带T型连接件的装配式RCS梁柱节点抗震性能分析

熊进刚，冯嗣鑫，胡淑军

(1.南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031；2.江西省近零能耗建筑工程实验室，江西 南昌 330031)

装配式钢筋混凝土柱(reinforced concrete column)—钢梁(steel beam)组合框架结构，简称装配式RCS框架结构。美国和日本在RCS研究方面起步较早，研究成果也相对丰富。上世纪70年代，Franke等[1]最先将钢筋混凝土柱和钢梁组合，提出了RCS组合框架结构的概念；Alireza等[2]进行了2个1/2比例的预制RCS连接节点的抗震性能研究。Jun等[3]对RCS节点的构造、节点传力机制等进行了研究，并提出了RCS节点设计指南。近20年来，我国学者也加强了有关RCS框架结构的研究工作。司启等[4]提出一种将预制装配式与ECS混合框架结构相结合的新型装配式RCS节点，研究了在不同初始转动刚度下结构的整体抗震性能，但其结果不能精确表示出初始刚度与最大层间位移角的关系，仍需进行进一步研究。可见装配式RCS组合结构的研究已成为一大趋势。

装配式RCS节点的转动刚度和相应结构的抗侧刚度较弱，在大震下梁柱连接处的混凝土可能发生损伤[5]，使得装配式RCS框架结构的抗震性能大幅下降。因此将Y型偏心支撑引入装配式RCS框架结构中[6]得到一种装配式RCS框架-偏心钢支撑结构，可有效保证该结构具有足够承载力和较好的震后恢复能力。

在此结构体系中，作为主要传力部件的RCS梁柱节点是该种结构能否达到预期性能的关键[7]。郭子雄等[8]对装配式RCS框架节点研究表明，节点处预埋高强螺栓可实现钢梁与混凝土柱的装配式连接，但混凝土与螺栓接触处往往损伤过大，不利于震后功能恢复。王海龙等[9]在RCS节点梁贯通式连接中采用切除部分钢梁翼缘的做法，保证了节点核心区斜压杆的传力机制，减小了对混凝土的削弱，但施工工艺复杂，难以实现装配化。何益斌等[10]对方钢管钢骨混凝土柱与钢梁端板螺栓连接节点研究表明，承载力由端板控制时，其具有良好的转动和耗能能力，但连接节点的纵横向预留螺杆孔较大程度削弱了节点区混凝土受剪能力，且节点刚度难以满足刚性节点要求。Nguyen等[11]提出了一种新型柱贯通型RCS节点，对该节点进行了足尺力学性能试验，并基于ABAQUS三维有限元模型进行了详细的参数分析，但此节点的刚度与承载力远不如梁贯穿节点。

本文提出一种带T型连接件的新型装配式RCS梁柱节点，并采用ABAQUS软件对其抗震性能进行分析，在控制相对位移角为2%的情况下，改变其T型连接件之间的摩擦系数来得到该组合节点的滞回性能、混凝土损伤、T型连接件应力和高强螺栓应力等；节点在T型连接件上开设长圆孔，构件在大震来临时可绕某一顶点发生转动从而达到耗能的目的，将此节点放入到偏心支撑框架体系中，可使得整体结构的耗能能力和承载能力得到保证。

1 装配式RCS梁柱节点

带T型连接件的装配式RCS梁柱节点，包括全装配式混凝土柱、钢梁、高强螺栓、T型连接件一、二、三，如图1所示。其中，混凝土柱内需设置预埋件，该预埋件包括节点钢板箍与十字腹板。十字腹板焊接在节点钢板箍的内侧，将高强螺栓用点焊的方式固定在节点钢板箍的内表面上。

图1 装配式RCS框架-偏心支撑结构体系

节点钢板箍由4块钢板焊接组成，十字腹板焊接固定在节点钢板箍里的对应位置。节点核心区内不设置箍筋，纵筋从节点钢板箍内穿过，再浇筑混凝土，养护达标后拆除模板；其中T型连接件二、三之间采用滑移连接，最后通过T型连接板和高强螺栓实现节点域与钢梁的连接。

2 有限元模型校正

采用ABAQUS软件对文献[11]装配式RCS梁柱连接节点进行有限元模型校正，从而保证该连接节点分析模型的可靠性。

2.1 分析对象及分析模型

蓝钦宇等[12]对3个新型装配式混凝土柱-钢梁组合节点的抗震性能进行了试验研究，本文选取RCSJ-1为研究对象。

模型中所选取的混凝土等级为C40，具体参数如表1所示，混凝土应力应变关系采用文献[13]中模型。混凝土损伤模型通过文献[13]定义损伤变量d=1-σ/fc取值到0.95以上。试验中所有钢材型号均为Q345；钢材采用随动强化本构模型，钢材属性如表2所示，各构件尺寸如图2所示。其试验装置如图3(a)所示。

(a) 混凝土柱 (b) 节点域与钢梁俯视图

表1 混凝土材料参数表

表2 钢材材料属性

分析单元及接触设置。整个模型分为节点域、混凝土柱、钢构件和钢筋4部分，其中除钢筋采用T3D2单元进行模拟，其余部件均采用C3D8R单元。单元类型T3D2代表两个节点的桁架三维模型；C3D8R代表采用缩减积分计算的8个节点实体三维模型[12]。单元接触包括钢筋-混凝土接触、加劲肋-混凝土接触、十字腹板-混凝土接触、螺栓-混凝土接触、节点钢板箍-混凝土接触、加劲肋-十字腹板接触、螺栓-节点钢板箍接触、外伸梁段-钢板接触、加载梁段-钢板的接触、螺栓-钢板的接触、外伸梁段-节点钢板箍的接触；其中钢筋-混凝土为嵌入接触，外伸梁段-节点钢板箍为绑定接触，加劲肋与十字腹板与节点钢板箍之间均为绑定接触，其余接触法线方向设置为硬接触，切线方向设置罚函数模拟摩擦，钢材与混凝土之间的摩擦系数设置为0.6，钢材与钢材、钢材与螺栓之间的摩擦系数设置为0.35。

边界条件。有限元模型如图3(b)所示，在有限元模型分析中，对柱顶和柱顶的外表面上所有点各方向的自由度进行固定，将加载梁端外表面上所有点耦合至一点，并约束Z方向位移，在耦合点处加载一水平(X方向)位移，由此对组合节点进行模拟。

(a) 试验装置图

加载方式。试验采用卧式加载，即将柱转动90度平卧并锚固于地台，如图3(a)所示，将一水平方向的往复荷载施加在钢梁的端部。

2.2 分析结果对比

如图4所示，试件RCSJ-1的有限元和试验的滞回曲线对比图。其中最大荷载分别为111和107 kN，且二者滞回曲线轮廓基本重合。图5为试件RCSJ-1的试验和有限元分析的破坏形态，从试验现场图中可知，试验中构件在外伸梁端与节点钢板箍的焊接处发生破坏，从有限元后处理云图可知，外伸梁端与节点钢板箍焊接处应力最大且达到516 MPa，超过焊缝的破坏强度，两者的破坏形态基本吻合。

位移/mm

(a)

上述对比分析验证了本文有限元模拟方法的有效性。该有限元校正模型中与新型节点中节点域构造中都使用了节点钢板箍与十字腹板来作为梁柱连接的一部分。

3 抗震性能

为研究这种带T型连接件的新型节点的抗震性能，设计了3个考虑T型连接板二、三之间摩擦系数不同取值的分析模型，如表1所示。模型尺寸如图1和图6所示，其中T型连接件三的开孔方式为：以T型连接件一上的一点为圆心，如图6(d)所示，作半径分别为400、422、445、467、486、508、523、545 mm的圆弧，在两条圆弧的两端，分别作半径为11 mm的半圆弧将其连接起来。以期在地震作用下，高强螺栓能随着板件一起绕图6(d)中的旋转中心旋转而不与T型连接件二、三的开孔壁内侧发生接触。

(a) T型连接件一正视图及侧视图

摩擦系数的取值依据参考文献[14]中的设置方法；试验中可在T型连接件之间放置两块黄铜板[13]，通过高强螺栓将它们连接为一个整体，使得T型连接件之间的摩擦系数保持稳定。

3.1 材料参数的选取

在3个分析模型中，选用了C30强度混凝土，主要参数如表4所示，钢材属性如表5所示。

表4 混凝土材料参数表

表5 钢材材料属性

3.2 分析方法

分析单元及接触设置。采用ABAQUS软件中的C3D8R单元对新型节点中的混凝土、钢梁、T型连接件和螺栓进行模拟，采用T3D2桁架单元对新型节点中的纵筋和箍筋进行模拟。单元接触包括螺栓与节点钢板箍、钢梁以及T型连接件的接触，T型连接件一、三与节点钢板箍的接触，T型连接件一、二与钢梁的接触，T型连接件二与三的接触，混凝土与钢筋网、节点钢板箍、十字腹板以及螺栓的接触。各接触中所有的法线方向均设置为硬接触，钢筋网采用嵌入接触的方式与混凝土接触。钢构件与混凝土之间切向摩擦系数设置为0.3；除T型连接件二、三之间外其余钢构件之间的切向摩擦系数均设置为0.1。

表3 新型节点的分析模型

边界条件。如图7(a)所示，混凝土柱上下端分别定义为表面一(A)、表面二(B)，约束表面一和表面二上所有位移；为防止钢梁发生平面外位移，将钢梁端部外表面即表面三上所有点耦合至钢梁端部的几何形心处并限制Y方向上位移，对表面三上所有竖向位移(X方向)进行耦合约束，由此来限定各点的竖向位移在加载过程中始终相等。

加载方式。加载方式采用文献[15]中方法，加载制度如图7(b)所示。将钢梁外表面三上所有节点耦合至其形心处，在耦合点施加X方向的往复荷载。其加载时程如图7所示，控制参数为梁端位移，分级施加往复荷载，最终相对位移角目标为2%。

(a) 有限元模型

3.3 分析结果

3.3.1 滞回曲线

基于分析所得的各模型滞回曲线，如图8所示。模型1的最大反力为12.12 kN，模型2的最大反力为23.72 kN，模型3的最大反力为35.56 kN，成比例增长。且模型1、模型2的滞回曲线更饱满，说明其在往复荷载作用下具有足够的承载力。模型3滞回曲线略有畸变，说明在加载过程中构件基本达到极限状态，但其滞回曲线仍较饱满，说明仍具有一定的承载能力。

位移/mm

3.3.2 混凝土损伤

各模型混凝土损伤如图9所示。模型1、模型2及模型3的混凝土最大损伤分别为16.67%、20.02%和26.63%，可知摩擦系数的提升会使得混凝土损伤增大且增大程度较大。由应力云图可知，随着摩擦系数的增大，混凝土的损伤区域也逐渐增大。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3

3.3.3 螺栓应力

各模型螺栓应力如图10所示，从模型1～模型3中T型连接件二、三之间的螺栓应力可知，各螺栓最大应力分别为212.7、190、183.6 MPa，远小于屈服强度940 MPa。从模型1～模型3可知，增大T型连接件二、三之间的切向摩擦系数，可一定程度上减小螺栓处的最大应力，且摩擦系数越大，螺栓上最大应力也越小。

(a) 模型1 (b) 模型2 (c) 模型3

3.3.4 T型连接件应力

各模型中T型连接件应力如图11所示，模型1～模型3中T型连接件上的应力云图可知，随着T型连接件二、三间的摩擦系数的增大，T型连接件一上的最大应力减小，T型连接件二、三上的最大应力增大，且各连接件上的平均应力也将增大。但应力值都小于其屈服强度，即各钢构件还均处于弹性阶段。

(a) 模型1

基于上述对带T型连接件的装配式RCS组合节点的滞回曲线、混凝土损伤、螺栓应力和T型连接件应力分析可知，该种新型节点具有足够的承载力，螺栓和T型连接件始终处于弹性，在摩擦系数为0.1时混凝土损伤区域较小，满足在此连接下遇到大震作用不发生损伤的功能。

4 结论

1) 该节点具有良好的耗能能力和一定的承载能力；往复荷载作用下，新型组合节点滞回曲线饱满，节点承载力随着T型连接件之间的摩擦系数增大而成比例增大，达到预期最大位移时螺栓、T型连接板仍处于弹性，未发生任何损伤。

2) 所提出的带T型连接件的装配式RCS组合节点，具有高延性、高耗能、可装配等特点，可实现相应结构的预期抗震目标；在大震来临时，这种半刚性连接能够使得板件绕着一顶点发生转动，具有良好转动能力和耗能能力。

3) 节点的承载力问题与稳定性问题仍有待解决，将在后续的研究中将此节点放入到带偏心支撑的框架结构中去，以在保证具有足够承载力的同时发挥其转动能力与耗能能力。