一种新型装配式梁柱节点的抗震性能研究

崔建华，秦琦琦

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230000）

0 引言

装配式结构建筑是目前一种新型的建筑建造方式，是在工厂中事先预制好各种梁、柱、板构件，在施工现场直接拼装完成，具有工厂化程度高，施工速度快，受季节影响小，有利于住宅产业化的优点[1]。这种建筑的节点采用干式连接，基本都使用螺栓连接，避免了传统现浇湿作业的缺陷，使得现场作业安装更加的便捷，方便指挥与管理，提高了安装速度。同时装配式建筑也是符合我国绿色、节能减排型建筑的目标[2]。

我国一直高度重视防震减灾工作[3-4]。很多学者对装配式建筑的抗震性能展开了研究。在国内，高向玲等对于采用型钢连接预制混凝土的梁柱节点的力学性能进行了研究[5]，于建兵等对于装配式梁柱节点核心区是否需要设置附加箍筋进行了研究[6]，吴丛晓等对于不同轴压比对于装配式梁柱节点的影响做了研究[7]，我国台湾地区在90年代引进了芬兰的“Partex”预制生产技术，并将这些技术成功的运用到各种大型建筑、商业综合体中[8]。在国外，装配式建筑的研究已经取得了很多成果[9-11]，美国、日本、欧洲等国家对于装配式结构的研究发展已经形成了一套基础理论[12-13]。尤其是日本，众所周知日本处于地震带上，属于地震高发国家，他们制定了装配式结构的规范标准，使施工质量有了很大的保障[14]，并且他们攻克了一系列的问题，其中比较有名的有关于装配式纵筋的连接方法以及关于预制部件端口的连接形式的设计[15]。

总得来说，装配式建筑由于梁柱节点起荷载传递和抗震耗能的作用，破坏了之后很难复原，而且节点破坏对于整个结构也是有巨大的危险，所以要避免节点的受剪破坏[16]。本文展示了一种完全由螺栓干式连接的新型装配式梁柱节点形式的抗震性能试验和数值分析结果，并且对于减少螺栓数量后的模型进行了对比分析。

1 实验概况

1.1 节点计算模型

为了研究装配式半刚性混凝土梁柱节点的抗震性能，设计了一种新型的装配式梁柱节点，并针对此节点展开了实验。此节点的计算模型采用普通建筑常用的框架结构，轴网为3跨乘6跨，每个柱跨径均为8.4米，该模型的每层楼的层高均为4.2米，本节点采取的是七层的边柱作为设计节点，原设计为八根10.9级的高强螺栓作为此节点的连接构件。笔者作为改良意见拟将八根高强螺栓改为六根高强螺栓作为此节点连接构件，并以此六螺栓模型的数值模拟结果与八螺栓模型的结果作为对比分析。

图1 典型框架平面布置图Fig.1 A typical frame layout

1.2 节点设计

本文主要研究目标为此节点的各种力学性质，采用的是在此节点施加往复力模拟地震的情况。先介绍下此节点，如图，该节点是由预制T型梁、预制牛腿柱、预埋承压钢板、柱顶承压钢板、8根直径30mm的螺栓组成，其中预制的T型梁尺寸如下图，使用的为C40混凝土，预制的牛腿柱为750mm×750mm×4200mm，具体尺寸见下图，为C80混凝土，柱与梁分别开8个螺栓孔，预埋承压钢板对应梁柱也分别开孔，孔洞直径均为36mm，钢板使用Q345钢。承压钢板设置在柱顶，柱与梁通过螺栓与预埋承压钢板连接，最后螺母固定。为了使此节点更加高效便捷，节省成本以及人力，提出将八根螺栓改为六根螺栓的新方案，并且重新设计螺栓之间的距离，为保证新节点的力学性能，通过理论计算对其进行支持[17]，关键部分的理论计算结果如下：

螺栓抗拉承载力设计值：

螺栓抗剪承载力设计值：

折减系数：

受力最大的为最外侧螺栓

螺栓承压验算：

则在弯矩和剪力的作用下，验算为：

满足要求

所以6根螺栓的节点是符合设计要求的，在稍后的章节中将利用数值模拟技术进行对比研究。

图2 新型节点试验现场图Fig.2 On site test of the new design of joints

图3 新型节点试验设计图Fig.3 On site test of the new design of joints

如图4-10所示分别是八根螺栓的节点简图以及六根螺栓的节点图，为方便表述，规定六根螺栓节点模型为model1，八根螺栓节点模型为model2。

图4 节点计算简图Fig.4 A diagram for calculations related to the joint

图5 预制梁主视图Fig.5 Front view of the precast beam

图6 预制梁左视图Fig.6 Left view of the precast beam

图7 预制柱正视图Fig.7 Front view of the precast column

图8 预制柱左视图Fig.8 Left view of the precast column

图9 预制柱右视图Fig.9 Right view of the precast column

图10 配筋位置示意图Fig.10 Schematic diagram of reinforcing bar arrangements

如图11所示，分别为该节点的配筋图，model1与model2的配筋基本一样。

图11 节点配筋图Fig.11 Reinforcement arrangement diagram of the joint

由图4-8可看出预制柱上留有的螺栓孔洞与预制梁梁端翼缘处的孔洞相对应，通过螺栓来进行连接。在建筑的抗震设计中，基本的原则就是“强柱弱梁”，所谓“强柱弱梁”指的就是柱子的破坏在建筑中是属于结构的破坏，所以地震发生时不能让柱子先行破坏，相对的梁的破坏对于建筑的整体而言并没有柱那么重要，所以要使梁先破坏对于整体的结构更为安全，抗力构件唯一可靠的耗能措施是形成弯塑性铰，这样可以充分利用钢筋的单项受力属性和延性。梁先于柱形成塑性铰，可靠的办法是柱子的承载力要大于梁的承载力。为此设计时梁用的是C40混凝土，柱用的是C80高强混凝土。并且在柱子的节点区以及梁的节点区设置箍筋加密区，从而保证节点的强度以及节点核心区的抗震性能和延性。

2 试验过程及现象

2.1 加载制度

此试验的新型装配式梁柱节点采用的是拟静力加载，并且施加的为低周往复荷载，这是因为地震时也是往复荷载，这样可以模拟地震作用对于该节点的影响。为了模拟框架结构所以要在柱顶施加轴力，经测试施加67kN轴力最合适。之后通过力和位移混合加载来控制，首先是力加载，先从20kN开始，作用力朝下的为正值，作用力朝上的为负值，按20kN，-35kN，25kN，-40kN，30kN，-45kN，35kN，-50kN每次增加5kN以此类推，直到70kN，-85kN。接着是位移加载控制，以75mm为一级，并且每级加载循环三次。

图12 梁端加载制度Fig.12 A demonstration of the low-frequency cyclic load applied on the end of the beam

2.2 试验结果

试验以及模拟运算的结果如图13、14所示，在低周反复加载初期，无明显裂缝产生，继续直到出现第一条裂缝，此时为40kN，此裂缝最大宽度为0.54mm，到-55kN时，这些产生的裂缝大部分可以闭合，继续加载，裂缝以及承压板附近的变形继续增大，当加载至75kN时，梁端的裂缝变为0.8mm，承压板附近的裂缝变为了0.75mm，此时加载的力已经使T型梁的上部钢筋达到了屈服从而停止加载力控制，改为位移控制。刚开始加载位移控制时，即75mm时，裂缝并无明显变化，随着继续加载，当加载位移至85mm时，螺帽开始产生变形，裂缝开始继续增长，并且一直延伸到梁的中部左右，并且在之后的位移加载过程中裂缝的长度不再延长，仅是加大宽度。当继续加载至125mm时，螺栓屈服，此时停止加载，裂缝宽度为12mm，梁耳附近裂缝为8mm，柱和牛腿处均无裂缝。

图13 节点处破坏Fig.13 Destruction at the joint

图14 节点滞回曲线Fig.14 The hysteric curve of the joint

3 新型节点形式的数值模拟

有限元方法为更彻底地研究新型装配式梁柱节点提供了便利，该方法可以大大减少所需进行的试验。在验证前文提到减少螺栓数量至六螺栓的对比试验方面，有限元分析变成了非常有力的工具。详细的有限元分析使用非线性有限元程序abaqus进行。

3.1 建模过程

通过理论计算，作者认为相比于8根螺栓的连接件，6根螺栓作为连接件也是可以满足抗震性能需求的，通过数值模拟进行对比试验，6螺栓模型被命名为model1，与之对应的8螺栓模型被命名为model2。模型建立的步骤，先是画出牛腿柱和t型梁，螺栓，然后编辑各个部件的材料属性，比如钢筋的密度，杨氏模量，泊松比，本构关系曲线等，节点的模型如图15所示。再创建各个材料的截面属性，之后进行装配，设置各个部件的相互作用和约束，以及边界条件，然后在梁端施加位移加载方案，设置分析步，建立幅值。最后进行画网格，并且提交作业分析。

模型中混凝土所使用的应力应变曲线依据《混凝土结构设计规范GB50010-2010》计算生成，而损伤因子在众多计算方法[18-19]中采用的是Sidoroff提出的能量法，公式为：

式中，d为混凝土损伤因子；σ为混凝土真实应力；ε为混凝土应变；E0为混凝土初始弹性模量。考虑到6根螺栓所受剪，受弯能力比8根要小，所以改变加载方案，位移控制加载为10mm，20mm，40mm，60mm，80mm，120mm，130mm来进行加载。

图15节点的模型Fig.15 Abaqus models of the joint

3.2 滞回曲线的对比

图17 中分别给出了利用数值模拟获得的model1和model2的滞回曲线图，为了更加明确的对比六螺栓模型的抗震性能，图16中也给出了传统现浇试件的试验滞回曲线。通过图14、16和17的对照可以看出：（1）对于被测试的试件，有限元模型在捕捉屈服载荷、极限载荷和极限位移能力方面是令人满意的；（2）随着螺栓连接件的减少，节点的抗剪承载力随之减小，耗能性能也会减弱，但经过理论计算，6根螺栓的设计仍是符合设计规范的；（3）利用有限元数值模拟得到的滞回曲线比试验所得的滞回曲线更加的饱满，这是因为数值模拟过程中所设置的材料的力学性质被简化为各项同性匀质材料而不像实际试验那样不平均，并且数值模拟表现不出来混凝土开裂的实际效果。

图16 现浇节点的滞回曲线Fig.16 The hysteric curve of the cast-in-place joint

图17 model1与model2滞回曲线对比Fig.17 The comparison between the hysteric curve of Model 1 and Model 2

3.3 骨架曲线的对比

骨架曲线是指滞回环上的峰值点所连成的曲线。骨架曲线比滞回曲线可以更直观的得到关于这个节点的各种特征值，比如极限荷载、屈服荷载等。

接着从model1和model2的滞回曲线中分别提取骨架曲线，可以看出model1和model2的差别并不是很大，model1的屈服荷载为70kN，极限荷载为88kN。model2的屈服荷载为76kN，极限荷载为95kN。可以看出mdel1的极限和屈服荷载均小于model2，分别减少了8%和7.9%。对比于现浇节点，现浇节点的屈服荷载为48.7kN，极限荷载为60kN，model1比现浇节点的屈服荷载、极限荷载分别增加了30%和31%。

图18 model1与model2骨架曲线对比Fig.18 The comparison between the skeleton curve of Model 1 and Model 2

3.4 节点的耗能能力的对比

节点的耗能能力是节点非常重要的一个属性，它反映了该节点的抗震性能，节点的耗能能力与节点的抗震性能呈正相关。而节点耗能系数可以反应节点耗能能力[21]，这两者呈正相关，节点的耗能系数是通过节点的滞回曲线来计算的，如图19所示[22]。

图19 滞回环示意Fig.19 A demonstration of hysteric curve

主要是滞回环包络的面积以及图中三角形阴影面积之比[23]，公式如下：

可见分母是三角形阴影面积的和，分子是滞回环包络面积的和。E为能量耗散系数。model1，model2耗能系数折线图如图20所示，位移单位为mm。

图20 model1与model2耗能系数曲线对比图Fig.20 The comparison of energy consumption coefficient curve between Model 1 and Model 2

由图20可见，虽然model1的耗能能力不及model2，但是model1的折线与model2的折线越来越接近，并且在model2的折线趋于平缓的时候model1的折线仍然在上升，最终model1的耗能系数仅比model1的少了20%，说明抗震性能还是较好，详细数据见下表所示。

表1 model1与model2耗能系数表

4 结论与讨论

通过对这个新型装配式梁柱节点进行的实验以及使用abaqus进行的八根螺栓模型和六根螺栓模型的数值模拟进行的对比可以得出：

（1） 提出了一种新型的梁柱装配式节点，此节点符合抗震要求且通过实验可以发现他的屈服荷载、极限荷载均比现浇节点有所提升，说明他的抗震性能比起现浇节点是有所进步的。

（2） 通过选取合理的参数。例如材料的本构模型，以及选取各个材料的截面属性，设置各个部件的相互作用和约束，以及边界条件，接触属性来建立有限元模型，这个模型可以较为准确的分析该节点的破坏形式。

（3） 通过使用abaqus建立八螺栓节点和六螺栓节点的有限元模型，并进行低周往复荷载作用下的数值分析，得出滞回曲线，并且通过对比发现六螺栓模型的滞回曲线饱满程度略低于八螺栓模型，相较于八螺栓模型滞回环包络面积少25%，屈服荷载少8%，但是总体来说六螺栓模型的抗震性能也是较好的，经过理论计算可以符合抗震规范要求，并且总体抗震强度明显优于传统现浇节点。

（4） 本文提出的六根螺栓型的节点是在原有的八根螺栓型节点的力学特性的基础上，在符合抗震标准的情况下，考虑到成本以及人力的因素所提出的方案。有限元数值模拟结果表明六螺栓型节点具有较好的抗震性能，具有良好的应用前景。