装配式混凝土柱连接节点力学性能研究及有限元分析

程东辉,高佩罡,任曼妮

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

建筑行业的迅速发展在推动城市化进程的同时,也造成了诸如资源浪费、污染环境以及质量不可控等一系列问题,为了解决以上问题并响应可持续发展战略的需求,国家开始逐步推行建筑工业化,预制装配式混凝土结构是其中较为常见的一种方式。与传统建造方式相比,装配式混凝土结构具有保温性好、可满足个性化需求、工期短、促进工业化发展、能源损耗小以及保护环境等优点,已经广泛应用于世界各个国家[1-7]。

装配式混凝土结构与现浇结构的根本区分是构件节点的连接方式,并存在整体性不足的劣势,保证各个预制构件之间的有效连接是解决整体性的关键。所以找到一种既满足装配式柱受力要求又能使操作简单、成本低的竖向连接方式尤为关键。钢筋灌浆连接是装配式混凝土结构较为常见的竖向连接方式。近些年来,国内外学者通过试验,对装配式结构中采用灌浆套筒方式进行研究并取得一系列的成果[8-13]。李锐等[14]开展了500 MPa钢筋套筒灌浆连接预制混凝土柱的抗震性能试验研究,结果表明:预制装配式混凝土柱的耗能情况、位移延性以及极限承载力均与现浇混凝土柱相近;预制柱在套筒区形成刚域,破坏最为严重的地方发生在套筒顶部;对于轴压比较小的预制柱,其柱底部灌浆层结合面会发生破坏,且滞回曲线会出现捏拢。钱稼茹等[15]对1个现浇墙试件以及竖向钢筋选用不同连接方法的4个预制墙进行拟静力试验,结果表明:预制试件的破坏形式与现浇试件基本相同,灌浆套筒连接方式可以使钢筋应力有效传递。

在试验研究的基础上,有限元法作为一种有效的补充可以进一步扩大研究参数的范围。ABAQUS中的材料模型和稳定的计算能力使其在应用中更可靠、实用，因此利用ABAQUS软件对预制装配式混凝土柱节点连接进行模拟分析具有一定的推广价值。基于上述分析,笔者在试验的基础上,以节点连接形式等参数为变量,进行进一步的拓展分析,结果表明:改进后的对拉钢板连接形式、套筒灌浆形式均具有良好的力学性能,增大混凝土强度等级以及钢筋直径均能有效提高承载能力。

1 试验方案设计

1.1 试件设计

图1 试件配筋示意图

表1 钢材力学性能指标

表2 材料性能

1.2 试验加载与数据量测

本次试验在5 000 kN压力机上进行加载,在正式加载前,将试件放置在压力机的底板上进行对中找平,然后将底端进行固定,调节压力机顶板与试件紧靠并对试件进行一次预加载,在计算极限荷载的90%之前采用荷载控制,之后转为位移控制,当荷载降至峰值荷载的60%时停止加载。加载装置如图2所示。

图2 加载示意图

2 试验结果与分析

2.1 承载力分析

2根试件在试验过程中的屈服荷载、极限荷载实测值如表3所示。可以看到:采用套筒灌浆连接节点试件的极限承载力相对较高。原因是嵌入混凝土柱身两侧的钢板,在试件受到轴心压力并产生轴向压缩时,会挤压连接处的混凝土,在一定程度上削弱了受力截面。

表3 试件承载力特征值

2.2 钢板及钢筋协同受力分析

试件受力纵筋及钢板在荷载作用下的应变曲线实测值如图3所示。可以看出,对拉钢板连接试件钢板一直处于弹性阶段,且应力增量慢于纵筋的应力增量;对拉钢板连接试验柱在承载力极限状态下纵向钢筋受压屈服,而受压钢板未达到屈服强度,主要因为钢板与试件间存在相对滑移,进而削弱了二者的共同受力性能。

图3 荷载-钢材应变图

3 有限元模型对比

3.1 建立试验柱有限元模型

通过有限元软件ABAQUS建立分析模型,将混凝土、钢骨等构件作为不同单元分别进行处理,其中混凝土、钢板以及螺栓采用C3D8(8节点实体单元),受力纵筋和箍筋采用T3D2(三维二节点桁架单元)。

纵向受力钢筋采用嵌入的方式植入到混凝土单元中。混凝土与灌浆料之间的接触通过ABAQUS中Tie表达。钢板与混凝土、螺母之间均采用面-面接触。

为了接近实际的试验加载条件,试件下底端采用全固定方式,加载顶端固定X、Y两个方向上的位移和全部转角。本次模拟中采用位移加载,在Z轴方向对顶部节点施加位移荷载。有限元模型如图4所示。

图4 模拟柱数值分析模型

3.2 破坏模式对比

图5、图6为模拟试件与试验试件破坏形态的对比分析。

图5 PC-1试件破坏结果对比

图6 PC-2试件破坏结果对比

在轴心压力作用下,模拟柱PC-2破坏顺序与试验过程中试件破坏顺序一致,都是受力纵筋率先屈服,随后试件混凝土被压碎,并与以混凝土破碎为最终破坏形态的试验现象基本吻合;模拟柱PC-1与模拟柱PC-2破坏形态很相似,不同之处在于柱身两侧的钢板对接缝处混凝土能够起到约束作用,导致其弹、塑性阶段更长,与试验柱PC-1试验结果一致。

3.3 荷载-轴向位移对比

图7为模拟柱与试验柱的荷载-轴向位移曲线对比结果。由图可知,从加载到纵向受力钢筋屈服前,试验结果与分析结果高度吻合,纵向受力钢筋屈服后,试验值下降趋势快,这是因为在试验中试件属于脆性破坏,破坏较突然,达到极限状态时,荷载迅速下降,同时可以看到,模拟柱极限承载能力略高于试验柱,引起误差的原因主要是钢筋与混凝土之间的绑定的方式,混凝土与纵筋之间的黏结滑移以及黏磨损造成的影响没有考虑,但两根试件的试验值十分接近模拟值,验证了模型分析的准确性。

图7 试验柱与模拟柱荷载-轴向位移曲线

4 对拉钢板装配式混凝土柱节点有限元分析

4.1 节点设计改进

根据试验结果,考虑到对拉钢板嵌于混凝土柱身会造成试件极限承载力略微降低,因此对节点连接形式进行改进,将钢板放置在混凝土柱身外,改进之后的节点示意图如图8所示。

图8 改进节点示意图

4.2 模拟柱参数设计

在试验基础上,对改进节点装配式混凝土柱展开轴压性能有限元分析,以节点连接方式、混凝土等级、纵向钢筋直径、钢板强度等级以及螺栓预紧力为变量,设计了17根模型柱,相关参数如表4所示。

表4 模型柱参数表

4.3 混凝土强度等级影响

图9为两种连接节点模拟柱在不同混凝土强度等级下荷载-轴向位移曲线。由图可知,随混凝土强度等级的增加,模拟柱的轴向刚度逐渐增大,两种连接节点模拟柱的极限承载力均有效提高,而对拉钢板连接节点模拟柱的极限承载力增幅比套筒灌浆连接节点模拟柱小,主要是因为随着混凝土强度等级的增大,混凝土内部的空隙变小,使对拉钢板约束效果减弱。在相同混凝土强度等级下,对拉钢板连接节点模拟柱比套筒灌浆连接节点模拟柱极限承载力提高5.8%～10.3%。

图9 混凝土不同强度等级下荷载-轴向位移曲线

Fig.9Load-axial displacement curves under different

concrete strength grades

4.4 纵向钢筋直径大小影响

为了研究钢筋直径大小对轴心受压混凝土柱承载力的影响,在其他变量一定时,对比分析了荷载作用下两种连接节点模拟柱在不同钢筋直径下轴向位移曲线,如图10所示。由图可知,随配筋率的增加,两种连接节点模拟柱极限承载力增大且增幅相似;钢筋直径大小相同时,相对于套筒灌浆连接节点模拟柱,对拉钢板连接节点模拟柱极限承载力平均提高7%,这表明对拉钢板对接缝处的混凝土起到一定的约束作用,有效提高装配式混凝土柱的极限承载力。

图10 不同配筋率下荷载-轴向位移曲线

4.5 螺栓预紧力

图11为模拟柱在不同螺栓预紧力下的荷载-轴向位移曲线。

图11 不同螺栓预紧力下荷载-轴向位移曲线

由图可知,预紧力分别为160 kN、225 kN以及290 kN时,与预紧力为95 kN时相比,有限元模拟柱的承载力分别提高了3.4%、6.5%和8.8%,可见模拟柱的极限承载力受螺栓预紧力影响较大。这是由于试件在受荷过程中,随着荷载的增加,混凝土内部裂缝逐渐发展,构件发生横向膨胀,此时柱身两侧钢板能够对混凝土产生的横向变形起到一定程度上的约束作用,且约束效果随螺栓预紧力的增大而提高。而增大相同预紧力时,承载力增大分别为3.4%、3.1%和2.3%,这是因为接触面之间切向力需要克服的摩擦力在预紧力增大到一定程度时基本保持不变。

5 结 论

(1)有限元模拟柱在荷载下的轴向位移曲线、试件破坏顺序以及混凝土破坏形态与试验相一致,ABAQUS有限元模型得到了验证,能够为实际工程指导提供准确依据。

(2)对拉钢板对节点处混凝土有约束作用,可以明显提高试件的极限承载能力;两种连接节点模拟柱随钢筋直径的增加,试件的极限承载力均增大且增幅相似。

(3)随混凝土强度等级的增加,两种连接节点模拟柱的极限承载力有效提高,对拉钢板连接节点模拟柱的承载力增幅比套筒灌浆连接节点模拟柱小。

(4)螺栓预紧力增大,能够使柱身两侧钢板对混凝土的约束明显增强,显著提高对拉钢板模拟柱的极限承载力。