng)試件出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷破壞或試件承載力下降到其峰值承載力的85%時(shí)，判定試件失效，從而結(jié)束試驗(yàn)。

2?有限元模擬與試驗(yàn)對(duì)比

建模前期，為了便于收斂，建立簡(jiǎn)化模型，設(shè)置彈性的本構(gòu)關(guān)系，設(shè)置簡(jiǎn)單的接觸。通過一步步調(diào)試，逐漸增加復(fù)雜設(shè)置，將模擬效果逼近真實(shí)情況，各設(shè)置環(huán)節(jié)簡(jiǎn)述如下。

2.1.1?單元類型

設(shè)置為線性插值與減縮積分單元；鋼筋選用T3D2桁架單元，混凝土選用C3D8R單元。

2.1.2?鋼筋材質(zhì)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010），鋼筋的彈塑性本構(gòu)特性采用雙斜線模型來模擬，鋼筋的彈性模量、屈服與極限強(qiáng)度需與實(shí)測(cè)值一致，密度為7850kg/m3，泊松比取0.28。

2.1.3?混凝土材質(zhì)

混凝土的本構(gòu)關(guān)系符合混凝土損傷塑性模型（CDP）[6]，其受拉與受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的關(guān)系表達(dá)式推導(dǎo)所得?；炷翉椥阅Ａ俊⒊跏寂c最大屈服強(qiáng)度等參數(shù)需與實(shí)測(cè)值一致，密度為2370?kg/m3，泊松比取0.2，偏心率取0.1，膨脹角取30°，粘性參數(shù)取0.005，K取0.6667，fb0?/?fc0取1.16。

2.1.4?接觸與約束設(shè)置

鋼筋與混凝土以嵌入式約束；后澆砼與預(yù)制砼的接觸面設(shè)置為綁定，切向摩擦公式設(shè)為“罰”，法向設(shè)置為“硬接觸”，摩擦系數(shù)取0.001；在柱底、柱頂與間梁兩端面建立運(yùn)動(dòng)耦合約束。

2.1.5?分析步與加載設(shè)置

建立Step-1、Step-2靜力分析步，分別設(shè)定1s與28s，初始步鉸接中柱底部耦合點(diǎn)；在Step-1中，中柱頂部耦合點(diǎn)位移固定在X、Z方向，并預(yù)壓1500kN；在Step-2中，設(shè)置位移加載幅值為2mm逐級(jí)增加，梁兩端耦合點(diǎn)Y向分別設(shè)為-1與1。

通過將五種試件模擬與試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)繪制成滯回曲線，如圖2所示。相比之下，NFC-3、NFC-4試件在模擬與試驗(yàn)的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本一致，其余試件在負(fù)向極限荷載方面還有一定區(qū)別，而在正向極限荷載、下降段趨勢(shì)、初始剛度等方面也基本一致，捏縮效應(yīng)貼近現(xiàn)實(shí)。

3?施工縫尺寸的影響研究

為了研究出不同施工縫尺寸對(duì)新型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的影響，建立S系列變尺寸模型，如圖3，為中柱節(jié)點(diǎn)模型的右邊梁施工縫尺寸示意圖，左邊梁隨之對(duì)稱變化，分別將a、b、c取0.1m、0.2m、0.3m，取15種尺寸組合，其型號(hào)以“S+a值+b值+c值”規(guī)則命名，各值量綱為分米。間梁耦合點(diǎn)的加載位置不變，故間梁縱向尺寸需隨變化多減少補(bǔ)，將模擬效果穩(wěn)定良好的NFC-4試件參數(shù)代入到這些變尺寸模型中進(jìn)行模擬，觀察各型號(hào)的特征差異。

由于加載時(shí)間與加載體制相同，那么各類模型滯回曲線的回環(huán)數(shù)量是相同的，故而可以考察模型之間的總體耗能能力，如圖4所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，S123的總耗能最大，S121總耗能最??；當(dāng)施工縫尺寸a=0.1m，b=0.2m時(shí)，相比于其他尺寸，總耗能會(huì)隨著c值的增大而陡然增大，即中柱邊梁與后澆區(qū)在縱向的接觸面積越大，摩擦面積越大，則總體耗能能力也越強(qiáng)；而當(dāng)b=0.1m或b=0.3m時(shí)，總耗能受c值的影響不明顯，即后澆區(qū)與邊梁的橫向接觸面積過大或過小，均不利于縱向接觸耗能能力的發(fā)揮；介于前者的影響，考察當(dāng)b=0.2m時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)a值固定時(shí)，總耗能均會(huì)隨著c值的增大而增大，同樣地，當(dāng)c值固定時(shí)，總耗能皆會(huì)隨著a值的增大而增大。

在低周反復(fù)加載試驗(yàn)中，試件損傷會(huì)隨加載次數(shù)的增加而增大，而模型剛度則逐漸降低，此為剛度退化現(xiàn)象[7]，其退化程度可用割線剛度公式K=ΣF?/ΣΔ來衡量，其中ΣΔ表示某加載級(jí)上正負(fù)向峰值位移的絕對(duì)值之和，ΣF為相應(yīng)加載級(jí)上正負(fù)向峰值的荷載絕對(duì)值之和，通過模擬得出的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出K值的變化。由于各模型的割線剛度在位移16mm之后的演化趨勢(shì)相近，故取2mm～16mm位移區(qū)段作為研究對(duì)象，方便清晰對(duì)比。如圖5所示，當(dāng)a、b值固定時(shí)，最大割線剛度值Kmax隨著尺寸c的增大而增高，即邊梁下部縱向長度越長，剛度退化影響越小；當(dāng)a、c值固定時(shí)，b=0.2m時(shí)，相比于其他尺寸，Kmax均為最大，表明在該尺寸下，結(jié)構(gòu)受震害影響最??；當(dāng)b、c值固定時(shí)，Kmax與a呈正相關(guān)，即邊梁上部縱向長度越長，剛度退化影響越?。?S111的Kmax最小，S123的Kmax最大，即邊梁階梯高度為梁高的一半，階梯延出長度為0.3m受剛度退化影響最小。

5?結(jié)論

該文通過Abaqus對(duì)新型裝配式砼框架中柱節(jié)點(diǎn)的五種型號(hào)做有限元模擬，最終調(diào)試出趨于模擬效果最佳的參數(shù)，并將其應(yīng)用于15種型號(hào)施工縫尺寸的模型中，得出結(jié)論如下。

（1）在往復(fù)加載下，NFC-3與NFC-4的模擬與試驗(yàn)的滯回曲線較完美貼合，其余型號(hào)僅在負(fù)向極限荷載上有所差距。

（2）施工縫變尺寸模型在總耗能方面，中柱邊梁與后澆區(qū)在縱向的接觸面積越大，總耗能越強(qiáng)；而后澆區(qū)與邊梁的橫向接觸面積過大或過小，均不利于縱向接觸耗能的發(fā)揮。

（3）邊梁下部或上部縱向長度越長，剛度退化影響越小。模型S123的耗能能力與剛度退化表現(xiàn)突出，即邊梁階梯高度為梁高的一半，階梯延出長度為0.3m的新型節(jié)點(diǎn)抗震性能最佳。

參考文獻(xiàn)