裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究

陶飛羽，劉耀寧

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，建筑業(yè)的發(fā)展也日益受到重視[1]。然而，傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)存在著諸多問題，例如施工周期長(zhǎng)、造價(jià)高、建筑垃圾產(chǎn)生多等[2]。為了解決此類問題，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。相較于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有施工速度快、質(zhì)量可控、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此備受青睞。其中，梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的重要研究方向之一。由于節(jié)點(diǎn)處于結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換部位，承載著較大的力學(xué)載荷，因此節(jié)點(diǎn)的性能會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性產(chǎn)生重要影響[3]。范夕森提出了角鋼連接的裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)塑性階段力學(xué)性能研究，表明采用試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法研究了角鋼連接的裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性力學(xué)性能。龍莉波提出了樁柱一體結(jié)構(gòu)環(huán)梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)研究，表明樁柱一體結(jié)構(gòu)體系中梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能是影響其安全性的關(guān)鍵。趙丹提出的梁柱偏心節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究中，表明應(yīng)力響應(yīng)集中于梁柱節(jié)點(diǎn)域，節(jié)點(diǎn)滯回性能良好，偏心對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)有較大的影響。因此，對(duì)于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要意義。本研究旨在通過有限元分析的方法，分析裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，研究不同連接方式對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，并對(duì)節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理進(jìn)行深入的分析，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形性能具有較大影響，而鋼筋強(qiáng)度等級(jí)則對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度和韌性具有顯著影響，鋼筋配筋率可以改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。本文研究?jī)?nèi)容為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和研究提供了一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)，期望能為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在未來的發(fā)展中做出一定貢獻(xiàn)。

1 試驗(yàn)概況

為研究裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)焊接連接和粘結(jié)連接兩種連接方式，并使用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，評(píng)估節(jié)點(diǎn)在不同載荷下的受力情況和破壞機(jī)理。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)試件采用鋼筋混凝土，梁截面尺寸為240mm×600mm，柱截面尺寸為400mm×400mm，節(jié)點(diǎn)尺寸為300mm×300mm×400mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400。將鋼筋焊接在梁柱節(jié)點(diǎn)上，采用加固膠對(duì)鋼筋和混凝土進(jìn)行粘結(jié)。在實(shí)驗(yàn)中首先制備10 個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)試件，其中5 個(gè)采用焊接連接，另外5 個(gè)采用粘結(jié)連接。然后對(duì)試件進(jìn)行材料強(qiáng)度測(cè)試，C30 的混凝土抗壓強(qiáng)度為36MPa，抗拉強(qiáng)度為4MPa，抗彎強(qiáng)度為5.5MPa。HRB400 強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋選取直徑為10mm、12mm、16mm，抗拉強(qiáng)度均為40MPa。使用的材料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以滿足實(shí)驗(yàn)需求，方便通過有限元分析進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能研究。

2 破壞形態(tài)

對(duì)采用焊接連接和粘結(jié)連接的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能研究，具體破壞情況如圖1 所示。

圖1 具體破壞形態(tài)

焊接連接試件破壞形態(tài)：在焊接連接試件的載荷作用下，首先出現(xiàn)了梁的彎曲變形，逐漸向節(jié)點(diǎn)傳遞，最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的破壞[4]。通過觀察，焊接連接試件的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為鋼筋的斷裂和節(jié)點(diǎn)的剪切破壞。鋼筋的斷裂主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)的上方，而節(jié)點(diǎn)的剪切破壞主要發(fā)生在節(jié)點(diǎn)的中心區(qū)域。焊接連接試件的最大承載力為329kN，破壞時(shí)鋼筋的最大應(yīng)力為610MPa，焊接連接試件的破壞模式主要為鋼筋的斷裂和節(jié)點(diǎn)的剪切破壞。

粘結(jié)連接試件破壞形態(tài)：在粘結(jié)連接試件的載荷作用下，試件表現(xiàn)出了較好的整體性能，未出現(xiàn)明顯的局部破壞，粘結(jié)連接試件的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為梁的彎曲變形和鋼筋的滑移。隨著載荷的逐漸增加，試件的彎曲變形逐漸加劇，鋼筋出現(xiàn)了滑移現(xiàn)象[5]。粘結(jié)連接試件的最大承載力為385kN，破壞時(shí)鋼筋的最大應(yīng)力為448MPa，粘結(jié)連接試件的破壞模式主要為梁的彎曲變形和鋼筋的滑移。

因此，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式的選擇對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能具有顯著的影響。焊接連接和粘結(jié)連接各有優(yōu)缺點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)和施工過程中需要充分考慮其破壞形態(tài)問題。對(duì)于焊接連接試件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼材強(qiáng)度等級(jí)越高，試件的破壞形態(tài)就越容易呈現(xiàn)出焊縫裂紋的問題。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高，試件的破壞形態(tài)也會(huì)從焊縫裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)殇摬睦鞌嗔?。?duì)于粘結(jié)連接試件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高對(duì)試件破壞形態(tài)的影響主要表現(xiàn)在鋼筋的錨固性能上。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高，試件的破壞形態(tài)也會(huì)從鋼筋滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷恋钠茐?，試件的力學(xué)性能也會(huì)相應(yīng)提高。因此，在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工過程中，需要充分考慮混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼材強(qiáng)度等級(jí)對(duì)試件破壞形態(tài)的影響，采取合理的連接方式和相應(yīng)的鋼筋配筋措施，以確保節(jié)點(diǎn)連接的力學(xué)性能。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 有限元模型建立

有限元分析是一種重要的工具，能夠幫助業(yè)界更好地理解裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。使用ABAQUS 軟件建立相應(yīng)的有限元模型，并對(duì)兩種不同連接方式下的節(jié)點(diǎn)受力情況進(jìn)行模擬分析。在模擬分析中采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)試件，其中梁截面尺寸為240mm×600mm，柱截面尺寸為400mm×400mm，節(jié)點(diǎn)尺寸為300mm×300mm×400mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400。模擬模型首先考慮焊接連接試件的情況，在有限元模型中采用3D 單元（C3D8R）進(jìn)行建模。在分析中發(fā)現(xiàn)，隨著節(jié)點(diǎn)承載載荷的增加，節(jié)點(diǎn)中心區(qū)域的混凝土出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)鋼筋的拉應(yīng)力也逐漸增大，當(dāng)節(jié)點(diǎn)所承受的載荷達(dá)到一定程度時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生了破壞[6]。在有限元模型中對(duì)粘結(jié)連接試件進(jìn)行模擬分析，采用非線性接觸單元（COH2）進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)中心區(qū)域的混凝土和鋼筋應(yīng)力均較小，而梁和鋼筋的彎曲應(yīng)力較大，說明在粘結(jié)連接試件中，梁和鋼筋起到了主要的承載作用，而節(jié)點(diǎn)的承載能力相對(duì)較小[7]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，試驗(yàn)中采用與有限元分析中相同的節(jié)點(diǎn)尺寸和混凝土、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)試件進(jìn)行加載。

3.2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是指其標(biāo)準(zhǔn)試塊在標(biāo)準(zhǔn)條件下的抗壓強(qiáng)度。混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度，提高節(jié)點(diǎn)的耐久性和抗震性能[8]。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，節(jié)點(diǎn)的極限承載力和極限位移均有所增加。這是由于混凝土的強(qiáng)度越高，節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的剛度和承載能力也越大?；炷翉?qiáng)度等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響用式（1）來表示：

式中，Pu為節(jié)點(diǎn)的極限承載力，AC為節(jié)點(diǎn)的混凝土面積，fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度，AS為節(jié)點(diǎn)中鋼筋面積，fy為鋼筋的屈服強(qiáng)度。在節(jié)點(diǎn)受力過程中，混凝土承擔(dān)主要壓力，其強(qiáng)度等級(jí)的提高對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響較為明顯。以C30 和C50 兩種混凝土強(qiáng)度等級(jí)為例，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能對(duì)比分析。首先，采用有限元軟件建立C30 和C50 兩種混凝土強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)有限元模型，并進(jìn)行力學(xué)性能分析。通過分析可以得到兩種強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)承載力、剛度和變形等數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 兩種強(qiáng)度等級(jí)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

通過比較可以看出，C50 強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)承載力、剛度和變形均優(yōu)于C30 強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)。具體而言，C50 強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)承載力比C30 強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)高24.8%，節(jié)點(diǎn)剛度比C30強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)高23.4%，節(jié)點(diǎn)最大變形比C30 強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)小16.8%。這說明混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高能夠顯著地提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度，減少節(jié)點(diǎn)的變形。為更直觀地比較兩種強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，圖2 展示了兩種節(jié)點(diǎn)在荷載—位移曲線上的表現(xiàn)。

圖2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

從圖2 中可以看出，C50 強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)荷載—位移曲線比其他節(jié)點(diǎn)更加陡峭。這說明在相同的荷載作用下，C50 節(jié)點(diǎn)的變形更小，具有更好的抗震性能。這是因?yàn)镃50 等級(jí)的混凝土擁有更高的強(qiáng)度和剛度，能夠更好地承受荷載，并且在受到荷載時(shí)變形更小。因此，采用C50 強(qiáng)度等級(jí)的節(jié)點(diǎn)可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，使其在地震等自然災(zāi)害中具有更好的穩(wěn)定性和安全性。除了節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度等級(jí)，節(jié)點(diǎn)的幾何形狀、連接方式、支撐方式等因素也會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的抗震性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮這些因素，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3.3 鋼材強(qiáng)度等級(jí)的影響

在有限元分析中，鋼材的強(qiáng)度可以通過材料參數(shù)進(jìn)行表示，通常采用彈塑性本構(gòu)模型，其中最常用的是雙曲線本構(gòu)模型。該模型可以描述材料在彈性階段和塑性階段的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，其表達(dá)式如式（2）所示：

式中，σ表示應(yīng)力，ε表示應(yīng)變，E表示彈性模量，表示應(yīng)力為零時(shí)的應(yīng)變值，α表示材料的強(qiáng)度系數(shù)。在本次有限元分析中，將分別采用HRB400 和HRB500 兩種鋼材進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析，并比較它們的力學(xué)性能。圖3 為不同鋼材強(qiáng)度條件下的荷載位移曲線比較。

圖3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響

從圖3 可以看出，HRB500 鋼材節(jié)點(diǎn)的荷載—位移曲線相對(duì)于HRB400 鋼材節(jié)點(diǎn)的曲線更加平緩，即HRB500 鋼材節(jié)點(diǎn)的剛度更大。這表明HRB500 鋼材節(jié)點(diǎn)的承載能力比HRB400鋼材節(jié)點(diǎn)更高。同時(shí)，HRB500 鋼材節(jié)點(diǎn)的峰值荷載比HRB400鋼材節(jié)點(diǎn)的峰值荷載高出約10%。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼材可以承受更大的應(yīng)力，從而提高了節(jié)點(diǎn)的整體抗彎剛度和承載能力。節(jié)點(diǎn)破壞方面，HRB500 鋼材節(jié)點(diǎn)的破壞模式為韌性破壞，即節(jié)點(diǎn)在承受大量變形后，仍然能夠保持一定的承載能力，而HRB400 鋼材節(jié)點(diǎn)的破壞模式為脆性破壞，即節(jié)點(diǎn)在達(dá)到極限承載能力后立即崩塌。這說明高強(qiáng)度鋼材可以有效地提高節(jié)點(diǎn)的安全性能。因此，鋼材強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響顯著，高強(qiáng)度鋼材可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和安全性能。

3.4 鋼筋配筋率的影響

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋配筋率是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能具有重要影響。本文使用有限元分析方法研究了鋼筋配筋率對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。在有限元模型中分別設(shè)置1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%不同的鋼筋配筋率，其他參數(shù)如混凝土等級(jí)、鋼材等級(jí)和節(jié)點(diǎn)尺寸保持不變。然后使用ANSYS 有限元軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力分析，得到節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能參數(shù)，包括節(jié)點(diǎn)的受力情況、節(jié)點(diǎn)的變形情況、節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布和節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變分布等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)中，鋼筋配筋率對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度和變形能力均有影響。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 鋼筋配筋率的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋼筋配筋率的增加，節(jié)點(diǎn)的受力性能和變形性能均得到了顯著的提高。節(jié)點(diǎn)的最大承載力隨著鋼筋配筋率的增加而逐漸增加，當(dāng)鋼筋配筋率從1.0%增加到3.0%時(shí)，節(jié)點(diǎn)的最大承載力可以提高近60%。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的變形性能也得到了顯著的改善，當(dāng)鋼筋配筋率從1.0%增加到3.0%時(shí)，節(jié)點(diǎn)的最大位移可以減小近40%。當(dāng)鋼筋配筋率達(dá)到一定值后，節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度增加的趨勢(shì)逐漸趨于平緩，而變形能力的增加趨勢(shì)則逐漸加速。此外，鋼筋配筋率的增加還可以改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，使節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變更加均勻，從而提高了節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。

綜上所述，鋼筋配筋率是影響裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)。適當(dāng)增加鋼筋配筋率可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的受力和變形性能，改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。因此，在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要合理選取鋼筋配筋率，以實(shí)現(xiàn)最佳的力學(xué)性能。因此，在實(shí)際工程中，需要根據(jù)具體的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求和使用環(huán)境來確定合適的鋼筋配筋率，以達(dá)到最優(yōu)的力學(xué)性能。

4 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)概況介紹，選取合適的節(jié)點(diǎn)尺寸和配筋方案，進(jìn)行單調(diào)加載實(shí)驗(yàn)和非線性有限元分析，得到了節(jié)點(diǎn)在不同荷載下的力學(xué)性能及破壞模式。實(shí)驗(yàn)證明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形性能具有較大影響，而鋼筋強(qiáng)度等級(jí)則對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度和韌性具有顯著影響，鋼筋配筋率可以改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。因此，實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和選材，以確保節(jié)點(diǎn)在使用過程中具有較好的力學(xué)性能和安全可靠性。未來的研究方向可以進(jìn)一步深入探究節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料選擇，考慮更多的工程實(shí)際情況，如不同荷載條件下的節(jié)點(diǎn)受力情況、節(jié)點(diǎn)連接方式的影響等，以促進(jìn)我國(guó)裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。