韧性装配式RC梁柱节点抗震性能数值模拟研究

钱爱云，周 雄，姜华明，李 桅（.江西恒信检测集团有限公司，江西 南昌 330096；.温州大学建筑工程学院，浙江 温州 35035）

0 引 言

装配式结构是以预制构件作为主要受力构件，并通过一定的装配和连接手段，把预制构件组装成一个整体的结构，具有施工速度快、运营周期短、产品质量高和生产效率高的优点[1-2]。震害观测表明，起到连接作用的节点破坏是引起装配式结构倒塌的主要原因，节点区受力复杂并且会受到极大的剪力作用，通常能达到数倍柱端所受剪力，是结构中典型薄弱部位[3-4]。新型梁柱节点的不断突破，给装配式节点的抗震发展带来了巨大变革，抗震的装配式梁柱节点也得到了飞速发展。

LI等[5]对所提出3种可拆卸节点的抗震性能进行了数值和试验研究，与不可拆卸节点相比，3种可拆卸节点具有更大的水平承载力和更好的耗能能力。李祚华等[6]提出了一种装配式RC梁柱塑性可控钢质节点，新型节点的最大耗能能力比现浇节点提高了81.7%，延性提高了13.81%，并且新型节点承载力退化速率比现浇节点慢，退化系数保持在0.9以上。SONG等[7]提出带有腹板摩擦装置的自复位混凝土梁柱的新型连接方式，研究表明该结构具有减小残余变形能力和结构损伤的作用。YAN等[8]提出一种采用高强度钢构件和保险丝节点的框架。当保险丝的屈服强度增加到1.1fy、1.2fy、1.3fy时，T形节点的极限抗弯能力分别提高了8%、16%、30%。HUANG等[9]提出了一种新型的装配式混凝土梁柱连接形式，该装配式梁柱节点的抗震性能在强度、刚度、变形和耗能能力方面均优于现浇节点。同时，装配式构件在地震破坏后可以进行更换，便于装配式构件的快速修复。刘建武等[10]研究了预制装配式塑性可控节点的抗震性能，当梁绕着销轴转动时，圆棒或钢板阻碍其转动并发生塑性变形耗能。YE等[11]提出了一种新型双功能可更换钢板阻尼器。在其滞回曲线中，极限承载力大于167.20 kN，试件的延性系数均大于7.0，对于相同参数的钢板减振器，狗骨型减振器的变形能力、耗能能力和延性均优于椭圆孔型减振器。

为了充分发挥装配式梁柱节点的优点，本文提出了一种新型且具备抗震韧性的装配式梁柱节点。该节点的主要特点是结构上的削弱型耗能板处采用了塑性铰外移的设计方法，让上部钢板成为耗能板，增加其梁柱节点的抗震韧性。在地震作用下，耗能构件通过和连接件的摩擦以及自身金属屈服变形所消耗地震能量，并为结构构件提供变形空间，保证结构不发生脆性破坏，解决了传统装配式梁柱节点抗震性能差的问题。在震后，通过更换耗能板以达到恢复该节点抗震功能的目的，满足损伤控制设计的基本设计原则。

1 节点构造

1.1 节点的描述

新型的装配式梁柱节点主要包括混凝土预制梁柱、预埋钢构件、耗能板和抗剪腹板。预埋在柱端的钢构件如图1（a）所示，预埋在梁端的钢构件上，H型钢的腹板两侧焊接栓钉以此增加连接强度，如图1（b）所示。此外，在预制混凝土柱中，在节点区要预制横梁，为钢构件提供足够的锚固长度。在2个钢构件上的翼缘和腹板处分别钻取多个螺栓孔洞，把耗能板和抗剪腹板安装到钢构件上，通过螺栓连接把节点构件组装起来，如图1（c）所示。耗能板能控制塑性铰形成在规定的削弱位置，让钢板更快地达到屈服，起到耗能的目的。现浇式梁柱节点BCJ-C[12]为本模型的参考节点，如图2（a）所示。本文所提出新型节点J1的具体尺寸如图2（b）所示，本模型节点处的箍筋不穿透H型钢，而是焊接在腹板上以增强其连接强度。

图1 新型的混凝土装配式梁柱节点

图2 节点几何尺寸与构造

1.2 节点有限元加载制度

对试件进行拟静力的有限元模拟仿真分析，研究其滞回性能。在梁的自由端施加竖向荷载，除了在梁端对梁施加低周反复荷载，还在柱顶端施加一个竖直向下的轴向压力，轴向力的大小始终保持在700 kN。本加载制度选择荷载-位移混合加载制度，如图3所示。在梁柱节点处的耗能板屈服前，采用荷载控制加载制度，每个加载步骤只使用1次加载循环，等到试件屈服后对其进行位移加载，前3个步骤重复3次，第3个加载步骤后均重复2次。

图3 位移-荷载混合加载制度

2 节点有限元模型的建立

本文利用有限元软件ABAQUS建立有限元模型，建立的有限元模型及相应的网格分布如图4所示。对于混凝土和钢构件，阐述了使用的材料模型和单元类型，还说明了该梁柱节点的边界条件和荷载状态。

图4 有限元模型的建立

2.1 混凝土材料模型

本研究中的混凝土本构模型能较好地反映混凝土滞回、刚度退化以及强度退化的特性。为了模拟所选参考节点的真实情况，所采用的混凝土为C40混凝土，弹性模量为32 460 MPa，泊松比为0.2，混凝土抗压强度为39.8 MPa。

2.2 钢筋和型钢材料模型

在本模型中，纵筋和箍筋均采用HRB400级钢筋，型钢、耗能板和栓钉等其他钢构件为Q390。纵筋的直径为16 mm，箍筋的直径为8 mm，钢材本构模型均采用双折线模型为了简化分析和避免收敛困难，不考虑混凝土与钢筋的黏结滑移，通过“嵌入”约束将型钢和钢筋嵌入到混凝土当中[13]。

2.3 边界条件和荷载状态

在该数值模型中，混凝土柱顶部和底部的节点在X、Y和Z轴方向上的位移被约束，在X和Y轴方向的转动被约束。加载过程中在梁的自由端施加低周反复的循环荷载。在混凝土柱顶端施加一个竖直向下的轴向荷载，大小为混凝土轴向最大承载能力的30%，荷载始终保持在700 kN，并且贯穿了加载的整个阶段，螺栓预紧力为极限承载力的70%。

2.4 有限元模型的验证

数值模拟和试验均采用位移加载制度，通过数值计算结果和试验结果的对比，以此来验证所建立模型的有效性。如图5（a）所示，有限元中的塑性应变幅度（PEMAG）在破坏阶段主要集中在靠近节点的梁端，即破坏主要发生在节点处，并未发生在柱内。如图5（b）所示，模拟与试验中的滞回曲线相对比可知，在循环加载的各个阶段中，数值模拟与试验中滞回曲线的荷载峰值吻合较好。试验中滞回曲线的捏缩现象比数值模拟要明显，这是因为数值模拟没考虑钢筋的黏结滑移作用。综上所述，数值模拟结果与实验结果吻合较好，验证了文中建立的数值模拟方法的有效性[14-15]。

图5 有限元模型的验证

3 计算结果与讨论

3.1 滞回曲线和骨架曲线

如图6（a）所示，装配式节点的滞回曲线更饱满，表现了更好的耗能能力，这主要是因为耗能板具有良好的塑性变形能力。装配式节点正负向峰值荷载分别为整体节点的1.74倍和1.95倍，表明了节点在发生较大变形时仍具有较高的承载力。由于有限元模型中未考虑钢筋滑移所造成的影响，滞回曲线无明显捏缩现象。装配式节点的骨架曲线对比图如图6（b）所示，在弹性阶段，装配式节点的刚度远大于整体节点，随着位移加大，装配式节点J1的骨架曲线有较平缓的下降段，表明其延性的优越性。

图6 滞回曲线和骨架曲线对比图

3.2 各部件的应力分析

本文所述的装配式节点每个部件的应力应变云图，如图7所示。在整个加载过程中，混凝土构件应力很小，钢筋笼还未屈服，最大应力还在弹性范围内，说明装配式梁柱节点破坏时仍处于弹性范围内或者整体的结构只出现轻微损伤的状态。从图7（b）可知，应力主要集中于螺栓以及耗能板上，每个耗能板都参与了拉压变形耗能，同时装配式节点有效控制了混凝土的损伤，避免梁端发生弯曲破坏，实现梁端“塑性可控”。

图7 装配式节点各部件的应力应变云图

3.3 耗能分析

节点的耗能-加载位移曲线如图8（a）所示。加载初期，装配式节点和现浇节点的耗能相差不大且较低，随着位移荷载的增加，两者的耗能逐渐增大，差距也逐渐增大，并且装配式节点的耗能一直大于现浇节点的耗能。装配式节点的累计耗能为165 723 kN·mm，现浇节点BCJ-C的累计耗能为105 180 kN·mm，装配式节点累计耗能是现浇节点耗能的1.58倍。装配式节点和现浇节点的等效黏滞阻尼系数he随位移加载的变化如图8（b）所示。现浇节点的等效黏滞阻尼系数最大值为0.281，而装配式节点的等效黏滞阻尼系数最大值为0.393，比现浇节点的阻尼系数提高了39.86%。由于现浇节点核心区混凝土较早产生裂缝，混凝土裂缝集中在节点核心区发展，最后在此区域发生了破坏。导致现浇节点中加载位移＜40 mm时，等效黏滞阻尼系数大于装配式节点的等效黏滞阻尼系数。

图8 耗能-加载位移曲线

4 参数研究

本模型考虑了混凝土强度、耗能板厚度和耗能板强度对节点极限承载力的影响。

4.1 混凝土强度的影响

在不同混凝土强度下的滞回曲线如图9所示。在弹性范围内，混凝土强度对节点的荷载-位移曲线影响并不明显，主要是因为较高的初始刚度不是混凝土赋予的，而是内置的型钢本身较高的刚度。如图10（a）所示，混凝土强度从25 MPa提高到70 MPa，峰值荷载也随之从71.18 kN增加到91.61 kN，承载能力提高了28.7%。如图10（b）所示，当混凝土强度为25 MPa时，延性系数最大为7.01。随着混凝土强度的提高，延性随之降低，当混凝土强度达到70 MPa时，构件的延性系数达到最低为6.42，下降了8.4%。

图9 混凝土强度对装配式梁柱节点荷载-位移的影响

图10 混凝土强度的影响

4.2 耗能板厚度的影响

耗能板厚度设置为4个不同值：5 mm、10 mm、15 mm和20 mm。如图11所示，在弹性范围内，耗能板的厚度越大，装配式梁柱节点的初始刚度也越大；节点的承载能力也有所提高，如图12（a）所示，当耗能板厚度为5 mm时，承载能力为77.88 kN，当耗能板厚度为20 mm时，最大承载能力为83.18 kN，提高了6.9%。如图12（b）所示，当耗能板厚度为5 mm时，延性系数最大为6.86，厚度为20 mm时，延性系数为6.26，降低了9.1%，可知耗能板厚度对节点的抗震性能影响较小。

图11 耗能板厚度对装配式梁柱节点荷载-位移的影响

图12 耗能板厚度对承载能力和延性的影响

4.3 耗能板强度的影响

耗能板钢材强度设置为4个不同值：235 MPa、345 MPa、390 MPa和460 MPa，分别对应于Q235、Q345、Q390和Q460。应力云图如图13所示，可以看出，当耗能板钢材强度为Q390时，所达到的应力最大，耗能板中间削弱部位和螺栓孔附近的应力最大，耗能板的中间削弱部位最先发生屈服，设计达到控制损伤的目的。

图13 不同强度耗能板应力云图

如图14所示，型钢强度越大，装配式梁柱节点的初始刚度也越大；节点的承载能力也越大。如图15（a）所示，当耗能板钢材使用Q235时，其极限承载力最小，为72.4 kN；当耗能板钢材使用Q460时，其极限承载力最大，为84.17 kN，提高了16.3%。如图15（b）所示，当耗能板钢材使用Q235时，延性系数最大为7.42；耗能板钢材使用Q460时，延性系数最小为6.32，比前者低了14.8%。

图14 耗能板强度对装配式梁柱节点荷载-位移的影响

图15 耗能板强度对承载能力和延性的影响

5 结 语

笔者对一种韧性装配式RC梁柱节点的抗震性能进行了模拟分析，得出如下结论。

（1）装配式RC梁柱节点在加载过程中一直处于弹性范围内，节点只出现轻微损伤的状态。本文提出的装配式节点正负向峰值荷载分别为现浇参考节点的1.74倍和1.95倍，其初始刚度远远大于现浇参考节点，并且节点的累计耗能是现浇参考节点耗能的1.58倍，抗震性能明显优于现浇节点。

（2）本文对混凝土强度、耗能板厚度和耗能板强度进行了参数分析，不同的参数对承载力和延性的影响也不同。提高混凝土强度、耗能板厚度和耗能板强度，均会使节点的承载力增加，而延性降低。