新型装配式混凝土框架节点火灾后抗震性能有限元分析

刘阳，刘远良，黄乐鹏

（1重庆建工住宅建设有限公司，重庆 400015；2重庆大学 土木学院，重庆 400045）

0 引言

目前国内现行的建筑抗火规范并没有对混凝土结构进行详细说明[1]。而对于采用干式连接的装配式混凝土建筑而言，在由湿连接向干式连接发展过程中，除了对其抗震性能的研究以外，对其受火后由于材性劣化导致抗震性能的降低也很有研究的必要[2]。

吴波、马忠诚、欧进萍[3]在试验结果基础上，提出了钢筋混凝土梁、柱受火后的弯矩-曲率计算方法，为结构受火后抗震加固修复提供理论依据。三年后，三位学者[4]通过模拟得到：高温后四种抗震性能研判指标均出现明显下降，随着温度升高，构件的破坏形式由延性向脆性转变。Kodur[5]通过轴压试验，发现高温后混凝土柱失去水分易大块剥落，变形增大。Han L.H.[6]的试验表明节点梁柱互相提供约束和支撑，两者均在对方达到极限承载力后依旧继续承载，在节点失稳时二者均发生破坏。通过前人大量研究表明，在火灾作用后，即使结构构件温度恢复至常温[7]，结构的力学性能也会随火灾的严重程度发生永久性损伤。因此，应在结构构件火灾后进行性能评估，这样才能保障建筑结构的安全[8]。

在此基础上，本文利用Abaqus对节点进行低周往复位移加载，通过分析节点滞回耗能、极限荷载、延性，研究受火时长、轴压比对节点火灾后抗震性能的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 基本建模信息

本文采用Abaqus有限元分析软件建立装配式节点温度场分析模型，采用《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—2015）[9]中建议的加载方式。加载方式及加载幅值如图1、图2和图3所示。

图1 试验节点内部升温30min的温度云图

图2 加载方式示意图

图3 加载幅值

1.2 模型分析参数变量

低周往复加载分析模型具体节点参数设置如表1所示。

表1 低周往复加载分析模型概况表

1.3 高温后模型温度场设定

本文研究过程中根据预设受火时间，将节点以标准升温曲线对环境升温至指定时间后再通过标准降温曲线降至常温，并持续10h，确保节点内所有区域均已达到受火升降温过程温度峰值。

2 装配式节点受火后滞回性能参数分析

本小节通过提取六个节点P-Δ滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能、刚度退化等参数，分析对比轴压比和受火时长对装配式节点受火后滞回性能的影响。

2.1 P-Δ滞回曲线

装配式节点受火前后的滞回环为梭型，滞回环较为饱满。在加载初期，各个节点均处于弹性变形状态，位移荷载基本为直线上升，各节点前期滞回曲线差别不大。随着受火时长、轴压比分别增加，节点的滞回曲线如图4、图5所示。

图4 受火时长对装配式节点受火后滞回曲线的影响

图5 轴压比对装配式节点受火后滞回曲线的影响

从P-Δ滞回曲线可知：

（1）对于装配式节点，未受火构件的滞回曲线相对更加饱满，滞回曲线上升段更高，可以看出，火灾使装配式构件的抗震性能产生了劣化；

（2）在受火时间相同时，轴压比较大的节点滞回曲线比轴压比较小的节点滞回曲线更加饱满，这与节点未受火时滞回曲线-轴压比变化规律相同；

（3）在轴压比相同时，受火时间较短的节点滞回环较受火时间较长的节点滞回曲线更加饱满，随着受火时间增加，火灾对节点造成的永久性破坏加剧。

2.2 骨架曲线

加载初期，各节点处于弹性变形状态，受火前后节点骨架曲线基本重合。进入屈服阶段后，由于混凝土及钢材材性劣化，受火后的骨架曲线斜率较未受火节点放缓，达到峰值后，下降速度也均高于未受火节点，如图6、图7所示。

图6 受火时长对装配式节点受火后骨架曲线影响

图7 轴压比对装配式节点受火后骨架曲线影响

从骨架曲线可以看出：

（1）在受火时间相同的情况下，轴压比较大的节点骨架曲线在塑性阶段略高于轴压比较小的节点，这种差距几乎无法从骨架曲线上看出，轴压比增大带来的骨架曲线升高随着受火时间的增长逐渐消失；

（2）相比于未受火情况，装配式节点在受火1h左右骨架曲线峰值下降24%，一个半小时下降42%，节点火灾后抗震性能的下降随火灾的持续时间呈加速趋势。

2.3 延性

对装配式节点而言，在火灾影响下的延性系数下降了38.5%。

从表2可以看出：

表2 受火时长和轴压比对装配式节点位移延性系数影响

（1）在相同受火时间下，装配式节点正反向加载的延性系数都随轴压比的增大而增大，不同轴压比节点间的延性系数差距随着受火时间的增长而下降；

（2）在轴压比相同的情况下，对比不同受火时长的装配式节点，随着受火时长的增长，正反向加载的屈服位移、屈服荷载、极限位移、极限荷载均随受火时长的增长而减少；

（3）在轴压比相同的情况下，节点的延性系数在升温60min时延性系数显著降低，但随着升温时间的增长，又出现一定回升，其原因是在升温60min左右，由于混凝土受热材性劣化，导致较常温下节点延性系数大幅下降，但随着混凝土核心区温度升高，钢筋与混凝土直接的粘结性能遭到较大破坏，试件破坏位移明显增大。

2.4 耗能

对于装配式节点，在加载初期，由于各节点均处于弹性受力状态，节点耗能较小，各节点差异不大，随着加载幅度增大，节点耗能逐渐增大，如图8、图9所示。

图8 轴压比对装配式节点受火后耗能的影响

图9 受火时长对装配式节点受火后耗能的影响

从耗能曲线可以看出：

（1）受火时长的长短，所有节点在加载过程中的耗能均随着加载周期的增大而增大；

（2）轴压比相同的情况，初期的前两个滞回周期里，受火时间较长的节点耗能大于受火时间较短的节点，但随着加载继续，最终受火时间短的节点耗能大于受火时间长的节点；

（3）受火时间相同的情况下，在加载的初期，节点的耗能能力在不同轴压比下无明显区别，随着加载的继续，节点的耗能能力体现为轴压比较高的节点耗能能力大于轴压比较小的节点，这一规律在未受火和不同受火时长下的装配式节点均有体现。

3 结论

本文利用Abaqus有限元分析软件对六个装配式节点进行低周往复梁端加载试验的有限元模拟分析，主要得出如下结论：

（1）滞回曲线分析可以得到：对于装配式节点，未受火构件的滞回曲线相对饱满，滞回曲线上升段更高，可以看出，火灾使装配式构件的抗震性能产生了劣化。

（2）骨架曲线分析可以得到：进入屈服阶段后，受火后的骨架曲线斜率较未受火节点放缓，达到峰值后，下降速度也均高于未受火节点。在加载初期各节点弹性阶段骨架曲线基本重合，在弹塑性阶段，受火时间较短的节点上升高于受火时间较长的节点；在经历峰值后的下降段，受火时间短的节点下降较慢。

（3）延性分析可以得到：所有节点受火后延性都出现明显下降。在相同受火时间下，装配式节点的正反向加载的延性系数都随轴压比的增大而增大，不同轴压比节点间的延性系数差距随着受火时间的增长而下降。

（4）耗能分析可以得到：在滞回加载初期，受火时间较长的节点耗能大于受火时间短的节点，随着加载的继续，受火时间较长的节点耗能增长小于受火时间短的节点，最终受火时间短的节点耗能大于受火时间长的节点。