局部后張預應力裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點抗震性能數(shù)值分析*

吳俊霖 楊 輝,3 郭正興

(1.江蘇科技大學土木工程與建筑學院,江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.東南大學土木工程學院,南京 210096;3.中億豐建設集團股份有限公司,江蘇蘇州 215021)

由于裝配式結(jié)構具有高效、綠色、經(jīng)濟等優(yōu)點,其在建筑領域的占比正逐年提高,然而裝配式梁柱節(jié)點是否能等同現(xiàn)澆是目前大部分學者主要的研究方向。20世紀90年代美國與日本聯(lián)合開展了預制抗震結(jié)構(PRESSS)項目,先后推薦了4種預應力連接方式,隨后大量的學者基于這4種預應力梁柱節(jié)點進行了改進,并對改進后節(jié)點的抗震性能進行試驗與有限元模擬[1]。

王海深等對5個全裝配式自復位耗能鋼筋梁柱節(jié)點進行了擬靜力試驗,結(jié)果表明該節(jié)點具有良好的自復位和耗能效果[2]。申彥利等對一種新型自復位預制預應力混凝土框架梁柱節(jié)點進行有限元分析,結(jié)果表明該種節(jié)點具有良好的抗震性能[3]。王建剛等提出了一種新型的工業(yè)結(jié)構裝配式梁-柱-牛腿組合節(jié)點,并采用ABAQUS有限元軟件進行承載力分析,結(jié)果表明該節(jié)點滯回曲線飽滿,具有良好的延性和耗能能力[4]。

為進一步提高預應力裝配式節(jié)點的現(xiàn)場施工效率,提出了一種新型干濕混合式局部后張預應力裝配式混凝土框架節(jié)點[5-6],能夠綜合后張預應力干式連接結(jié)構的快捷安裝及濕式結(jié)構整體性能好的優(yōu)點。在試驗中節(jié)點預應力筋采用高強鋼筋的試件與鋼拉桿的試件的結(jié)果存在差異,高強鋼筋的各項性能指標類似于現(xiàn)澆試件,而鋼拉桿試件在加載過程中錨固失效,產(chǎn)生較為明顯的滑移。為充分了解兩種試件抗震性能的差異,利用ABAQUS有限元軟件對新型節(jié)點開展非線性分析,為新型節(jié)點后期的優(yōu)化和設計提供依據(jù)。

1 節(jié)點構造

圖1為該新型干濕混合式局部后張預應力裝配式混凝土框架節(jié)點的構造。新型節(jié)點包括帶牛腿的預制混凝土柱、預制混凝土梁、節(jié)點區(qū)弧形預應力筋、預制混凝土板和后澆疊合面層。上下層預制柱之間采用灌漿套筒連接,預制柱側(cè)邊設有牛腿。預制梁梁端設置有臺階狀企口,并在梁頂?shù)酌嬖O置有張拉、錨固槽口。預制梁柱節(jié)點的豎向接縫寬30 mm、水平接縫寬20 mm,在預應力筋張拉前用高強自密實微膨脹鋼纖維砂漿灌縫?；⌒晤A應力筋穿過梁柱節(jié)點核心區(qū)預留的預應力孔道進行張拉并錨固,將預制梁、柱預壓成一個整體。弧形預應力筋為高強、高延伸率的630級鋼拉桿或HTRB630高強鋼筋。該種節(jié)點在施工階段具有先期承載能力,從而實現(xiàn)少支架、無支架的快速施工。使用階段通過預制疊合面層與疊合梁濕式連接保證了新型節(jié)點接頭處的可靠性。

圖1 新型節(jié)點構造Fig.1 The structure diagram of new joint

2 有限元模型

2.1 試驗概述

新型節(jié)點的柱截面尺寸為600 mm×600 mm,梁截面尺寸為400 mm×600 mm(預制部分高度為470 mm,疊合層高度為130 mm),企口部分長200 mm,高230 mm。試件尺寸、配筋如圖2所示,預制梁、柱及疊合層采用C40混凝土,梁柱縱筋、箍筋均采用HRB400鋼筋,具體材料性能見表1。梁柱節(jié)點柱頂施加288 t的軸壓,柱頂通過4臺穿心式千斤頂張拉預應力鋼絞線緩慢加載,水平加載設備為150 t液壓伺服控制系統(tǒng),采用位移加載制度,在柱頂施加往復水平荷載,試驗加載裝置如圖3所示。

圖2 節(jié)點尺寸及配筋 mmFig.2 Dimension and reinforcement of joints

表1 鋼筋材料特性Table 1 The properties of rebars

圖3 試驗加載裝置 mmFig.3 The loading device of test pieces

試驗中所有試件均為梁端塑性鉸破壞模式,滿足“強柱弱梁”的設計原則;試件承載能力與理論值相符,具有較高的安全儲備,位移延性系數(shù)均大于3,不弱于現(xiàn)澆構件,剛度則稍大于現(xiàn)澆試件;高強鋼筋試件中由于帶肋的高強鋼筋的錨固性能較好,其耗能能力類似于現(xiàn)澆結(jié)構,而光圓鋼拉桿試件的錨固長度要求比較高,節(jié)點波紋管內(nèi)鋼拉桿發(fā)生滑移,耗能能力弱于高強鋼筋試件;鋼拉桿試件中預應力筋的張拉力由150 kN提升至250 kN,試件的前期剛度與延性系數(shù)提高,屈服位移顯著減小,但對強度和試件耗能等基本無影響。

2.2 材料的本構

混凝土參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》[7]中的本構關系,選用ABAQUS自帶的混凝土損傷模型(CDP),普通鋼筋與預應力筋均采用雙折線模型[8],彈性段的彈性模量E=2.0×105MPa,塑性段的彈性模量為0.01E,材料的屈服強度、極限強度參照試驗所得結(jié)果選取。

2.3 鋼筋的滑移模擬

普通鋼筋的滑移采用方自虎等開發(fā)的子程序,其鋼筋模型由鋼筋在單調(diào)荷載下的應力-應變關系包絡線和循環(huán)路徑組成,單調(diào)荷載包絡線采用二折線。循環(huán)路徑由卸載段和重加載段組成[9]。卸載段為直線,重加載段則采用三次曲線。文獻[9]提出的鋼筋滯回模型如圖4所示。

圖4 文獻[9]中的鋼筋滯回曲線模型Fig.4 Steel hysteretic curve model in reference 9

2.4 新老混凝土結(jié)合面模擬

新型局部后張應力梁柱節(jié)點中新老混凝土結(jié)合面主要由兩部分構成,分別為預制疊合梁和后澆部分的黏結(jié)及暗牛腿柱與疊合梁企口位置的黏結(jié)。新老混凝土結(jié)合面之間的非線性接觸是否合理是能否有效地進行有限元模擬的關鍵。節(jié)點中暗牛腿柱和企口位置的接縫處通過高強砂漿黏結(jié),經(jīng)抗壓試驗實測,其抗壓強度能到達100 MPa以上,具有較好的黏結(jié)性能,在有限元模擬將其簡化為C100混凝土。

關于新老混凝土結(jié)合面性能目前已有大量的試驗研究,劉健[10]針對正應力、粗糙度、新老混凝土平均抗壓強度提出了拉剪、壓剪狀態(tài)下的結(jié)合面抗剪強度公式。徐文強[11]歸納了目前有關有錨筋的新老混凝土結(jié)合面的試驗,考慮結(jié)合面膠結(jié)力、鍵槽咬合力、錨筋的銷栓力和結(jié)合面的摩擦力得到設置錨筋的新老混凝土結(jié)合面抗剪黏結(jié)強度計算式,并根據(jù)試驗擬合峰值滑移方程：

0.5nkξ(0.7-fcu/200)fcu·

su=0.366+0.1Ra-0.743e-ρfy

(1b)

(1c)

式中：k為正應力和表面粗糙度的綜合影響系數(shù);fcu,o、fcu,n分別為新、老混凝土立方體強度;ηk為鍵槽數(shù)量;b、h分別為鍵槽的高度與寬度;Ac為結(jié)合面面積;ρ為錨筋配筋率;fy為錨筋屈服強度;Ra為結(jié)合面粗糙度;τu為峰值剪應力;ft為峰值正應力;su為峰值位移;ktt、kss為切向剛度;knn為法向剛度,文獻[12]試算得出knn大于10 000時,計算結(jié)果趨于穩(wěn)定。

文獻[10]的新老混凝土黏結(jié)軸拉強度算式見式(2)。歸納總結(jié)內(nèi)聚力-庫侖模型參數(shù)如表2所示。

表2 內(nèi)聚力-庫侖模型參數(shù)Table 2 The parameters of Cohesive-Coulomb Model

(2)

式中：fcu,m為立方體抗壓強度平均值;fat,a黏結(jié)軸拉強度;H為灌砂平均深度。

2.5 預應力黏結(jié)性能模擬

試驗結(jié)果表明,預應力筋采用高強鋼筋、鋼拉桿的節(jié)點存在較大的差異。高強鋼筋試件滯回曲線呈梭形滯回環(huán),而鋼拉桿試件則呈瘦長的反S形曲線,預應力筋出現(xiàn)明顯的滑移,因此將其預應力筋黏結(jié)形式簡化為無黏結(jié)。

節(jié)點上下緣的預應力筋均采用曲線型,其模型構造相較于直線型預應力筋較為復雜,參考文獻[13]中曲線型預應力筋的構建方式,將曲線預應力筋簡化為多個折線段,在inp文件中將預應力筋單元節(jié)點處與相對應的混凝土單元進行局部耦合,并釋放出節(jié)點單元坐標系沿預應力滑移方向的位移,兩頭錨固端則采用MPC約束。該方法對于單元劃分具有較高的要求,需充分考慮預應力筋單元與混凝土單元的位置關系,否則將會造成節(jié)點的過約束從而無法計算。預應力筋張拉采用降溫法,計算溫度為：

(3)

式中：ΔT為降低的溫度值;σ為張拉應力;E為彈性模量;α為預應力筋的熱膨脹系數(shù)。

2.6 網(wǎng)格劃分及邊界條件

混凝土單元采用C3D8R(三維8結(jié)點縮減積分的實體單元),普通鋼筋及預應力筋均采用T3D2單元(桁架單元),當預應力筋采用無黏結(jié)形式時,其單元長度應為混凝土單元的2～3倍,采用無黏結(jié)預應力筋的節(jié)點單元劃分如圖5所示。根據(jù)節(jié)點試驗情況,在柱頂約束X方向的平移自由度及X、Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度,柱底約束X、Y、Z方向平移自由度,疊合梁底部則約束X、Y方向的平移自由度及X、Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度。柱頂左側(cè)端部施加沿X方向的水平位移,采用位移控制。梁柱節(jié)點邊界條件如圖6所示。

圖5 梁柱節(jié)點單元劃分Fig.5 Unit division for beam-column joints

圖6 梁柱節(jié)點邊界條件Fig.6 Boundary conditions of beam-column joints

3 有限元結(jié)構驗證與分析

3.1 破壞模式與骨架曲線

采用上述建模方法,將有限元所得結(jié)果與試驗進行對比分析,有限元模型的受壓損傷云圖與試驗結(jié)果的對比如圖7所示。鋼拉桿節(jié)點與高強鋼筋節(jié)點均為梁端破壞,試驗和有限元模擬破壞模式相近。試件破壞時缺口梁上緣和牛腿柱混凝土被壓碎,而核心區(qū)的破壞較輕,符合節(jié)點“強柱弱梁”的設計原則。

a—試件試驗破壞形態(tài);b—有限元破壞形態(tài)。圖7 破壞形態(tài)對比Fig.7 Comparison of failure modes

高強鋼筋試件、鋼拉桿試件的骨架曲線對比如圖8所示,有限元結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合。高強鋼筋試件(試驗加載過程中,高強鋼筋試件左側(cè)下緣一根預應力筋被拉斷后終止試驗)、鋼拉桿試件有限元模擬與試驗的最大承載力誤差為4.0%、6.7%,有限元模型加載的初始剛度試驗相比偏大,這是由于試驗中采用的加載工裝會產(chǎn)生變形進而導致試件的剛度偏低。

a—高強鋼筋試件;b—鋼拉桿試件。圖8 骨架曲線對比Fig.8 Comparison of skeleton curves

3.2 荷載-位移曲線

高強鋼筋試件與鋼拉桿試件有限元模擬滯回曲線與試驗結(jié)果對比如圖9所示,高強鋼筋試件的滯回曲線較為飽滿,呈現(xiàn)穩(wěn)定的梭形滯回環(huán)。而鋼拉桿試件表現(xiàn)出較為明顯的捏攏現(xiàn)象,滯回曲線呈反S形,其原因為鋼拉桿試件在試驗加載的過程中,鋼拉桿與灌漿料之間的黏結(jié)性能逐步退化,其黏結(jié)性能類似于無黏結(jié)預應力筋,在卸載的過程中會出現(xiàn)較大的滑移,在有限元模擬中試件加載后期的滯回環(huán)面積略小于試驗值,其原因為鋼拉桿試件的預應力筋孔道內(nèi)的灌漿料在加載過程中仍會存在摩擦作用及部分黏結(jié),與預應力筋完全無黏結(jié)存在稍許差異。綜上,有限元模擬與試驗結(jié)果接近,能夠較為有效地反映節(jié)點的受力特點,說明該建模方法具有較高的準確性。

a—高強鋼筋試件;b—鋼拉桿試件。圖9 滯回曲線對比Fig.9 Comparison of hysteretic curves

3.3 耗能能力

高強鋼筋試件與鋼拉桿試件滯回耗能曲線如圖10所示。兩種試件耗能曲線差異較為明顯,高強鋼筋試件后期耗能增幅明顯提高,而鋼拉桿試件后期耗能的增幅較為平緩,最終累計耗能鋼拉桿試件約為高強鋼筋試件的41%。當試件采用高強鋼筋時其耗能能力優(yōu)異于采用鋼拉桿的試件。若能解決試驗中高強鋼筋試件在后期高強鋼筋被拉斷的不足,將會明顯提升試件的耗能能力。

a—單周耗能;b—累計耗能。圖10 耗能滯回曲線Fig.10 Energy consumption hysteretic curves

3.4 剛度退化

高強鋼筋試件與鋼拉桿試件的剛度退化曲線如圖11所示。試件每一級的等效剛度采用每級加載位移循環(huán)峰值點的割線剛度來表示。兩種試件的剛度退化趨勢基本類似,隨著加載位移的增加,試件的混凝土不斷開裂,剛度迅速退化,當混凝土逐漸退出工作,試件后期的剛度退化趨于平緩。

圖11 剛度退化曲線Fig.11 Stiffness degradation curve

4 參數(shù)分析

4.1 混凝土強度等級

模擬中采用不同的混凝土強度等級進行分析,結(jié)果表明新型節(jié)點的承載力隨著混凝土強度等級的提高而提高,其增幅相對較小。當預應力筋采用高強鋼筋時,新型節(jié)點混凝土等級為C40、C50較C30最大承載力提高約1.8%、2.9%;當預應力筋采用鋼拉桿時,新型節(jié)點混凝土等級為C40、C50較C30最大承載力提高1.3%、3.4%。混凝土強度等級對于新型節(jié)點的承載力影響較小。不同混凝土強度等級的骨架曲線如圖12所示。

a—高強鋼筋試件;b—鋼拉桿試件。圖12 不同混凝土強度等級骨架曲線Fig.12 Skeleton curves of different concrete strength grades

4.2 預應力筋張拉力

模擬中采用不同的預應力筋張拉力進行分析,結(jié)果表明預應力筋張拉力大小對于高強鋼筋試件、鋼拉桿試件的影響稍有差異。預應力筋張拉力對于高強鋼筋試件的力學性能影響較小;而對于鋼拉桿試件,隨著預應力筋張拉力的增加,減小了屈服位移,增加前期剛度,能夠提高節(jié)點的延性系數(shù)。不同預應力筋張拉力的骨架曲線如圖13所示。

a—高強鋼筋試件;b—鋼拉桿試件。圖13 不同預應力筋張拉力骨架曲線Fig.13 Skeleton curves of different prestressing tendon tensions

4.3 軸壓比

模擬中采用不同的軸壓比進行分析,結(jié)果表明軸壓比對于高強鋼筋試件、鋼拉桿試件有較大的不同。對于高強鋼筋試件,在加載初期軸壓比對于節(jié)點的骨架曲線幾乎沒有影響,在節(jié)點進入屈服階段后,隨著軸壓比的增加節(jié)點的承載力也隨之增大[14];而鋼拉桿試件軸壓比的增大對節(jié)點的骨架曲線影響較小。軸壓比對于新型節(jié)點骨架曲線存在差異的原因可能為：對于高強鋼筋試件,軸壓比的增大能夠減緩裂縫擴展的速度,從而改善預應力筋的黏結(jié)性能,提高了節(jié)點的承載能力。鋼拉桿試件中由于預應力筋與混凝土之間的黏結(jié)性能較差,在加載初期會發(fā)生黏結(jié)破壞,軸壓比對預應力筋的黏結(jié)性能的影響相對較小。文獻[15]對無黏結(jié)預應力筋扁梁節(jié)點進行試驗,在正向加載下軸壓比對于節(jié)點的屈服荷載和最大荷載均沒有明顯的變化。不同軸壓比骨架曲線如圖14所示。

a—高強鋼筋試件;b—鋼拉桿試件。圖14 不同軸壓比骨架曲線Fig.14 Skeleton curves with different axial pressure ratios

5 結(jié) 論

通過建立局部后張預應力梁柱節(jié)點有限元模型,與試驗結(jié)果對比并進行非線性參數(shù)分析可以得出以下結(jié)論：

1)通過有限元模擬所得結(jié)果與試驗結(jié)果相似,高強鋼筋與鋼拉桿試件的最大承載力誤差分別為4.0%、6.7%,驗證了該建模方法的有效性、正確性。

2)當新型節(jié)點預應力筋采用高強鋼筋時,其耗能能力與采用鋼拉桿的節(jié)點有較大的差異,鋼拉桿試件的耗能能力僅為高強鋼筋試件的41%。當預應力筋采用高強鋼筋時,節(jié)點具有較高的耗能能力。

3)采用不同的預應力筋時,混凝土強度等級的提高均能夠提高節(jié)點的最大承載力,但是其增幅相對較小。

4)對于高強鋼筋試件,隨著預應力張拉力的增加,能夠提高其前期剛度、減小屈服位移,提高節(jié)點的延性;對于鋼拉桿試件,預應力筋張拉力對于節(jié)點的力學性能影響程度較弱。

5)軸壓比大小對于高強鋼筋試件、鋼拉桿試件的影響不同。對于高強鋼筋試件,在一定軸壓比下,隨著軸壓比的增大節(jié)點的承載力也隨之提高,而軸壓比對于鋼拉桿試件的影響較小。