浆锚连接集束配筋装配式柱抗震性能数值模拟分析

王乾隆，杨 斌

(武汉大学 土木建筑工程学院， 湖北 武汉 430072)

21世纪以来，装配式建筑以其设计标准化、生产工业化、现场施工装配化及建造过程信息化的特点逐渐被公众熟知，现阶段主要的装配式结构形式主要有装配式框架结构和装配式剪力墙结构。

对于装配式框架结构，设计关键是其梁柱的连接方式。从19世纪90年代至今，有很多专家学者都对各种连接方式进行了研究。例如，张海顺[1]、李世达[2]、王建[3]、Ousalem等[4]、Ersoy等[5]及Vasconez等[6]分别对浆锚连接、灌浆套筒连接、螺栓连接、焊板连接及HPFRC连接等连接方式进行了探究，而近年来随着建筑高度的增高，干式连接形式逐渐不满足设计需求，并且由于复杂的钢筋配置，湿法连接形式在实际工程中装配难度较大、造价很高。

对于此种配筋形式的装配式柱，本课题组进行了抗震性能试验。在此试验的基础上，利用有限元软件ABAQUS对在各参数作用下的集束配筋装配式柱抗震性能进行数值模拟分析，通过对模拟试验结果与试验数据进行对比分析来验证模型建立的合理性，并进行因素拓展分析，综合分析得出集束配筋装配式柱抗震性能影响规律。

1 试验概况

根据此配筋形式及连接方式，本试验考虑了轴压比、搭接长度和钢筋间距三个影响因素,共设计了7个装配式试件以及3个现浇式足尺柱试件，分别编号ZP-1—ZP-7和XJ-1—XJ-3。试件设计参数见表1。

表1 主要设计参数

注：前面的轴压比为设计轴压比，括号内为实际轴压比。

各试件均由底座、柱两部分组成，柱尺寸为400 mm×400 mm×1 700 mm，底座尺寸为1 400 mm×1 400 mm×600 mm，上部柱钢筋均采用集束配筋形式，装配式柱连接处采用浆锚链接形式。混凝土采用C40商品混凝土，柱纵筋、箍筋及底座配筋均采用HRB400钢筋，直径分别为14 mm、8 mm和18 mm。试件尺寸、配筋及详细施工图见图1。

图1装配式试件几何尺寸和配筋

2 基于ABAQUS的有限元分析模型

2.1 材料的本构模型

在模拟中，考虑混凝土和灌浆料的抗拉作用，混凝土和灌浆料本构关系采用《混凝土结构设计规范》[11](GB 50010—2010)中的混凝土单轴受压和受拉应力-应变关系。钢筋本构关系采用线性强化弹塑性模型，公式如下，E1为强化阶段直线斜率(见图2)，取E1=0.001E：

2.2 模型建立

由于在理论上，钢筋与混凝土之间的变形系数接近，且在试验结束后发现钢筋与混凝土之间没有相对滑移，因此钢筋单元不再考虑粘结滑移的影响。混凝土和灌浆料均选用8节点等参线性缩减积分实体单元C3D8R，纵筋、箍筋及螺旋箍筋均采用三维桁架单元T3D2。对部件进行组装时，钢筋与混凝土之间采用Embedded连接，其他Part之间接触均采用Tie进行绑定。为保证模拟与试验加载形式的一致性，在柱头建立一个刚性钢板，与柱头Tie连接；边界条件为柱底端固端约束，以防止加载过程中发生平面外转动。模型的网格划分对模拟分析精度具有重要影响，经过不断尝试，本模型选用50 mm的映射网格(见图3)。

图2钢筋本构

3 数值模拟与试验结果对比

3.1 应力云图与破坏形态

图4为搭接长度560 mm、搭接间距20 mm的柱在轴压比0.4下的应力云图，图5为试件ZP-5的破坏形态。对比分析可以看出，模型是柱根部塑性铰区的混凝土累计塑性应变最大，与试验中试件混凝土根部混凝土破坏剥落现象一致；钢筋应力云图可以看出，下部塑性铰区的箍筋和纵筋应力值最大。云图显示出破坏形态与试验破坏的形态基本一致，说明采用ABAQUS可以比较正确地模拟试验过程中装配式试件的破坏过程。

(a) 混凝土应力云图 (b) 钢筋应力云图

图3ABAQUS模型 图4模拟应力云图 图5试验破坏形态

3.2 滞回曲线和骨架曲线的对比

图6分别为试件的试验滞回曲线、骨架曲线和ABAQUS模拟的滞回曲线、骨架曲线对比。

图6试验滞回曲线、骨架曲线与模拟对比图

对比分析可得，数值分析数据与试验数据具有较大的吻合度，但仍存在一些差异：

(1) 模拟滞回曲线与试验滞回曲线基本吻合，表现出明显的下降段和“捏缩”现象，且峰值荷载也较为接近。

(2) 模拟骨架曲线与试验骨架曲线吻合较好，刚度退化和强度退化趋势也基本相同。

(3) 数值模拟结果对称性较好，而试验值正向加载与反向加载基本都存在偏差，主要是由于加载过程中的试验误差造成。

3.3 承载力和延性对比

根据骨架曲线，计算出各试件和数值模型在加载过程中的屈服位移Δy、屈服荷载Py、峰值位移Δm、峰值荷载Pm、85%最大荷载处对应的极限位移Δu和极限荷载Pu。根据计算结果，试件及数值模型的位移延性系数见表2。

表2 实验结果与模拟结果对比

对比分析表2中试验数据和模拟数据，可得：

(1) 相对于试验数据，模拟数据更为对称，且各试件的试验屈服荷载、峰值荷载及极限荷载都较模拟数据值大，比例分别为14.7%、10.1%、10.5%、13.7%、10.9%、14.1%，可以看出模拟数据与试验数据误差基本都在15%之内，两者吻合较好。

(2) 试验数据骨架曲线延性系数与模拟数据骨架曲线延性系数差异分别为6.6%及5.5%，说明模拟数据与试验结果差异很小，说明ABAQUS模拟结果也可以很好的反映试件的承载力及延性。

通过对试件破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性系数与模拟应力云图、滞回曲线、骨架曲线、延性系数的对比，可以看出模拟情况与试验结果基本相同，说明ABAQUS可以准确地模拟出浆锚连接集束配筋装配式柱的抗震性能，故继续使用ABAQUS软件进行拓展分析，以弥补试验中试件数量的不足和缺陷。

3.4 模拟结果对比分析

本课题试验设计时，考虑三个因素三水平。由于试验的局限性，每个因素只做了一次对比分析，本节利用ABAQUS软件进行更多的因素对比，以更全面地研究轴压比、搭接长度、搭接间距对半灌浆集束配筋装配式柱承载性能、延性性能的影响。

3.4.1 轴压比的影响

本节分别模拟了当搭接间距为250 mm、搭接间距为20 mm时和搭接间距为560 mm、搭接间距为20 mm时，不同轴压比下，柱在循环荷载作用下的滞回性能，其骨架曲线对比如图7所示。

图7不同轴压比下骨架曲线对比

对比分析图7可以看出，在相同搭接长度和搭接间距情况下，随着轴压比的增大，柱的峰值荷载逐渐增加，而达到峰值荷载后，骨架曲线斜率逐渐加大，说明承载力的下降速度也逐渐加快，强度退化更加迅速。

3.4.2 搭接长度的影响

本节分别模拟和对比了当轴压比为0.6、搭接间距为10 mm时和当轴压比为0.6、搭接间距为30 mm时，集束配筋装配式柱在不同搭接长度下的滞回性能，其骨架曲线对比如图8所示。

图8不同搭接长度下骨架曲线对比

对比分析图8可以看出，在同一轴压比下，在搭接间距10 mm和30 mm情况下，随着搭接长度的增加，装配式柱的滞回性能呈现相同的变化规律，即从250 mm增加至420 mm时，其峰值荷载增加12.2%，而继续增加到560 mm时，峰值荷载仅增加3.2%，说明适量的增加搭接长度可以提高装配式柱的水平承载力，而过度增加对其影响不大，而造成不必要的成本增加。

3.4.3 搭接间距的影响

本节分别模拟和对比了当搭接长度为250 mm、轴压比为0.6时和当搭接长度为560 mm、轴压比为0.6时，集束配筋柱在不同搭接间距下的滞回性能，其骨架曲线对比如图9所示。

图9不同搭接间距下骨架曲线对比

对比分析图9中数据，可以看出，在搭接长度250 mm及560 mm情况下，搭接间距对装配式柱骨架曲线的峰值荷载、刚度退化、强度退化等影响很小，说明此因素对装配式柱的滞回性能影响很小，在实际设计过程中可以不用考虑。

4 结 论

通过对集束配筋装配式柱的数值模拟，根据模拟结果与试验结果以及模拟结果之间的对比，可以得到如下结论：

(1) 相对于试验，模拟结果可以很好地反映出试验破坏现象以及柱的滞回性能，可以利用ABAQUS有限元软件进行拓展模拟分析。

(2) 随着轴压比的增大，装配式柱的峰值荷载增加，但其刚度退化及强度退化也相应加快，延性性能降低。

(3) 增大搭接长度可提高柱的抗震性能，但有一定限度。在较小搭接长度下，随着搭接长度的增大，装配式柱的抗震性能指标都有明显的增大，抗震性能提高；当增加到一定数值后，继续增加搭接长度，各指标增加不显著，抗震性能提升不大。

(4) 在装配过程中，不同搭接钢筋间距对各项抗震性能指标影响不大，指标变化较小，表明钢筋间距对集束配筋装配式柱的抗震性能影响较小。