预压装配式结构半刚性节点刚度折减系数探讨

马 磊， 黄慎江

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

装配式建筑有着诸多优点，是未来发展的主流方向，但是其抗震性能一直饱受诟病，连接节点尤为突出。采用预应力钢筋连接预制梁柱构件在发挥预应力与装配式结构各自优势的同时，又提高了节点的整体性与抗震性能。但是预压装配式混凝土框架结构在梁柱拼接处采用了预应力钢筋连接，节点在荷载作用下承受弯矩的同时也有一定的转动能力，受力性能是介于刚接和铰接之间的，所以应为半刚性连接节点[1]。目前，对于预压装配式混凝土框架结构梁柱节点的研究，主要集中在节点耗能、延性等抗震性能等方面[2-7]，而对节点刚度退化的研究甚少，尤其是这种采用预应力连接的新型半刚性节点。但是节点刚度的退化对结构的影响是非常重要的，所以掌握节点刚度的退化规律至关重要。因此本文在考虑到节点的半刚性前提下，利用ABAQUS来建立有限元模型，来模拟地震作用下此类型节点的刚度退化率。

1 有限元模型

本文有限元模型是以合肥工业大学柳炳康[8]的实验为例所建立的。模型的平面图以及配筋图如图1所示。

图1 模型的平面图以及配筋图

预压装配式结构的梁柱节点是将预制梁在柱的牛腿处吊装就位以后，采用预应力钢筋进行拼装，最后在节点处灌注环氧树脂水泥浆来增加混凝土与钢筋的粘结作用，也在一定程度上提高了节点的整体性。由于考虑到节点半刚性的因素，所以此模型的节点是建模中的重点，预应力的施加采用降温法，定义好预应力钢筋的膨胀系数后，根据温度=-力/(膨胀系数×弹性模量×钢筋面积),即可得到所需的预应力值。为了体现节点的半刚性，对于节点处梁柱的拼接面设置面面接触，切向设置库仑摩擦，摩擦系数为0.6，法向设置硬接触，来模拟环氧树脂水泥浆的粘结作用。混凝土实体单元划分为大小为0.05 m×0.05 m的网格。

2 地震波的选取

地震波在选择时主要是要注意所选地震波的特性要与建筑场地的地震烈度与地震强度、场地条件、卓越周期、反应谱以及远场和近场地震等参数尽可能一致，其中最主要的是所选地震波的主要周期要与建筑场地的卓越周期相接近。以往大量的计算结果表明，采用不同的地震记录进行分析计算，所得到的内力以及位移等结果会有很大差异，所以合理地选择地震波直接影响到分析结果的准确性[9]。

本文所选取的是EL-Centro 波和Taft 波，这是美国历史上的两条实际记录的地震波。EL-Centro 波里氏震级为6.7级，峰值加速度为341.7 cm/s2；Taft 波里氏震级为7级，峰值加速度为 175.9 cm/s2。

假设模型结构处在8度区，场地类别为Ⅱ类，由于半刚性的预压装配式混凝土结构暂时还没有相应的规范与指导取值，所以地震波最大加速值参照《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)，并将Taft波的峰值加速度调至70 cm/s2。

3 模拟结果分析

3.1 多遇地震下的结果分析

地震作用下结构的受力是一个动态的过程，不同的时间结构受力不同，所产生的位移与破坏也同。将Taft波的峰值加速度调整到70 cm/s2后，进行模拟分析得到了如图2所示的梁的最大变形云图以及如图3所示的柱的最大变形云图。根据模拟结果所显示的梁柱变形图可知：在多遇地震作用下，梁是先于柱达到最大变形的，这说明节点与梁在地震的破坏下可以先行吸收一定的能量，随后才是柱的变形达到最大值，这符合“强柱弱梁”的设计理念，说明此种预压装配式结构地节点具有不错的抗震性能。

图2 梁的最大变形云图

观察图2可以发现：梁柱的节点位置和梁的下端变形较大，这是由于在“强柱弱梁”的设计理念下，在地震作用下梁端首先产生塑性铰，而后混凝土梁的受力增大，这可能是因为地震作用下梁柱节点起粘结作用的环氧树脂水泥浆随着地震作用的增强逐渐开始退出工作以及由于变形的出现预应力钢筋的长度有所变化导致预应力有一定程度损失导致的。通过图3可以得知,在此次地震作用模拟下,柱脚的受力与变形较大，而且柱最大变形的出现是滞后于梁的。

图3 柱的最大变形云图

由此可知预压装配式混凝土框架结构在地震作用下梁优先于柱破坏，而且梁的受力是从下端的受拉开始，属于延性耗能破坏；柱的最大变形是从柱顶开始而后转移到柱脚，这样的受力形式不会过早造成柱的失稳，符合“小震不倒”的抗震设防原则，所以结构在地震作用下的变形符合混凝土的受力特性与破坏特征，体现了良好的抗震性能。

结构在地震作用下的刚度退化率(SDEG)的变化云图如图4所示。

图4 模型多遇地震下刚度退化云图

从图4可以看出,预压装配式混凝土结构梁柱半刚性节点的刚度退化是比较明显的，而且在整个结构中节点的刚度退化也是出现比较早的，侧面说明梁柱节点的受力性能相比于预制的梁柱是有所欠缺的。

整体结构在地震作用下的刚度退化主要体现在柱和梁柱节点上，如图5所示，梁的刚度退化处在整体刚度退化的偏低位置。

图5 梁柱节点的刚度退化率

由图5可知,梁柱节点的刚度最大下降率为23%，但是加载前期的刚度退化率很小,几乎没有退化，这说明加载的前期在未到达加速度峰值的时候结构处于弹性状态，刚度几乎不退化。

根据多个地震作用下模拟结果可知：结构混凝土已经度过了弹性阶段进入弹塑性状态，混凝土带有裂缝工作但是还没有进一步的发展。此时节点的刚度下降率为23%，即如果在计算分析时取刚度折减系数应为0.77左右，这与《混凝土结构设计规范》中规定的梁类构件刚度折减系数为0.4有较大差异。

3.2 罕遇地震作用下模拟结果分析

在同一次地震作用下，建筑物距离震中的位置不同时所遭受的震害也不一样，所以极有可能在震源区域的震害远大于地震动的边缘区域。鉴于此，我们进行了罕遇地震作用下的有限元模拟分析。模拟结果中，节点和边节点的位移走势大致相同，所以仍然是以左梁左端的节点位移为例进行分析。罕遇地震作用下结构位移最大的地方在柱脚处，这也是在实际强震作用下混凝土结构常有的破坏形态。

罕遇地震作用下结构的整体刚度下降率(SDEG)云图如图6所示。

图6 罕遇地震作用下结构刚度退化云图

由图6可知，刚度下降最严重的地方出现在梁柱节点的拼接处和柱脚处，最严重的位置刚度下降率接近75%。因为在地震作用下采用预应力钢筋以及环氧树脂水泥浆拼接的梁柱节点出现变形，而且随着位移值的不断增大梁柱拼接处在力的传递方面存在着缺失，所以导致梁跨中的刚度下降率较低。

梁柱节点在罕遇地震作用下的刚度下降率如图7所示。

图7 罕遇地震作用下梁柱节点的刚度退化率

由图7可知，其与多遇地震作用下的刚度退化率相似，在前地震作用的前期即大约2 s内节点的刚度几乎都不下降，这说明预压装配式混凝土梁柱节点是有一定的抗震能力，能够吸收一部分的地震能量。没有在地震波加载的初期很快出现刚度退化，说明这种通过预应力钢筋链接的梁柱节点中，预应力钢筋既能够使梁柱节点拼接在一起共同受力，又能够在节点出现裂缝后独立承担荷载以保证结构的稳定性以及延性。

所以在罕遇地震作用下节点的刚度下降是比较迅速的而且下降程度较大，节点最大的刚度下降率达到了64%，这是由于在罕遇地震作用下结构以及构件的损伤比较严重，而且伴随着大量的不可恢复的变形。这说明结构破坏也已经经历了混凝土梁的裂缝发展阶段进入了屈服阶段，刚度下降率加剧达到了64%，即如果在计算分析时取刚度折减系数应为0.36左右，这与《混凝土结构设计规范》[22]中规定的梁类构件刚度折减系数为0.4比较接近。

4 结 论

本文利用ABAQUS软件对预压装配式混凝土框架结构进行了多遇与罕遇地震作用下的模拟，分析了此类型结构半刚性节点的刚度退化程度与刚度折减系数，并将其与《混凝土结构设计规范》中规定的梁类构件刚度折减系数相比较，得出如下结论：

(1)不管是在多遇还是罕遇地震作用下，预压装配式混凝土框架结构中，梁柱节点的变形和刚度的退化总是大于柱。

(2)多遇地震作用下，结构的破坏与构件的损伤并不严重，节点的刚度退化也不那么明显，在以后的计算分析中，刚度折减系数取0.77比较合适；而罕遇地震作用下，结构和构件都已经产生了大量不可恢复的变形，材料也几乎都进入了屈服阶段，刚度下降率加剧达到了64%，刚度折减系数大概为0.36，与规范中的0.4比较接近。

(3)规范中规定的刚度折减系数是对构件的刚度进行一次折减，并不能准确体现出真实的刚度退化规律，由模拟结果可知：在结构受力的前期，构件尚未屈服，节点的刚度退化约为23%，若刚度折减系数取0.4则过大，这说明节点的刚度退化是一个动态的过程，对刚度的折减也应该是分为多阶段采取不同的刚度折减系进行折减。