新型装配式砼框架中柱节点抗震性能试验与模拟

常中权 张延年 谷伟

摘 要：基于課题组前期的试验研究，对新型装配式砼框架中柱节点的五种型号做有限元模拟，并将效果最佳的模拟参数用于变尺寸模型中，试图得出抗震性能最好的节点类型。研究表明，在往复加载下，NFC-3与NFC-4的模拟与试验的滞回曲线较完美贴合，其余型号仅在负向极限荷载上有所差距；
施工缝变尺寸模型在总耗能方面，中柱边梁与后浇区在纵向的接触面积越大，总耗能越强；
而后浇区与边梁的横向接触面积过大或过小，均不利于纵向接触耗能的发挥；
边梁下部或上部纵向长度越长，刚度退化影响越小。模型S123的耗能能力与刚度退化表现突出，即边梁阶梯高度为梁高的一半，阶梯延出长度为0.3m的新型节点抗震性能最佳。

关键词：装配式框架 新型节点 拟静力试验 有限元模拟

中图分类号：TU398.9                 文献标识码：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

装配式砼结构是通过将工厂批量预制的混凝土部件移运到施工现场拼装的建筑结构。相比于传统整体现浇式结构，这种结构工业化生产的方法大大减少了时间、人力、物力与环境等方面的成本，随着建筑装配式施工模式的普及，已经形成了建筑行业高效绿色发展的规模优势[1]。然而，在历次震害中发现，框架梁柱节点部位的抗震性能较为薄弱，是房屋倒塌的重点影响因素。国内外专家学者进行了很多研究，例如：龚子荣等[2]学者提出了新型干式连接节点，并推导出新型干式节点的承压、受弯、受剪等承载力计算公式。黄琨等[3]学者提出一种具有自复位功能的装配式混凝土梁柱节点，在增大耗能能力上做了较好的尝试。Yuksel[4]等学者研究U形钢筋连接节点，效果与现浇整体式结构受力性能相当。然而，这几种节点的构建形式存在施工技术复杂与设备要求高等情况制约。因此，该文通过课题组研究[5]的新型装配式中柱节点展开新一轮深度探讨，利用有限元分析软件Abaqus对五种型号的试件与施工缝变尺寸模型进行模拟研究，为该领域的发展提供参考。

1 节点与试验设计

新型装配式砼框架中柱节点构造与尺寸如图1所示，试验设计了五种型号的足尺模型，其统一参数为：梁截面尺寸为200mm×400mm，上部纵筋配有2B18，箍筋配有A8@100；
中柱截面尺寸为400mm×400mm，纵筋配有12B20，箍筋配置为A8@120，试件编号及参数如表1所示。

为了模拟真实的地震波往復作用，试验采用MTS公司的液压伺服控制作动器，对模型试件做低周反复加载试验。将球铰布置于柱顶，预先施加轴向恒荷载1500kN，刀铰布置在柱底，作动器夹具分别距离柱边600mm安装于左右间梁端部。依靠上方钢梁的反力，作动器对梁端同步进行竖向相反的往复加载；
试件屈服之前，以5kN为级差逐级增加，每级循环加载两次；
屈服后，以2mm位移为级差逐级增加，每级循环加载两次；
当试件出现严重损伤破坏或试件承载力下降到其峰值承载力的85%时，判定试件失效，从而结束试验。

2 有限元模拟与试验对比

建模前期，为了便于收敛，建立简化模型，设置弹性的本构关系，设置简单的接触。通过一步步调试，逐渐增加复杂设置，将模拟效果逼近真实情况，各设置环节简述如下。

2.1.1 单元类型

设置为线性插值与减缩积分单元；
钢筋选用T3D2桁架单元，混凝土选用C3D8R单元。

2.1.2 钢筋材质

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），钢筋的弹塑性本构特性采用双斜线模型来模拟，钢筋的弹性模量、屈服与极限强度需与实测值一致，密度为7850kg/m3，泊松比取0.28。

2.1.3 混凝土材质

混凝土的本构关系符合混凝土损伤塑性模型（CDP）[6]，其受拉与受压的应力-应变关系可以根据《混凝土结构设计规范》给出的关系表达式推导所得。混凝土弹性模量、初始与最大屈服强度等参数需与实测值一致，密度为2370 kg/m3，泊松比取0.2，偏心率取0.1，膨胀角取30°，粘性参数取0.005，K取0.6667，fb0 / fc0取1.16。

2.1.4 接触与约束设置

钢筋与混凝土以嵌入式约束；
后浇砼与预制砼的接触面设置为绑定，切向摩擦公式设为“罚”，法向设置为“硬接触”，摩擦系数取0.001；
在柱底、柱顶与间梁两端面建立运动耦合约束。

2.1.5 分析步与加载设置

建立Step-1、Step-2静力分析步，分别设定1s与28s，初始步铰接中柱底部耦合点；
在Step-1中，中柱顶部耦合点位移固定在X、Z方向，并预压1500kN；
在Step-2中，设置位移加载幅值为2mm逐级增加，梁两端耦合点Y向分别设为-1与1。

通过将五种试件模拟与试验所得的数据绘制成滞回曲线，如图2所示。相比之下，NFC-3、NFC-4试件在模拟与试验的各项性能指标基本一致，其余试件在负向极限荷载方面还有一定区别，而在正向极限荷载、下降段趋势、初始刚度等方面也基本一致，捏缩效应贴近现实。

3 施工缝尺寸的影响研究

为了研究出不同施工缝尺寸对新型节点结构的影响，建立S系列变尺寸模型，如图3，为中柱节点模型的右边梁施工缝尺寸示意图，左边梁随之对称变化，分别将a、b、c取0.1m、0.2m、0.3m，取15种尺寸组合，其型号以“S+a值+b值+c值”规则命名，各值量纲为分米。间梁耦合点的加载位置不变，故间梁纵向尺寸需随变化多减少补，将模拟效果稳定良好的NFC-4试件参数代入到这些变尺寸模型中进行模拟，观察各型号的特征差异。

由于加载时间与加载体制相同，那么各类模型滞回曲线的回环数量是相同的，故而可以考察模型之间的总体耗能能力，如图4所示。对比发现，S123的总耗能最大，S121总耗能最小；
当施工缝尺寸a=0.1m，b=0.2m时，相比于其他尺寸，总耗能会随着c值的增大而陡然增大，即中柱边梁与后浇区在纵向的接触面积越大，摩擦面积越大，则总体耗能能力也越强；
而当b=0.1m或b=0.3m时，总耗能受c值的影响不明显，即后浇区与边梁的横向接触面积过大或过小，均不利于纵向接触耗能能力的发挥；
介于前者的影响，考察当b=0.2m时，发现当a值固定时，总耗能均会随着c值的增大而增大，同样地，当c值固定时，总耗能皆会随着a值的增大而增大。

在低周反复加载试验中，试件损伤会随加载次数的增加而增大，而模型刚度则逐渐降低，此为刚度退化现象[7]，其退化程度可用割线刚度公式K=ΣF /ΣΔ来衡量，其中ΣΔ表示某加载级上正负向峰值位移的绝对值之和，ΣF为相应加载级上正负向峰值的荷载绝对值之和，通过模拟得出的数据推導出K值的变化。由于各模型的割线刚度在位移16mm之后的演化趋势相近，故取2mm～16mm位移区段作为研究对象，方便清晰对比。如图5所示，当a、b值固定时，最大割线刚度值Kmax随着尺寸c的增大而增高，即边梁下部纵向长度越长，刚度退化影响越小；
当a、c值固定时，b=0.2m时，相比于其他尺寸，Kmax均为最大，表明在该尺寸下，结构受震害影响最小；
当b、c值固定时，Kmax与a呈正相关，即边梁上部纵向长度越长，刚度退化影响越小；
 S111的Kmax最小，S123的Kmax最大，即边梁阶梯高度为梁高的一半，阶梯延出长度为0.3m受刚度退化影响最小。

5 结论

该文通过Abaqus对新型装配式砼框架中柱节点的五种型号做有限元模拟，最终调试出趋于模拟效果最佳的参数，并将其应用于15种型号施工缝尺寸的模型中，得出结论如下。

（1）在往复加载下，NFC-3与NFC-4的模拟与试验的滞回曲线较完美贴合，其余型号仅在负向极限荷载上有所差距。

（2）施工缝变尺寸模型在总耗能方面，中柱边梁与后浇区在纵向的接触面积越大，总耗能越强；
而后浇区与边梁的横向接触面积过大或过小，均不利于纵向接触耗能的发挥。

（3）边梁下部或上部纵向长度越长，刚度退化影响越小。模型S123的耗能能力与刚度退化表现突出，即边梁阶梯高度为梁高的一半，阶梯延出长度为0.3m的新型节点抗震性能最佳。

参考文献

猜你喜欢有限元模拟CEFR—MOX燃料组件运输容器的实验分析与验证科技视界(2017年1期)2017-04-20SMA—叠层橡胶复合隔震支座耗能能力的影响因素研究地震研究(2017年1期)2017-04-10房屋结构在地震作用下的有限元分析价值工程(2017年7期)2017-03-17模具圆心角对AZ31镁合金剧烈塑性变形的影响大陆桥视野·下(2017年1期)2017-03-09快速热循环注塑模具及工艺关键技术研究科技创新与应用(2016年34期)2016-12-23深圳平安金融中心施工监测与模拟研究建筑科学与工程学报(2016年3期)2016-06-14加载速率对SAC系列焊点蠕变性能影响的研究科技视界(2016年12期)2016-05-25新型外包钢—砼组合梁弯剪扭的非线性有限元模拟科技与创新(2015年24期)2015-12-21新型多功能桥梁滑移—减隔震支座性能试验建筑科学与工程学报(2014年4期)2015-02-03玻化微珠保温砂浆导热系数模型研究湖南大学学报·自然科学版(2014年6期)2014-09-27