多齿槽装配式柱连接节点有限元分析

张德发，干洪

（安徽工程大学 建筑工程学院，芜湖 241000）

在抗震设计中，要求“强节点，弱构件”，在装配式结构中节点很弱，不能像现浇结构中的强节点通过截面非弹性变形耗散能量，就全装配式结构节点设计而言，应采取合理的构造形式［1-3］。目前国内外对装配式梁-柱节点连接形式的研究颇多，但对装配式柱-柱节点连接方式的探讨较少［4-10］。本文在单齿槽节点连接构造思路的基础上［12］提出一种改进型多齿槽节点形式，采用摩擦抗剪设计的方法进行承载力验算，并通过有限元数值分析进行验证，柱的轴压比是影响结构的抗破坏能力的关键因素，通过调整柱的轴压比、柱心高度及纵筋直径，有效改善了结构的抗破坏能力，最终给出合理的抗震性能评价。

1 有限元模型验证

1.1 有限元模型建立

由于混凝土损伤塑性模型能尽可能准确地模拟混凝土刚度因损伤增加而降低的特征，而且它的收敛性较好。钢筋本构模型都采用《混凝土结构设计规范》附录C给出的双折线模型。在ABAQUS有限元分析过程中，混凝土模型采用C3D8R单元模拟；钢筋采用T3D2桁架单元来模拟；为简化分析，忽略混凝土与钢筋之间的粘结滑移，并采用T3D2单元来模拟构件的钢板。预制装配柱和钢板均采用50mm网格。

1.2 构件模型设计

本文主要将提出的新型预制框架柱-柱连接方式在预压力和水平侧力的作用下进行受力分析，并与相同配筋的现浇混凝土柱进行对比分析。其中，装配上半部分柱尺寸为750mm×750mm×1500mm，装配柱齿槽有四个，四个柱齿凸面部分尺寸为250mm×250mm×500mm，装配下半部分柱尺寸为750mm×750mm×1500mm，四个柱齿齿槽面部分尺寸为250mm×250mm×500mm；外包钢板尺寸取750mm×750mm×250mm混凝土强度等级为C60，保护层厚度为30mm，设计详图如图1所示。

图1 设计详图

1.3 摩擦抗剪模型的建立

摩擦抗剪模型最初是由 Mast［4］和 Birkeland［5］提出的，后有部分学者对摩擦抗剪模型提出了修正［6，7］，如图2所示，他们认为：裂缝产生后，裂缝面发生相对滑移的同时也会产生相对分离，垂直穿过剪切平面的钢筋中产生拉力的水平分量可直接抵抗剪力，拉力的垂直分量相对于钢筋附近的混凝土中部分压力，通过摩擦作用抗剪的形式，裂缝处突出物咬合点的直接承受压力也是剪力传递的重要途径。修正后的摩擦抗剪模型根据我国规范GB50010-2002抗剪承载力按下式计算：

式（1）中，Vu为作用剪力；fy为抗剪钢筋屈服强度；As为抗剪钢筋面积；N为与剪力同时存在的垂直于剪切平面的轴向力，压正拉负；γ为承载力抗震调整系数，取0.85。

图2 修正的摩擦抗剪模型

图3 多齿槽装配柱摩擦抗剪示意图

摩擦抗剪模型模型受力性能显而易见，本文建立的多齿槽装配柱，上下柱有钢筋穿过连接缝，剪力作用与裂缝平行，裂缝上部与下部有相对滑动的趋势，具有相当高的摩擦系数来抵抗混凝土交接面的摩擦力。当裂缝产生后，滑动及由此产生的混凝土分力使得钢筋受到拉力，在柱齿所有纵筋屈服强度相同情况下，裂缝两边压力有最大值：

其中，NMAX—裂缝两边的压力最大值；T—柱齿的截面钢筋所受的拉力值，当齿的左侧和右侧的屈服强度相同时，拉力值Avffy；当齿的左侧和右侧的屈服强度不相同时T=∑Avffy；N′—齿的面积范围内所受的轴力；AC—齿的截面面积；A—预制柱的截面面积；N—预制柱所受的轴力；压力为正拉力为负。Ayf—穿过裂缝的纵向钢筋总面积。

最后可得，剪力应满足：

采用摩擦抗剪设计的方法验算钢筋时，还需要保证钢筋能够得到充分的锚固以发挥钢筋的屈服强度，所以在预制构件时应采用足够的箍筋。预制结构中节点连接是整个结构的关键，而采用的柱-柱连接单齿柱心的连接方式，柱心部分的受力是整个预制柱受力分析的关键，在该部位可能发生剪切，受压、弯曲等多种破坏形式。针对不同的破坏形式，对齿槽进行受力分析，齿槽的受力主要水平方面的剪力V和轴向压力N。

1.4 模型验证

对建立的新型柱-柱连接模型施加水平侧力和预压力，文中的每个模型的加载方式相同，在每个模型的混凝土柱顶施加竖直向下的恒载Fy=4000KN，然后在柱顶端施加侧向荷载Fx=12KN。柱-柱连接部位采用钢板箍连接，并与相同配筋的现浇混凝土柱进行对比分析。采用有限元通用软件ABAQUS对局部外包钢板装配整体式框架柱接头进行三维模拟分析。

图4 多齿槽装配柱钢筋应力云图

在相同荷载条件下和相同尺寸和配筋的情况下，将现浇混凝土柱与本文提出多齿槽装配柱进行模拟对比分析，由图4可知，应力较大区域分布在柱子底部，塑性铰区出现在柱底；在装配柱加密区附近应力比较集中，设计时应对外包钢板进行剪应力验算。根据混凝土偏心受压柱受力机理，求得现浇混凝土柱极限承载力理论值为489.5KN，与有限元计算结果接近。通过图5得出的现浇混凝土柱与多齿槽装配柱荷载-位移曲线图可知，在整个弹性阶段两构件曲线图基本一致且呈线性增长；当达到峰值承载力后，呈下降趋势，曲线下降过程中现浇混凝土柱稍高于多齿槽装配柱，由此说明，本文提出的四齿槽装配柱在弹性阶段弹、塑性阶段和破坏阶段，承载力性能与现浇混凝土柱承载力性能相当，从而验证了模型的可行性。同时也为通过有限元模拟进一步深入分析此类改进型节点结构的抗震性能和破坏机理做好准备。

图5 预制装配柱与先浇柱荷载-位移结果对比曲线图及局部放大图

2 参数分析

2.1 轴压比对模型的受力性能影响

保持其他的条件不变，只改变构件轴压比的数值，将现有论文中的单齿槽模型柱与文中提出的多齿槽模型柱进行对比分析。分别模拟轴压比为0.83、0.875、0.94、0.98及1.0五种情况，得出荷载-位移曲线图，如图6所示。由图6可知，随轴压比的增加，单齿槽装配柱和多齿槽装配柱的水平极限承载力呈下降趋势。在轴压比为0.83时，两种预制装配柱的极限水平承载力最高。随着轴力的增加，多齿槽装配柱的承载力越来越高，最后单齿槽装配柱不在承受荷载时，多齿槽装配柱仍有一定的荷载。

图6 不同轴压比作用下曲线图

2.2 柱芯高度的影响

保持其他的条件不变，只改变构件柱芯高度的数值，将现有论文中的单齿槽模型柱与文中提出的多齿槽模型柱进行对比分析。分别模拟柱芯高度为300mm、325mm、350mm、375mm及400五种情况，得出荷载-位移曲线图，如图7所示。由图7可知，随柱芯高度的提高，单齿槽装配柱和多齿槽装配柱的水平极限承载力之间差距没有轴压比的影响大。随柱芯高度的提高，单齿槽装配柱和多齿槽装配柱的水平极限承载力仍然呈下降趋势，且进入强化阶段以后，承载力急剧下降。整体来说，多齿槽装配柱承载力性能优于单齿槽装配柱。

图7 不同柱芯高度作用下曲线图

2.3 配筋率的影响

保持其他的条件不变，只改变试件纵筋直径的数值，现有论文中的单齿槽模型柱与本文提出的多齿槽模型柱进行对比分析。分别模拟纵筋直径为10mm、15mm、20mm、25mm及30mm五种情况，得出荷载位移曲线图，如图8所示。由图8可知，对于多齿槽装配柱来说，装配柱纵筋直径过大或者过小都会使其承载力发挥不到极致，导致和单齿槽装配柱的荷载-位移曲线差不多，但如果钢筋半径取值10mm的话，多齿槽装配形式的预制柱承载力性能明显优于单齿槽装配形式的预制柱。

图8 不同配筋率作用下曲线图

2.4 骨架曲线

图9是骨架曲线，骨架曲线是滞回曲线的每一级循环峰值点的包络线，即滞回曲线的外包络线。由图9可知，新型装配柱子在每次滞回循环中具有较大塑性区，并且塑形区具有较高的模量，说明新型装配柱子能够吸收较大的破坏能量。随着推覆位移的增加，所施加的推覆力也随之增加，最大推覆力为12KN，对应的推覆位移为0.8mm。

图9 骨架曲线

3 结论

（1）采用摩擦抗剪模型，建立多齿槽节点连接装配柱，进行非线性数值模拟，计算结果与现浇混凝土柱的数值模拟计算结果基本吻合，从而验证了本文提出的模型的可行性。

（2）通过与现有文献中单齿槽节点连接方式的装配柱进行对比模拟分析，在考虑不同参数情况下，文章提出的多齿槽节点连接的装配柱具备良好的受力性能和耗能能力，且在一定范围内性能更优于单齿槽节点连接柱。

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