程東輝,高佩罡,任曼妮

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

建筑行業(yè)的迅速發(fā)展在推動城市化進程的同時,也造成了諸如資源浪費、污染環(huán)境以及質(zhì)量不可控等一系列問題,為了解決以上問題并響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求,國家開始逐步推行建筑工業(yè)化,預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是其中較為常見的一種方式。與傳統(tǒng)建造方式相比,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有保溫性好、可滿足個性化需求、工期短、促進工業(yè)化發(fā)展、能源損耗小以及保護環(huán)境等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各個國家[1-7]。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的根本區(qū)分是構(gòu)件節(jié)點的連接方式,并存在整體性不足的劣勢,保證各個預(yù)制構(gòu)件之間的有效連接是解決整體性的關(guān)鍵。所以找到一種既滿足裝配式柱受力要求又能使操作簡單、成本低的豎向連接方式尤為關(guān)鍵。鋼筋灌漿連接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)較為常見的豎向連接方式。近些年來,國內(nèi)外學(xué)者通過試驗,對裝配式結(jié)構(gòu)中采用灌漿套筒方式進行研究并取得一系列的成果[8-13]。李銳等[14]開展了500 MPa鋼筋套筒灌漿連接預(yù)制混凝土柱的抗震性能試驗研究,結(jié)果表明:預(yù)制裝配式混凝土柱的耗能情況、位移延性以及極限承載力均與現(xiàn)澆混凝土柱相近;預(yù)制柱在套筒區(qū)形成剛域,破壞最為嚴(yán)重的地方發(fā)生在套筒頂部;對于軸壓比較小的預(yù)制柱,其柱底部灌漿層結(jié)合面會發(fā)生破壞,且滯回曲線會出現(xiàn)捏攏。錢稼茹等[15]對1個現(xiàn)澆墻試件以及豎向鋼筋選用不同連接方法的4個預(yù)制墻進行擬靜力試驗,結(jié)果表明:預(yù)制試件的破壞形式與現(xiàn)澆試件基本相同,灌漿套筒連接方式可以使鋼筋應(yīng)力有效傳遞。

在試驗研究的基礎(chǔ)上,有限元法作為一種有效的補充可以進一步擴大研究參數(shù)的范圍。ABAQUS中的材料模型和穩(wěn)定的計算能力使其在應(yīng)用中更可靠、實用，因此利用ABAQUS軟件對預(yù)制裝配式混凝土柱節(jié)點連接進行模擬分析具有一定的推廣價值?；谏鲜龇治?筆者在試驗的基礎(chǔ)上,以節(jié)點連接形式等參數(shù)為變量,進行進一步的拓展分析,結(jié)果表明:改進后的對拉鋼板連接形式、套筒灌漿形式均具有良好的力學(xué)性能,增大混凝土強度等級以及鋼筋直徑均能有效提高承載能力。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

圖1 試件配筋示意圖

表1 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)

表2 材料性能

1.2 試驗加載與數(shù)據(jù)量測

本次試驗在5 000 kN壓力機上進行加載,在正式加載前,將試件放置在壓力機的底板上進行對中找平,然后將底端進行固定,調(diào)節(jié)壓力機頂板與試件緊靠并對試件進行一次預(yù)加載,在計算極限荷載的90%之前采用荷載控制,之后轉(zhuǎn)為位移控制,當(dāng)荷載降至峰值荷載的60%時停止加載。加載裝置如圖2所示。

圖2 加載示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 承載力分析

2根試件在試驗過程中的屈服荷載、極限荷載實測值如表3所示?？梢钥吹?采用套筒灌漿連接節(jié)點試件的極限承載力相對較高。原因是嵌入混凝土柱身兩側(cè)的鋼板,在試件受到軸心壓力并產(chǎn)生軸向壓縮時,會擠壓連接處的混凝土,在一定程度上削弱了受力截面。

表3 試件承載力特征值

2.2 鋼板及鋼筋協(xié)同受力分析

試件受力縱筋及鋼板在荷載作用下的應(yīng)變曲線實測值如圖3所示。可以看出,對拉鋼板連接試件鋼板一直處于彈性階段,且應(yīng)力增量慢于縱筋的應(yīng)力增量;對拉鋼板連接試驗柱在承載力極限狀態(tài)下縱向鋼筋受壓屈服,而受壓鋼板未達到屈服強度,主要因為鋼板與試件間存在相對滑移,進而削弱了二者的共同受力性能。

圖3 荷載-鋼材應(yīng)變圖

3 有限元模型對比

3.1 建立試驗柱有限元模型

通過有限元軟件ABAQUS建立分析模型,將混凝土、鋼骨等構(gòu)件作為不同單元分別進行處理,其中混凝土、鋼板以及螺栓采用C3D8(8節(jié)點實體單元),受力縱筋和箍筋采用T3D2(三維二節(jié)點桁架單元)。

縱向受力鋼筋采用嵌入的方式植入到混凝土單元中。混凝土與灌漿料之間的接觸通過ABAQUS中Tie表達。鋼板與混凝土、螺母之間均采用面-面接觸。

為了接近實際的試驗加載條件,試件下底端采用全固定方式,加載頂端固定X、Y兩個方向上的位移和全部轉(zhuǎn)角。本次模擬中采用位移加載,在Z軸方向?qū)敳抗?jié)點施加位移荷載。有限元模型如圖4所示。

圖4 模擬柱數(shù)值分析模型

3.2 破壞模式對比

圖5、圖6為模擬試件與試驗試件破壞形態(tài)的對比分析。

圖5 PC-1試件破壞結(jié)果對比

圖6 PC-2試件破壞結(jié)果對比

在軸心壓力作用下,模擬柱PC-2破壞順序與試驗過程中試件破壞順序一致,都是受力縱筋率先屈服,隨后試件混凝土被壓碎,并與以混凝土破碎為最終破壞形態(tài)的試驗現(xiàn)象基本吻合;模擬柱PC-1與模擬柱PC-2破壞形態(tài)很相似,不同之處在于柱身兩側(cè)的鋼板對接縫處混凝土能夠起到約束作用,導(dǎo)致其彈、塑性階段更長,與試驗柱PC-1試驗結(jié)果一致。

3.3 荷載-軸向位移對比

圖7為模擬柱與試驗柱的荷載-軸向位移曲線對比結(jié)果。由圖可知,從加載到縱向受力鋼筋屈服前,試驗結(jié)果與分析結(jié)果高度吻合,縱向受力鋼筋屈服后,試驗值下降趨勢快,這是因為在試驗中試件屬于脆性破壞,破壞較突然,達到極限狀態(tài)時,荷載迅速下降,同時可以看到,模擬柱極限承載能力略高于試驗柱,引起誤差的原因主要是鋼筋與混凝土之間的綁定的方式,混凝土與縱筋之間的黏結(jié)滑移以及黏磨損造成的影響沒有考慮,但兩根試件的試驗值十分接近模擬值,驗證了模型分析的準(zhǔn)確性。

圖7 試驗柱與模擬柱荷載-軸向位移曲線

4 對拉鋼板裝配式混凝土柱節(jié)點有限元分析

4.1 節(jié)點設(shè)計改進

根據(jù)試驗結(jié)果,考慮到對拉鋼板嵌于混凝土柱身會造成試件極限承載力略微降低,因此對節(jié)點連接形式進行改進,將鋼板放置在混凝土柱身外,改進之后的節(jié)點示意圖如圖8所示。

圖8 改進節(jié)點示意圖

4.2 模擬柱參數(shù)設(shè)計

在試驗基礎(chǔ)上,對改進節(jié)點裝配式混凝土柱展開軸壓性能有限元分析,以節(jié)點連接方式、混凝土等級、縱向鋼筋直徑、鋼板強度等級以及螺栓預(yù)緊力為變量,設(shè)計了17根模型柱,相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 模型柱參數(shù)表

4.3 混凝土強度等級影響

圖9為兩種連接節(jié)點模擬柱在不同混凝土強度等級下荷載-軸向位移曲線。由圖可知,隨混凝土強度等級的增加,模擬柱的軸向剛度逐漸增大,兩種連接節(jié)點模擬柱的極限承載力均有效提高,而對拉鋼板連接節(jié)點模擬柱的極限承載力增幅比套筒灌漿連接節(jié)點模擬柱小,主要是因為隨著混凝土強度等級的增大,混凝土內(nèi)部的空隙變小,使對拉鋼板約束效果減弱。在相同混凝土強度等級下,對拉鋼板連接節(jié)點模擬柱比套筒灌漿連接節(jié)點模擬柱極限承載力提高5.8%～10.3%。

圖9 混凝土不同強度等級下荷載-軸向位移曲線

Fig.9Load-axial displacement curves under different

concrete strength grades

4.4 縱向鋼筋直徑大小影響

為了研究鋼筋直徑大小對軸心受壓混凝土柱承載力的影響,在其他變量一定時,對比分析了荷載作用下兩種連接節(jié)點模擬柱在不同鋼筋直徑下軸向位移曲線,如圖10所示。由圖可知,隨配筋率的增加,兩種連接節(jié)點模擬柱極限承載力增大且增幅相似;鋼筋直徑大小相同時,相對于套筒灌漿連接節(jié)點模擬柱,對拉鋼板連接節(jié)點模擬柱極限承載力平均提高7%,這表明對拉鋼板對接縫處的混凝土起到一定的約束作用,有效提高裝配式混凝土柱的極限承載力。

圖10 不同配筋率下荷載-軸向位移曲線

4.5 螺栓預(yù)緊力

圖11為模擬柱在不同螺栓預(yù)緊力下的荷載-軸向位移曲線。

圖11 不同螺栓預(yù)緊力下荷載-軸向位移曲線

由圖可知,預(yù)緊力分別為160 kN、225 kN以及290 kN時,與預(yù)緊力為95 kN時相比,有限元模擬柱的承載力分別提高了3.4%、6.5%和8.8%,可見模擬柱的極限承載力受螺栓預(yù)緊力影響較大。這是由于試件在受荷過程中,隨著荷載的增加,混凝土內(nèi)部裂縫逐漸發(fā)展,構(gòu)件發(fā)生橫向膨脹,此時柱身兩側(cè)鋼板能夠?qū)炷廉a(chǎn)生的橫向變形起到一定程度上的約束作用,且約束效果隨螺栓預(yù)緊力的增大而提高。而增大相同預(yù)緊力時,承載力增大分別為3.4%、3.1%和2.3%,這是因為接觸面之間切向力需要克服的摩擦力在預(yù)緊力增大到一定程度時基本保持不變。

5 結(jié) 論

(1)有限元模擬柱在荷載下的軸向位移曲線、試件破壞順序以及混凝土破壞形態(tài)與試驗相一致,ABAQUS有限元模型得到了驗證,能夠為實際工程指導(dǎo)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

(2)對拉鋼板對節(jié)點處混凝土有約束作用,可以明顯提高試件的極限承載能力;兩種連接節(jié)點模擬柱隨鋼筋直徑的增加,試件的極限承載力均增大且增幅相似。

(3)隨混凝土強度等級的增加,兩種連接節(jié)點模擬柱的極限承載力有效提高,對拉鋼板連接節(jié)點模擬柱的承載力增幅比套筒灌漿連接節(jié)點模擬柱小。

(4)螺栓預(yù)緊力增大,能夠使柱身兩側(cè)鋼板對混凝土的約束明顯增強,顯著提高對拉鋼板模擬柱的極限承載力。