装配式梁柱组合结构在地震作用下的理论研究

李 斌，陈 欢

（内蒙古科技大学 土木工程学院，内蒙古 包头 014010）

近年来随着建筑产业的不断发展，国内外对装配式型钢混凝土框架结构的运用越来越多。其中在装配式组合结构中，节点是连接梁柱的关键部位，并被大多数学者深入研究。

目前，国内外学者在装配式组合结构的研究中取得了一定的研究成果，郭小农[1]提出一种预埋式槽钢新型节点，通过螺栓与槽钢连接，采用ABAQUS 模拟对其进行拟静力分析。李忠献等[2]人对两组装配整体式型钢混凝土框架节点试件进行低周反复试验，得出结论对节点附近的梁翼缘进行狗骨形削弱可以将框架节点的塑性铰转移到削弱部位。对近年来国内外学者对装配式结构的研究进行总结后得出结论及建议：目前装配式结构主要用于底层建筑[3]，用于高层住宅还有一定的技术障碍和理论基础，在栓接节点中难以保证“强节点弱构件”的抗震理念[4]。对以上学者的观点进行总结分析后，本文提出一种栓接装配式组合结构形式，并对其进行理论研究和模拟分析，得出其受力特征和规律。对装配式结构提供一种新的节点形式，为将来的实际工程运用提供理论基础。

1 有限元模型

1.1 模型参数设计

本文以某办公大楼的中间层边节点为研究对象，对梁柱节点进行建模分析，其中梁、柱选用截钢材牌号为Q235 的H 型钢，柱内填充混凝土为C40 混凝土，螺栓采用10.9 级的M24 的高强螺栓，系杆采用直径为10 mm 的HRB335 钢筋[5]。

有限元分析中主要研究连接板厚度和柱截面高度二者分别对节点承载力的影响，连接板厚度分别考虑了16 mm、20 mm、24 mm 三种情况，型钢柱截面高度分别选用了250 mm、300 mm、350 mm 三种情况，本次有限元模拟一共建立6 个力学模型对其进行模拟分析。

本文共建立6 个有限元模型，其中考虑连接板厚度变化的试件编号为JD1、JD2、JD3，考虑柱截面高度变化的试件编号为JD4、JD5、JD6。试件模型设计具体参数见表1。

表1 数值模型参数

1.2 单元选取和网格划分

有限元模型中包含梁端板、连接板、型钢柱、型钢梁、混凝土、系杆及螺栓，依据表1 进行1∶1 建模，各部件模型如图1 所示。

图1 有限元模型

1.3 接触关系

ABAQUS 在定义连接板与梁、螺栓之间的接触关系时，将摩擦系数设为0.30[6]。

梁端板与H 型钢梁通过采用绑定（Tie）约束连接到节点上，H 型钢柱与系杆采用Assemble 模块中的Merger 指令将二者合并为钢骨架，最后将混凝土通过Embeded 指令嵌入到钢骨架内部。

1.4 约束和荷载

为了让模拟更接近实际试验，在加荷载的位置建立参考点，将参考点与加载面进行耦合[7]。

同时柱的两端通过限制x、y、z 三个方向的位移和转角固定不动，梁在加载方向的位移和转角释放其余方向固定不动[8]。

2 数值分析结果分析

2.1 连接板厚度的影响

本小节通过对JD1、JD2、JD3 三个模型进行有限元模拟，分析试件中连接板厚度的变化对装配式PEC 柱-钢梁的力学性能的影响，模拟结果如图2、图3 所示。

图2 ABAQUS 提取的应力云图

图3 连接板厚度变化模拟结果

从模型整体应力云图中可以看出JD1 模型由于连接板厚度只有16 mm，最终导致连接板屈服，而JD2和JD3 由于连接板厚度较厚，模型的最终破坏为梁和柱连接处屈服[9]。

从ABAQUS 中提取各模型的骨架曲线和滞回曲线可知：节点模型的承载力随着连接板厚度的增加而增加，不同连接板厚度的模型骨架曲线前期发展趋势较为一致，随着连接板厚度的增加模型节点的刚度有所提高。与连接板厚度为12 mm 的承载力比较，JD1、JD2、JD3 模型分别提高了3.22%、5.71%、8.30%，这说明继续增加连接板厚度可以有效提高节点承载力。各模型的滞回曲线的饱满程度随着连接板厚度的提升而增加，试件的滞回性能得到明显提升。

2.2 柱高的影响

本小节在PEC1 试件的基础上通过改变柱高建立了3 个有限元模型JD4、JD5、JD6，并对其进行拟静力模拟分析模型的力学性能的影响[10]，并从ABAQUS 中提取出各模型的损伤应力云图、骨架曲线和滞回曲线，如图4、图5 所示。

图4 ABAQUS 提取的应力云图

从图5 可以看出3 个模型的骨架曲线趋势基本相似，节点模型的承载力随着柱高的增加而增加，不同柱高的模型骨架曲线前期发展趋势较为相似，随着柱高度的增加模型节点的承载力有所提高。与PEC1试件承载力比较，JD4、JD5、JD6模型分别提高了1.21%、1.73%、12.65%，这说明合理增加柱高可以有效提高节点承载力。各模型的滞回曲线的饱满程度随着连接板厚度的提升而增加，试件的滞回性能得到明显提升。

图5 柱高变化模拟结果

3 结束语

通过对6 个装配式梁柱节点关键部位的模拟应力进行了深入研究和分析，得出以下结论：增加连接板厚度可以有效提高节点承载力，合理增加柱高可以有效提高节点承载力。两种变量都可以在不同程度上提高节点的滞回曲线的饱满程度，提升试件的滞回性能。在工程中还需考虑结构的成本及尺寸，可作为后期研究的重点内容。