桂文祥 蔡潔 徐琪

［收稿日期］20211119

［基金項(xiàng)目］國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技助力經(jīng)濟(jì)2020”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目（2020ZLSH08）

［第一作者］桂文祥（1996-），男，湖北荊門人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)檠b配式混凝土結(jié)構(gòu)

［文章編號(hào)］1003-4684（2023）02-0074-05

［摘要］基于新型裝配式節(jié)點(diǎn)（PPEFF節(jié)點(diǎn)）擬靜力試驗(yàn)，用有限元軟件ABAQUS對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元非線性分析。得到的滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線吻合良好，說明該有限元模型能夠較好地模擬節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)、軸壓比、箍筋配箍率等相關(guān)參數(shù)對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。結(jié)果表明：混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響較為明顯，軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響較小，而箍筋配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響不明顯。

［關(guān)鍵詞］PPEFF節(jié)點(diǎn)； 擬靜力試驗(yàn)； ABAQUS； 有限元非線性分析； 抗震性能

［中圖分類號(hào)］TU37? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

裝配式建筑憑借其較好的施工效率、工期較短、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，在目前的建筑中廣泛應(yīng)用，大力發(fā)展裝配式建筑也有利于促進(jìn)我國(guó)建筑工業(yè)化。然而，在國(guó)內(nèi)外的震害中，裝配式建筑破壞較為嚴(yán)重的區(qū)域往往在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的嚴(yán)重破壞使節(jié)點(diǎn)失去了承載能力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此，對(duì)于裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究十分必要。

現(xiàn)階段，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中梁和柱之間的連接方式有干式連接和濕式連接兩種[1]。干式連接是指在現(xiàn)場(chǎng)不需要現(xiàn)澆混凝土或者用灌漿材料連接的方式，而是通過螺栓、焊接或者預(yù)應(yīng)力等方式將節(jié)點(diǎn)連接起來。常見的干式連接有預(yù)應(yīng)力連接、牛腿連接、螺栓連接等。濕式連接是指預(yù)制構(gòu)件之間采用現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆混凝土或灌漿材料的連接方式，濕式連接現(xiàn)場(chǎng)存在大量的濕作業(yè)，施工效率較低，內(nèi)部鋼筋多采用套筒連接，連接質(zhì)量可控性不足。而干式連接憑借施工便捷以及更高的效率逐漸成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)[2]。在干式連接方法中，后張預(yù)應(yīng)力連接具有殘余變形小，震后損傷小以及自復(fù)位能力好的特點(diǎn)，但相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：該連接方式的結(jié)構(gòu)耗能能力不足[3-4]。張錫冶等[5]通過對(duì)4個(gè)鋼混凝土預(yù)制混合梁試件進(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)，通過對(duì)試件的破壞模式、受力過程以及受力機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)：試件在整個(gè)加載過程中保持了較好的整體性，而混凝土與鋼梁段連接處的破壞相對(duì)嚴(yán)重，自復(fù)位性能以及震后恢復(fù)性能較差。Morgen等[6]提出一種安裝有阻尼器的裝配式節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。研究表明該節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力，但是由于阻尼器的安裝會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的制造與安裝要求更高，提高了施工難度，不利于施工效率的提升。

在以上現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出一種后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式節(jié)點(diǎn)，分析了混凝土強(qiáng)度等級(jí)、軸壓比、箍筋配箍率等相關(guān)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，為PPEFF節(jié)點(diǎn)的推廣提供支持。

1??? 試驗(yàn)概況

1.1??? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及制作

本文設(shè)計(jì)5個(gè)PPEFF節(jié)點(diǎn)足尺試件，梁截面尺寸為300 mm×600 mm，梁長(zhǎng)1800 mm，柱截面尺寸為500 mm×500 mm，柱長(zhǎng)2600 mm，梁柱混凝土等級(jí)均為C40，梁柱均采用HRB400級(jí)鋼筋。其余參數(shù)見表1。

試驗(yàn)采用的PPEFF節(jié)點(diǎn)柱在工廠預(yù)制，梁為疊合構(gòu)件，梁下400 mm為工廠預(yù)制，梁上200 mm為現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆。梁柱中心均預(yù)留預(yù)應(yīng)力孔道，梁上部耗能鋼筋和抗剪鋼筋均通過柱內(nèi)預(yù)埋的直螺紋套孔與柱連接，同時(shí)，耗能鋼筋靠近柱端用PVC管與熱縮管做無粘結(jié)處理。梁和柱使用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋使其連接成為一個(gè)整體。節(jié)點(diǎn)無粘結(jié)段構(gòu)造及節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)如圖1所示。

1.2??? 加載制度

1）試驗(yàn)采用力位移混合控制加載方式。節(jié)點(diǎn)屈服前，加載裝置采用荷載控制，采用屈服荷載Pcr為控制荷載，加載值分別為0.5Pcr、0.7Pcr、Pcr，且每級(jí)循環(huán)一次。節(jié)點(diǎn)屈服后，加載裝置采用位移控制，記屈服荷載對(duì)應(yīng)的位移為△，以n△（n=1，2，3，…）的梁端位移進(jìn)行加載，每級(jí)位移循環(huán)2次。試驗(yàn)加載程序如圖2所示。

2）當(dāng)骨架曲線荷載已逐漸低于極限荷載的85%或試件破壞試驗(yàn)結(jié)束加載。

1.3??? 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)5組試件的能量耗散系數(shù)對(duì)比得出，隨著梁端位移作用的增大，5組試件的耗能能力均有不同程度的提高，在同級(jí)位移作用下JD2的耗能能力均強(qiáng)于其他4組節(jié)點(diǎn)，這是由于無粘結(jié)段長(zhǎng)度適中時(shí)，耗能鋼筋的剛度比較理想，其所承受的應(yīng)力能較快地達(dá)到屈服強(qiáng)度，且不會(huì)過早達(dá)到極限強(qiáng)度，有利于試件耗散更多能量[7]。

2??? 有限元模型建立

2.1??? 簡(jiǎn)化及假定

為了使有限元分析更加準(zhǔn)確，與實(shí)際試驗(yàn)符合良好，采用以下基本假設(shè)：

1）假設(shè)梁預(yù)制部分與現(xiàn)澆部分混凝土粘結(jié)良好，能夠共同受力，協(xié)調(diào)變形；

2）假設(shè)耗能鋼筋、抗剪鋼筋與混凝土協(xié)調(diào)變形（除耗能鋼筋無粘結(jié)段外），無相對(duì)滑移[7]。

2.2??? 材料本構(gòu)模型

混凝土塑性損傷模型能夠較好的模擬出混凝土的非線性行為。為提高模擬的精確性，需考慮試件在往復(fù)荷載作用下的累計(jì)損傷，混凝土的塑性損傷模型如圖4所示。

鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型，鋼材屈服前的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為斜直線，E0為屈服前的彈性模量，Es為屈服后的彈性模量，鋼筋的本構(gòu)曲線如圖5所示。由于本節(jié)點(diǎn)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線無明顯的屈服點(diǎn)，為計(jì)算方便，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用線彈性本構(gòu)模型，其本構(gòu)曲線如圖6所示。

2.3??? 單元選用及網(wǎng)格劃分

混凝土建模時(shí)采用三維實(shí)體單元，耗能鋼筋和抗剪鋼筋采用實(shí)體單元建模，箍筋和預(yù)應(yīng)力筋采用桁架單元建模。

在網(wǎng)格劃分方面，既要考慮模擬精度又要考慮計(jì)算效率，網(wǎng)格尺寸過大，將會(huì)導(dǎo)致有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相差較大，網(wǎng)格尺寸過小，將會(huì)導(dǎo)致有限元計(jì)算效率降低。因此，選取合適的網(wǎng)格尺寸至關(guān)重要。通過對(duì)本節(jié)點(diǎn)模型不斷試算，取混凝土梁和柱的網(wǎng)格尺寸為50 mm，耗能鋼筋、抗剪鋼筋網(wǎng)格尺寸為10 mm，預(yù)應(yīng)力筋網(wǎng)格尺寸為230 mm，柱內(nèi)縱筋網(wǎng)格尺寸為260 mm，梁縱筋網(wǎng)格尺寸為180 mm，梁、柱箍筋網(wǎng)格尺寸為25 mm。

2.4??? 邊界條件及加載

為更好模擬節(jié)點(diǎn)在實(shí)際試驗(yàn)中的受力狀態(tài)，約束有限元模型節(jié)點(diǎn)柱端平動(dòng)位移，使模型柱端的邊界等同鉸接。節(jié)點(diǎn)模型預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加，在梁端施加往復(fù)荷載，加載采用力—位移混合控制。

3??? 有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

試件JD2有限元模型模擬的滯回曲線與實(shí)際試驗(yàn)對(duì)比如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)在加載初期，兩條曲線剛度基本重合，有限元曲線與實(shí)際試驗(yàn)曲線基本重合，誤差在可接受范圍之內(nèi)，可見本文所采取的有限元建模方法是有效可行的（試件JD1、JD3、JD4、JD5實(shí)測(cè)滯回曲線與有限元模擬滯回曲線基本吻合）[8]。下文有限元變參數(shù)分析均以JD2為基礎(chǔ)，通過改變相關(guān)參數(shù)來探究對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。

4??? 有限元變參數(shù)分析

4.1??? 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

本文在已經(jīng)建立的PPEFF節(jié)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上，以JD2為原模型，通過改變混凝土的本構(gòu)模型來模擬不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，本文選取混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40、C50、C60的PPEFF節(jié)點(diǎn)模型分析不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回曲線和骨架曲線的影響。

不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下三組PPEFF節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線如圖8所示。由圖8滯回曲線可以看出，在位移作用較小的階段，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)影響不大，曲線斜率基本相同，隨著梁

端位移作用的增大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，滯回曲線所圍的面積越大，耗能越強(qiáng)，可見混凝土強(qiáng)度等級(jí)在一定程度上可以提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下PPEFF節(jié)點(diǎn)的骨架曲線如圖9所示。

通過圖9三組不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)節(jié)點(diǎn)的骨架曲線對(duì)比可以看出，在位移作用較小的階段，三組試件的骨架曲線基本重合，混凝土強(qiáng)度等級(jí)在這一階段對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響不大，但是隨著梁端位移作用逐步加大，三組試件骨架曲線發(fā)生明顯變化，可以看出隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，節(jié)點(diǎn)承載力加大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力有較大影響。

4.2??? 軸壓比

在已建立的PPEFF節(jié)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上，以JD2為原模型，通過改變柱頂軸壓力來模擬不同軸壓比對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。本文選取軸壓比為0.2、0.3、0.4的PPEFF節(jié)點(diǎn)模型來分析在不同軸壓比情況下節(jié)點(diǎn)滯回曲線和骨架曲線情況。

不同軸壓比下三組PPEFF節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線如圖10所示。由圖10滯回曲線可以看出：

1）在力控制階段，三組試件的滯回環(huán)面積較小，耗能性能較差，進(jìn)入位移控制階段時(shí)，三組試件處于彈塑性變形階段，隨著梁端位移作用不斷增大，滯回環(huán)所圍的面積增大，試件耗能能力增強(qiáng)。

2）三組試件軸壓比分別為0.2、0.3、0.4，但三組試件滯回曲線所圍面積基本一致，說明軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能能力影響不大。

PPEFF節(jié)點(diǎn)不同軸壓比下的骨架曲線如圖11所示。

由圖11的骨架曲線可以看出：

1）在彈性階段，三組試件骨架曲線基本重合，在節(jié)點(diǎn)屈服時(shí)，骨架曲線出現(xiàn)明顯變化，軸壓比為0.3和0.4的試件屈服荷載明顯高于軸壓比為0.2的試件，說明提高節(jié)點(diǎn)軸壓比可以一定程度上提高節(jié)點(diǎn)屈服荷載。

2）節(jié)點(diǎn)屈服后，三組試件骨架曲線出現(xiàn)明顯差異，三組試件峰值荷載隨著軸壓比的增大而變大，說明軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)峰值荷載的影響不大。

4.3??? 箍筋配箍率

本文在已建立的PPEFF節(jié)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上，以JD2為原模型，通過改變箍筋配箍率來模擬不同箍筋配箍率對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。本文選取箍筋配箍率為0.34%、0.52%、0.75%的PPEFF節(jié)點(diǎn)模型來分析不同箍筋配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回曲線和骨架曲線的影響。

不同箍筋配箍率下三組PPEFF節(jié)點(diǎn)試件的滯回曲線如圖12所示。

由圖12滯回曲線可以看出：

1）三組試件在試驗(yàn)加載初期，滯回曲線切線斜率基本相同，節(jié)點(diǎn)剛度變化不大，三組試件在不同配箍率情況下滯回曲線飽滿度基本相似，說明三組試件耗能能力差別不大。

2）隨著配箍率的增加，試件的滯回曲線下降段變得更為緩慢，但總體而言，配箍率對(duì)三組試件滯回曲線形態(tài)影響不明顯[9]。

3）配箍率為0.34%和0.52%時(shí)，節(jié)點(diǎn)滯回曲線在位移為60 mm時(shí)達(dá)到峰值荷載，隨后荷載出現(xiàn)下降，而隨著配箍率提高到0.72%，節(jié)點(diǎn)滯回曲線在位移為40 mm時(shí)達(dá)到峰值荷載，隨后荷載出現(xiàn)下降，說明提高節(jié)點(diǎn)配箍率能提前使節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力。

PPEFF節(jié)點(diǎn)不同配箍率下的骨架曲線如圖13所示。

由圖13的骨架曲線可以看出：

1）不同配箍率的節(jié)點(diǎn)在彈性階段剛度基本相同，節(jié)點(diǎn)屈服荷載相同，隨著梁端位移作用的增大，節(jié)點(diǎn)承載能力逐漸增大。

2）隨著節(jié)點(diǎn)配箍率的增加，試件的承載力都在增大，配箍率為0.52%時(shí)節(jié)點(diǎn)承載力較配箍率為0.34%提高了0.84%，配箍率為0.75%時(shí)節(jié)點(diǎn)承載力較配箍率為0.34%提高了4.2%，可見提高節(jié)點(diǎn)配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響不明顯。

5??? 結(jié)論

通過對(duì)PPEFF節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究、有限元非線性分析，得出以下結(jié)論：

1）通過對(duì)5組試件進(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)得出：當(dāng)耗能鋼筋配筋率為0.34%且無粘結(jié)段長(zhǎng)度為200 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)耗能能力較強(qiáng)。

2）通過有限元滯回曲線與實(shí)際試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比可知本文所采取的有限元建模方法有效可行，能較好地模擬節(jié)點(diǎn)在地震作用下的受力狀態(tài)。

3）混凝土強(qiáng)度等級(jí)能提升節(jié)點(diǎn)的承載能力，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，節(jié)點(diǎn)承載力越大。

4）軸壓比在一定程度上可以提高節(jié)點(diǎn)承載力，但影響不大。箍筋配箍率對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響不明顯。

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Study on Seismic Performance of New Joints of Fabricated Structures based on ABAQUS

GUI Wenxiang，CAI Jie，XU Qi

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ.，of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract： Based on the quasi static test of a new type of fabricated joint （PPEFF joint）， the finite element nonlinear analysis of PPEFF joint is carried out by using the finite element software ABAQUS. The obtained hysteretic curve is in good agreement with the experimental hysteretic curve， which shows that the finite element model can better simulate the stress state of the joint. On this basis， the effects of concrete strength grade， axial compression ratio and stirrup ratio on the seismic performance of PPEFF joints are studied. The results show that the influence of concrete strength grade on the joint bearing capacity is obvious， the influence of axial compression ratio on the joint bearing capacity is small， and the influence of stirrup ratio on the joint bearing capacity is not obvious.

Keywords：PPEFF joint; quasi static test; ABAQUS; finite element nonlinear analysis; seismic performance

［責(zé)任編校： 裴琴］