装配式可更换混凝土框架节点非线性分析*

包 伟，于建兵

(1.镇江市规划设计研究院，江苏 镇江 212004；2.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

在我国，每年因建筑物拆除而产生大量废弃混凝土，对环境造成巨大影响。因此，实现混凝土的可循环使用对解决日益严重的环境问题和缓解自然资源枯竭至关重要。在过去的几十年中，废弃混凝土的回收技术和利用取得了长足的进步，这主要得益于学术界和工业界对再生混凝土力学和结构特性的认识[1]，及有关实现混凝土构件再利用的一系列研究。对建筑物来说，一些受损构件的可更换，是提高建筑构件可重复利用以节约自然资源的最直接方法。如果一栋建筑物采用了可更换构件的技术，那么这栋建筑物可能会在它达到第一次使用寿命后，对其一些受力构件进行更换，使其能够被继续使用。通过CIB(国际建筑施工研究与创新理事会)报告可以发现，在一些发达国家已经有进行可更换建筑物构件的案例[2]。

本文对可更换新型混凝土框架梁柱节点的抗震性能进行了仿真研究，采用有限元软件ABAQUS对节点进行了非线性有限元分析，以期为设计提供指导。

1 节点试验介绍

1.1 节点设计

对于可更换建筑，不同结构单元的连接节点是实现可更换建筑构件可重复利用的关键部位。在此基础之上，提出了一种新型可更换连接框架梁柱节点。为了能够让构件更好地抵抗弯矩作用，设计中采用了木结构榫连接来实现可更换梁和柱之间的连接，如图1～3所示。该新型可更换连接节点包括2个可更换梁体及1个预制柱，在梁柱结合面处伸出一小段梁体作为可更换梁体之间的连接区域，梁体受力钢筋焊接连接。在可更换梁的薄弱区域配置I型钢和T型钢，以保证梁体不发生局部剪切破坏，并防止高剪力作用下纵向钢筋的屈曲。待中间部分的预制梁及受力筋均固定好，即可浇筑混凝土，完成梁体之间的连接。

图1 新型装配式可更换梁柱节点

图2 可更换预制梁

图3 连接区域

可更换混凝土框架接头可轻松拆卸，且不会损坏接头核心区域。进行预制梁更换时，可将连接段后浇混凝土剔除，利用机械将焊接连接的钢筋切断，更换预制梁，原有的预制柱还可继续使用，从而实现建筑物构件的可持续利用。

本次试验节点为2个足尺中节点，其中，一个为现浇整体节点(MNJ)，另一个为新型可更换装配式节点(DNJ)。柱截面尺寸为350mm×350mm，高 3 200mm； 预制梁截面尺寸为200mm×400mm，节点两端预制梁的2个铰链间距为3 200mm。

1.2 材料特性

所有试件的混凝土抗压强度设计值为30MPa，后浇混凝土强度等级为C30。采用普通硅酸盐水泥和中砂作为胶凝材料及细骨料，制作6个边长为150mm的立方体试块，与节点同条件养护，以验证节点混凝土的强度等级，通过混凝土立方体试块得出混凝土轴心抗压强度为36MPa。采用拉拔试验测出节点中钢筋的屈服强度及弹性模量如表1所示。

表1 钢筋的力学性能

1.3 试验设置和加载过程

节点的加载装置如图4所示，框架梁和柱的端部都铰接于加载装置上，梁和柱端部只能转动或沿水平方向移动，采用千斤顶在柱顶部施加400kN的轴力，并保持该轴力固定不变，使轴压比保持在0.15。在水平方向采用作动器施加低周反复荷载以验证节点的抗震性能，通过位移控制水平方向低周反复荷载施加，每级位移荷载循环3次，直至荷载值下降到峰值的85%，停止加载。

图4 加载装置

1.4 试验结果

通过试验发现，可更换构件节点的开裂特征与现浇整体节点有明显不同，可更换构件的预制节点裂缝沿新老混凝土交界面处在预制梁连接区域不断扩展。随着梁的受力钢筋屈服，2个节点破坏特征均表现为梁柱结合面处梁底混凝土剥落，破坏特征符合设计目标。

试验结果如表2所示，Py，Pmax，Pu分别表示屈服荷载、最大荷载和极限荷载，其中，Pu为最大荷载值的85%；δy，δmax，δu分别为对应于Py，Pmax，Pu荷载下的位移角。由表2可知，可更换构件节点DNJ承载力略低于现浇整体节点MNJ，这也表明装配式可更换构件节点的抗震性能与现浇整体节点的抗震性能存在一定差异。

表2 试验结果

2 有限元模型的建立

采用ABAQUS软件建立结点模型，二维模型可不考虑平面外影响因素，三维模型可提高仿真准确性。在本次试验时，严格控制平面外影响，且根据文献[3]的研究，如果梁、柱及黏结面的截面尺寸相同，采用二维建模就能很精确模拟结构的受力性能。为了提高计算效率，建立新型节点二维模型。

2.1 混凝土材料模型

根据混凝土预留试块试验可知本次混凝土的抗压强度为36MPa，ABAQUS提供的可塑性损伤模型可用来模拟混凝土的非线性行为，并结合裂缝带模型来模拟节点的开裂特征。Lubliner和Lee等提出的屈服面和破坏面及相关的流动规则在本次建模中都得到了应用，以反映混凝土在拉伸和压缩过程中的不同响应[3-4]。

2.2 建模所用单元及网格划分

采用缩减积分的4结点平面应力单元(CPS4R)模拟混凝土，2结点桁架单元(T2D2)模拟钢筋，4结点缩减积分壳单元(S4R)模拟型钢。根据试验和数值计算结果，发现这种特殊连接的性能由弯矩而非剪切力决定，这意味着嵌入式型钢对结构性能无显著影响。因此，忽略混凝土的约束效应不会对有限元结果产生显著影响。混凝土与混凝土界面间的相互作用使用4节点接触单元(COH2D4)进行模拟，采用弹簧元件(SPRINGA)模拟钢在界面上的销钉作用。新老混凝土接触面建模如图5所示，实体单元网格尺寸为25mm×25mm，可在计算效率和计算精度上都得到令人满意的结果[4]。

图5 混凝土与混凝土接触面

2.3 边界和加载条件

柱底限制x方向和y方向的位移，柱两边的梁端限制其y向位移，边界条件与试验边界条件相对应。加载过程中，首先在柱顶施加一固定的轴向荷载，然后根据试验过程在柱顶施加水平方向荷载，采用耦合方法进行恒定的轴向载荷和横向载荷施加，以避免应力集中。有限元模型如图6所示。

图6 有限元模型

3 有限元计算结果验证

通过对MNJ和DNJ节点进行模拟计算，提取骨架曲线并与试验数值进行对比，如图7所示。

图7 骨架曲线对比

由图可知，数值模拟计算结果与试验结果基本一致，相差5%～10%。当水平荷载加载到最大值后，节点的抗震性能会因节点类型不同而存在差异，相对于现浇节点，装配式可更换节点的骨架曲线下降段逐渐变陡，这也进一步说明了装配式可更换节点的变形能力及延性变差。在加载到最大荷载之后，由于装配式可更换节点存在拼接，其协同工作的性能下降，从而导致整个节点的承载力下降。通过比较侧向荷载与位移角骨架曲线，说明计算结果可有效反映节点的抗震性能。

4 参数化分析

4.1 混凝土-混凝土界面的影响

对于可更换装配式节点的设计，需考虑构件之间混凝土与混凝土接触情况，即接触面是光滑的还是粗糙的。在此有限元模型中，混凝土与混凝土界面的剪切特性将受到界面粗糙度的影响。影响因子m对应于混凝土与混凝土界面的粗糙度。将m设置为0.4，0.6，0.8，分别表示光滑界面，部分粗糙界面和完全粗糙界面。混凝土黏结界面对节点影响如图8所示。

图8 混凝土黏结界面对节点的影响

由图8可知，将混凝土与混凝土之间表面由光滑变到粗糙，节点的承载能力变化不超过1%。通过预埋型钢的应力可得，所有预埋型钢均处于弹性变形阶段。当节点达到最大荷载，混凝土与混凝土之间粗糙度可提高节点承载能力，该结果表明，混凝土与混凝土界面对装配式可更换混凝土框架节点整体承载力的影响非常有限，但对节点延性的影响最大可达到5%。

4.2 型钢厚度的影响

设计时，在可更换预制梁内部预埋了I型钢和T型钢，以增强预制梁的抗剪能力，从而防止节点在高荷载作用下发生剪切破坏或钢筋屈曲。试验节点型钢厚5mm，为了得到型钢厚度对节点的影响，计算了8，16mm厚型钢对节点变形及承载力的影响，如图9所示。

图9 型钢厚度对节点的影响

由图9可知，型钢厚度对节点极限荷载的影响不是很大，且随着型钢壁厚的增加，节点的剪切能力并没有发生特别大的变化。同时通过加载到最大值时埋在连接区域型钢的应力图，可发现型钢仍处于弹性变形阶段，说明梁体发生的是弯曲破坏，可为今后该类节点的设计提供参考。

4.3 钢筋连续性的影响

在试验中，现浇节点的钢筋连续，而可更换节点梁上部和下部受力筋与预制构件焊接连接。钢筋焊接长度为100mm，为研究钢筋连续性对节点的影响，计算了连接区域内考虑钢筋焊接与不焊接2种情况下节点力学性能变化情况，计算结果如图10所示。

图10 钢筋连续性对节点的影响

由图10可知，连接区域钢筋不连续的节点，其峰值荷载较钢筋连续节点下降了约75%，钢筋不连续节点在连接区域内混凝土的应力值也较大。在较大的位移加载阶段，在有限元分析结果中可发现混凝土梁具有较大局部变形。此外，由于钢筋不连续节点终止加载时间较早，在梁柱结合面处未发现混凝土剥落现象。钢筋连续性对节点的侧向承载力和延性都有较大影响。

5 结语

1)建立的二维有限元模型能较准确预测新型节点的抗震性能，与试验结果对比发现通过有限元计算可提前了解节点裂缝的开展趋势，同时可得到水平荷载与位移角之间及内部预埋型钢应力情况。

2)在梁中预埋型钢，能提高梁的总体抗剪强度，即加载到节点的极限荷载，预制梁的型钢仍保持在线弹性范围内。对于可更换式装配式节点，因存在新旧混凝土结合面，其开裂模式与现浇整体节点存在一定差异。混凝土柱和梁的应力行为也表明，可更换混凝土框架节点具有良好的完整性，可在不连续的梁和柱之间传递应力。

3)通过参数化分析发现，新老混凝土之间的界面状态对节点影响非常有限，但对节点的延性有一定影响。梁钢筋的连续性对节点的侧向承载力影响较大，而型钢厚度对混凝土框架节点的整体抗震性能影响较小。