预制装配式螺栓连接RC梁柱节点的滞回性能

丁克伟, 刘文杰, 陈 伟

(安徽建筑大学 土木工程学院, 安徽 合肥 230601)

随着我国工业化进程的加快,装配式混凝土结构因其便捷高效、经济环保等优点被广泛应用.梁柱节点的连接形式作为影响装配式结构抗震性能的关键因素[1-2],且我国抗震设计中“强节点、弱构件”的设计理念,因此为了满足设计要求,则需要强化梁柱节点区域的拼装部位,使节点核心区具有足够的强度、刚度以及延性.

现浇节点作为传统节点形式在结构的整体性上有较强优势,而通过合理的设计,预制混凝土框架节点的滞回性能和承载能力可以达到现浇节点的水平[3];杜永峰等[4-5]对装配式混凝土(PC)框架结构的抗震性能进行研究,指出PC柱试件与整浇柱试件滞回性能相当;丁克伟等[6-10]对装配式预制构件进行试验和理论分析,发现预制构件在受力性能上可以“等同现浇”.装配式节点连接形式的不同对结构整体的强度、刚度和稳定性有很大影响.于建兵等[11]分析了一种新型装配式梁柱节点,但新型节点由于存在新老混凝土的结合问题,导致节点刚度略低于现浇节点,而在核心区附加钢筋可提升节点的极限荷载,其抗震性能符合规范要求.为提高节点区变形和耗能能力,邓明科等[12]提出了一种装配式框架梁-柱节点,在该节点的核心区可以将普通混凝土用高延性混凝土代替,试验表明,此种连接形式有效地提高了框架节点的变形能力和耗能能力.范力等[13-14]指出橡胶垫螺栓连接梁柱节点经低周往复荷载作用,节点无明显破坏,表明螺栓连接的节点抗震性能良好,且螺栓连接有利于增强装配式节点的延性.

为进一步探索梁柱节点连接类型中螺栓连接的可靠性,本文提出了一种预制装配式螺栓连接RC梁柱节点,该节点的预制梁和预制牛腿柱通过螺栓进行连接,具有可替换性强、施工快捷、工业化程度高等优点,通过足尺试验和有限元模拟以研究其抗震性能,经数据分析,发现试验值与理论值结果较吻合,在此基础上,分析不同设计参数的改变对该节点的滞回性能、延性、承载能力的影响规律.

1 试验概况

1.1 试件设计

试验在建筑结构与地下工程安徽省重点实验室进行,试验采用足尺试件,预制混凝土梁、柱的制作与安装均在实验室完成.预制柱为高4.2 m的带牛腿柱,柱截面尺寸为750 mm×750 mm,预制梁为长3.8 m的T型梁,梁截面尺寸为400 mm×750 mm;预制柱和梁的混凝土等级分别为C80和C40,承压钢板采用Q345钢板;预制柱和梁的纵向受力钢筋分别采用直径为25 mm和22 mm的HRB500三级钢筋,牛腿处配筋与柱配筋相同,但配筋率较高于其他部分,螺栓采用5.6级M30普通螺栓,试件具体配筋如图1所示.

图1 试件尺寸及配筋详图

1.2 材料性能指标

预制混凝土柱采用C80高强混凝土,与普通强度的混凝土柱相比,使用高强混凝土柱能够有效地减少混凝土柱的截面尺寸,节省建筑面积,同时结构的强度和刚度也有所提高,更容易满足“强柱弱梁”的设计要求[15].预制梁采用C40混凝土,预制梁柱的混凝土力学性能见表1,试件的钢筋和螺栓的力学性能见表2和表3.

表1 混凝土材料力学性能

表2 钢筋及钢板的力学性能

表3 螺栓力学性能

1.3 边界条件与加载方案

本试验研究节点为结构中的边柱,为了模拟边界条件,利用螺栓和型钢组成的水平支撑将柱顶固定在反力墙上,阻止柱顶发生水平位移和平面外变形;在柱底部通过螺栓和夹板组成的固定铰支座与反力地板相连接,限制柱底的水平位移而只允许其转动;T型梁远柱端自由,为防止梁端混凝土被压碎,利用带螺栓的夹板与连接杆相连接,对其施加竖向荷载,试验加载装置和现场情况如图2和图3所示.

图2 加载装置

图3 试验加载现场

试验时,对预制梁柱节点试件采用力-位移混合加载方案,在试件的梁端施加低周往复荷载,加载时应考虑梁自重的影响,梁自重为15 kN,在柱顶通过液压千斤顶施加150 kN设计轴力,轴压比设为0.15.

首先进行荷载加载阶段,以向下推为“正”,向上拉为“负”,荷载加载制度为(单位为kN):+10,-40;+25,-55;+40,-60;+50,-70;+60,-80.每级荷载加载循环 1 次,到80 kN终止加载.在加载过程中注意观察梁的开裂情况,待试件进入屈服阶段后,利用位移控制加载,加载从20 mm开始,位移加载制度为(单位为 mm):+20,-20;+30,-30;+30,-30;+30,-30;+50,-50;+50,-50;+50,-50;+70,-70;+70,-70;+70,-70;+90,-90;+90,-90;+90,-90,+110.每级位移加载循环 3 次,到110 mm终止加载.试件的具体加载制度如图4所示.

图4 加载制度

2 有限元模拟分析

2.1 材料本构关系选取

利用有限元软件ABAQUS对节点进行建模分析,其中混凝土采用塑性损伤模型[16],用以分析节点的刚度退化情况,本构关系则采用文献[17]附录中所提供的本构关系;钢板采用Q345钢板,受力钢筋统一采用HRB500,螺栓采用5.6级M30普通螺栓,钢板、钢筋和螺栓的本构关系均采用三折线本构关系,泊松比取0.2.

2.2 单元类型选取及网格划分

利用有限元软件建模时混凝土梁柱、钢板、螺栓均采用C3D8R三维实体单元,钢筋采用线性桁架T3D2单元.在进行单元网格划分时,主体部分采用结构化网格划分,局部梁柱节点较复杂区域采用自由网格划分,节点网格划分情况如图5所示.

图5 试件的有限元模型

2.3 接触设置和边界条件

混凝土梁与柱、螺栓与梁柱均选用面与面接触,钢板与混凝土梁柱、螺栓与螺帽选用绑定的“Tie”接触,在螺栓设置中添加预紧力,保证螺栓和梁柱紧密连接,钢筋骨架选用“内置区域”命令,嵌入混凝土结构中.

模型边界条件的设置尽可能还原试验现场,柱顶柱底均采用铰接约束,同时在柱顶、柱底和梁端侧面设置耦合点(如图5所示),模型在加载过程中只需对耦合点进行加载.

3 试验现象及结果对比分析

3.1 试验过程及节点破坏形态

试验加载前,在试件的梁端部和底部、柱的端部和底部、节点区、牛腿部位以及钢筋均设置若干电阻应变片,同时将构件刷白,整体干燥之后用2B铅笔对构件表面划分网格,网格尺寸为10 cm×10 cm,以便观察裂缝出现顺序与发展情况,并做好记录.

荷载加载阶段:加载初期无裂缝产生,当试验节点加载至+25 kN时,在节点核心区T型梁端上部出现一条宽度为0.14 mm的裂缝,灌浆缝处开始出现裂缝;荷载加至-55 kN时,在原T型梁端部位出现的裂缝闭合;加载至+40 kN时,梁端持续出现裂缝且裂缝宽度不断增加,灌浆缝最大宽度为1.45 mm;持续加载至-80 kN时,梁南侧面出现0.11 mm的贯通缝,梁底部与北侧面出现了0.12 mm的贯通缝,受拉区的纵筋达到屈服阶段,荷载加载停止.

位移加载阶段:当加载至+20 mm时无新裂缝出现;反向加载至-20 mm时梁北侧面出现贯通缝宽为0.1 mm,并出现宽度为0.35 mm的竖向新裂缝,梁底部出现一条宽度为0.07 mm的竖向裂缝;持续加载至+110 mm时,梁顶部混凝土被压碎,梁上表面最大裂缝为14.3 mm,T型梁翼缘处也有裂缝,梁端塑性铰出现在T型梁翼缘处,节点的右上侧第一根螺栓发生断裂,其他螺栓均达到屈服阶段,螺栓孔洞也出现明显裂缝,最终构件发生弯曲破坏,牛腿柱柱身无明显破坏,符合“强柱弱梁”的设计要求.梁柱节点最终破坏情况见图6所示.

图6 试件破坏形态

3.2 试验结果与数值模拟对比分析

采用与试验相同的加载制度在ABAQUS有限元分析软件中对节点进行数值模拟,螺栓与混凝土之间的摩擦系数设为0.3.

由图7可知,试验与数值模拟所得的滞回曲线均较饱满,试验加载达到一定值后承载能力退化不明显,梁、柱等主要构件变形较小,说明节点具有良好的抗震性能和震后恢复性能,且具有良好的承载能力和抗破坏能力.但理论分析的滞回曲线更加饱满,这是由于理论分析相对于试验更加理想,未充分考虑在加载过程中因材料性能不均而引起的构件破坏;骨架曲线均呈现比较明显的“S”形,但试验加载后期,试件变形随着荷载的增加而变大,骨架曲线不再是线性变化,由于钢筋出现了滑移现象、螺栓与螺栓孔洞之间的摩擦、梁柱之间的填缝等因素,导致试验的结果与理论分析存在一定的误差.

图7 滞回曲线、骨架曲线

根据骨架曲线图采用切线定义方法[18]确定了节点试件的屈服荷载和极限荷载,如表4所示,对比发现,试验值和理论值略有差异但相差不大,说明了建模的正确性,也说明该节点的整体性能良好,符合“强柱弱梁”抗震设计规范.

表4 试验及理论特征点荷载值对比

4 变参数分析

4.1 螺栓强度对节点抗震性能的影响

本试验采用5.6级普通螺栓,在此基础上设计了一个对比试验,制作了一个采用8.8级高强螺栓连接的梁柱节点,对其进行低周往复荷载试验,并得到其滞回曲线和骨架曲线,其中PC1为采用5.6级普通螺栓连接的装配式混凝土节点试件,PC2为采用8.8级高强螺栓连接的装配式混凝土节点试件.

4.1.1滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线

螺栓作为装配式结构连接的重要构件,对节点的抗震性能起着关键作用.由图8可知,试件PC2的滞回曲线比PC1的滞回曲线包络面积更大,PC1随着荷载的增加滞回曲线有明显的下降段,PC2随着荷载增加下降段比较平缓,在加载前期,两试件的变形和耗能均较小,所得滞回曲线的形状均较对称,说明试件前期处于弹性阶段,由图9a可知,PC2的屈服荷载和极限荷载大于PC1,说明PC2承载力优于PC1;由图9b可知,PC1的刚度退化明显快于PC2,则说明8.8级高强螺栓连接的试件刚度保持性能较5.6级好.

图8 滞回曲线

图9 骨架曲线、刚度退化曲线

4.1.2位移延性系数

延性系数μΔ可以用来表示试件或结构的延性大小,试件的延性系数与其抵抗变性能力成正相关,延性系数越大,则其能够抵抗构件变形的能力就越强,延性系数的定义公式为

μΔ=Δu/Δy

(1)

式中:Δu为节点的破坏位移;Δy为节点的屈服位移.

为了减少误差,可以取计算所得正向和反向位移延性系数的平均值.由表5可知,PC1和PC2位移延性系数均大于2,满足钢筋混凝土延性系数大于2的设计要求,说明节点试件的延性均较好;PC2位移延性系数小于PC1,在试验中发现,PC2的混凝土先于螺栓发生破坏,高强螺栓的延性没有得到充分发挥.

表5 试件位移延性系数

4.1.3耗能分析

结构构件的耗能能力是评价其抗震性能的重要内容之一,耗能能力的大小与试件的滞回曲线有密切关系,滞回曲线包络面积越大,则表明试件的耗能越大,抵抗变形的能力越强.根据5.6级螺栓和8.8级螺栓节点试验所得滞回曲线,得到每一周的滞回耗能能量及整个加载过程的耗能,见表6所示,根据单周滞回耗能数据绘制了图10的单周滞回耗能曲线.

表6 单周滞回耗能

图10 单周滞回耗能曲线

由表6和图10可知,在相同加载制度下,5.6级螺栓连接的试件PC1与8.8级螺栓连接的试件PC2均有较好的耗能能力,但试件PC1整体耗能能力大于试件PC2,说明试件PC1的抵抗变形的能力强于试件PC2,可能是由于在试验中,PC2的混凝土先于8.8级高强螺栓发生破坏,高强螺栓的强度和延性没有充分利用.

4.2 柱的混凝土强度对节点抗震性能的影响

本试验预制柱采用C80高强混凝土,预制梁采用C40普通混凝土,符合“强节点,弱构件”的抗震设计理念.为了研究预制柱混凝土强度的改变对节点抗震性能的影响,利用与试验相同的加载制度,在ABAQUS有限元软件中对节点进行变参数分析[19],仅改变柱的混凝土强度等级,另制作了2个柱的混凝土强度等级为C40,C60的模型,与柱的混凝土强度等级为C80的模型进行对比分析,所得节点的滞回曲线和骨架曲线如图11和图12所示.

图11 不同混凝土柱强度下模型的滞回曲线

图12 不同混凝土柱强度下模型的骨架曲线

经对比分析,数值模拟所得的滞回曲线和骨架曲线没有明显差异,均比较饱满,说明该节点具有良好的耗能能力和恢复能力,预制柱的混凝土强度为C80时节点的屈服强度相较于C40、C60时略大,但三个模型的骨架曲线趋势相似,在进行低周往复荷载下,仅提高柱的混凝土强度在一定程度上能够略微提升节点的承载能力,但整体节点构件的刚度及延性几乎不变.说明在相同加载制度下,该节点预制梁和柱混凝土强度都为C40的情况下,节点的承载力、刚度和延性也可以较好的满足抗震设计规范的要求.

5 结论

通过试验来研究预制装配式螺栓连接RC梁柱节点的滞回性能,并利用有限元软件对节点进行数值分析,得出结论如下:

1) 对节点试件进行数值模拟得到的滞回曲线、骨架曲线和与试验较吻合,节点破坏形式与试验情况基本一致,从而说明了建模的正确性与合理性.由于模拟处于理想状态下,所得滞回曲线较饱满,未充分考虑由于材料性能的不均而导致的破坏,因此试验值与理论值有一定的误差.

2) 对比分析试验与数值分析结果可知,该预制装配式螺栓连接梁柱节点具有较好的承载能力和恢复性能,满足“强节点,弱构件”的抗震规范要求.

3) 在相同加载制度下,螺栓强度的增大在一定程度上能有效提高节点承载力和耗能能力,高强螺栓连接的节点试件刚度性能保持较好,而普通螺栓连接的节点试件延性系数较高.由于高强螺栓在试验后期出现了滑移,导致其延性没有得到充分发挥,因此在实际施工中,应注意螺栓和混凝土之间的连接形式.

4) 经数值模拟发现,提高预制柱的混凝土强度对节点的承载能力略有提升,但构件的耗能性能和延性改变不大,因此在预制梁柱的混凝土强度保持一致的情况下,该节点也可以满足抗震设计要求.