一种新型装配式混凝土结构梁柱节点及其抗震性能分析_郝进锋.pdf

第41卷 第4期2023年4月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.4Apr.2023收稿日期：2022-12-12作者简介：郝进锋（1968-），男，教授，博士，主要从事装配式结构等方面研究文章编号：1004-3918（2023）04-0541-06一种新型装配式混凝土结构梁柱节点及其抗震性能分析郝进锋，高亚鹏，刘浩（东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆163318）摘要：提出了一种新型装配式框架结构梁柱节点连接形式，并对其对抗震性能进行研究.基于ABAQUS建立新型梁柱节点模型，输入荷载位移曲线，通过位移加载方式绘制节点在低周往复作用下的滞回曲线及骨架曲线，以混凝土强度等级、螺栓强度等级为变量，研究节点抗震性能.研究表明：随着混凝土强度及螺栓强度提高，梁柱节点的承载力随之提高，等效黏滞阻尼系数及延性位移比现有钢筋混凝土大，新型梁柱节点抗震性能较好.因此装配式混凝土梁柱节点可应用到预制装配式框架结构中.关键词：装配式结构；梁柱节点；抗震分析；有限元模拟中图分类号：TU 375.4文献标识码：AA New Type of Prefabricated Concrete Structure Beam-ColumnJoint and Its Seismic Performance AnalysisHAO Jinfeng，GAO Yapeng，LIU Hao（College of Civil and Architecture Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang China）Abstract：In this paper，a new type of beam-to-column connection form of assembled frame structure is proposed，and its seismic performance is studied.Based on ABAQUS，a new beam-column joint model is established.Theload-displacement curve is input，and the hysteresis curve and skeleton curve of the joint under low-cycle reciprocatingaction are drawn by displacement loading.The seismic performance of the joint is studied with concrete strengthgrade and bolt strength grade as variables.The research shows that with the increase of concrete strength and boltstrength，the bearing capacity of beam-column joints increases，the equivalent viscous damping coefficient andductile displacement are larger than those of existing reinforced concrete，and the new beam-column joint hasbetter seismic performance.Therefore，prefabricated concrete beam-column joints can be applied to prefabricatedframe structures.Key words：prefabricated structure；beam-column connection；seismic analysis；finite element simulation装配式混凝土结构与现浇结构相比，具有施工周期短、构件质量易于保证、可标准化、定型化、工业化生产等优点，因此得到大力推广.装配式框架结构的研究重点是梁柱节点的连接方式和基本力学性能，保证装配式结构安全可靠.通过装配式建筑的震害调查：预制梁或柱受损相对较轻，结构失效主要是由于结构部件之间的连接破坏导致结构坍塌1-6.国内外学者对装配式梁柱节点的连接方式研究较多7-13.研究发现：装配式节点的承载力与现浇节点承载力相比相差较小，但装配整体式节点位移延性、耗能能力及等效黏滞阻尼系数较大，抗震性能较好；装第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月配式结构梁柱连接节点的刚度越大，装配式结构的承载力越大.通过对装配式梁柱节点的研究发现：现有梁柱节点还存在设计复杂、装配式节点配件繁琐不易施工、工程造价较高等问题.基于此，本文对预制混凝土框架结构提出了一种梁柱节点，研究该节点在梁端往复位移作用下的混凝土受拉损伤、受压损伤发展过程、滞回曲线、骨架曲线及耗能能力等性能，旨在为今后装配式混凝土框架结构的应用和设计提供依据.1装配式混凝土框架结构梁柱节点有限元模型建立1.1节点设计本文采用的梁柱节点试件取自某多层框架结构中选取一榀框架中间层边节点，根据混凝土强度等级和螺栓强度等级的不同设计了4组试件进行对比分析.梁和柱采用强度等级C40混凝土，节点构件的预制梁和预制柱均事先预留22 mm的螺栓孔洞，梁端和柱中部的外侧均布置与混凝土构件相对应的孔洞的承压钢板.梁柱通过12根22 mm的螺栓穿过事先预留的孔洞，并通过螺栓和螺母将预制节点固定.梁柱节点的连接形式和构造图、钢板和螺栓的尺寸图和配筋图如图1所示.1.2模型参数的选择为研究装配式混凝土框架结构梁柱节点的抗震性能，本文以梁柱混凝土强度、螺栓强度为主要参考参数，在梁端施加低周往复位移的方式，根据有限元结果，分析新型节点的承载力及耗能能力.试件具体参数如表1、表2所示.1.3材料本构关系将混凝土本构关系采用 混凝土结构设计规范（GB 500102010）中提供的混凝土单轴受压应力-应变曲线关系14，如图2所示，C40、C60混凝土杨氏模量分别为32 500、36 000 MPa，泊松比为0.2.混凝土拉伸损伤压缩恢复系数9c=0.157f0.785c-0.905，（1）式中：fc为混凝土峰值应力.钢材的本构关系采用双折线随动强化模型，图1梁柱螺栓连接节点试件尺寸及配筋图Fig.1Size and reinforcement diagram of beam-column bolt connection joint specimen（a）梁、柱尺寸及配筋图（单位：mm）（b）角钢尺寸及牛腿详图（单位：mm）820012502150混凝土柱900钢材-2钢材-1500混凝土梁梁预留螺栓孔20020011811840040042210100400500400500柱截面预埋钢板657065200梁截面预埋钢板200322412620082003221000300 2002502020预埋钢材400650180010100102003000650102006010100218322150牛腿大样图100150150 208208155 15590300505040020100150150 208 60168208860208810045253105590552002088601682006570654510088253钢材-1详图预埋钢材-1详图预埋钢材-2详图500150150150100505030040020500100150150100810066820表1试件参数Tab.1Parameters of the specimen试件编号PC-1PC-2PC-3PC-4梁、柱混凝土强度等级C40C40C60C60轴压比0.30.30.30.3螺栓强度M5.6级M10.9级M5.6级M10.9级钢板强度Q355Q355Q355Q355表2构件尺寸及配筋Tab.2Component size and reinforcement构件名称预制柱预制梁钢板截面尺寸/（mmmm）40040020050040050020纵筋4C22+4C186C22+2C12箍筋C10100/200C8100/200-542引用格式：郝进锋，高亚鹏，刘浩.一种新型装配式混凝土结构梁柱节点及其抗震性能分析 J.河南科学，2023，41（4）：541-546.如图3所示，钢材采用VonMises屈服准则，屈服后的弹性模量Es=0.01E015，钢材的应力应变关系如图3所示.1.4边界条件和网格划分梁柱节点有限元模型如图4所示.有限元模型中混凝土、钢板及螺栓均采用八节点三维实体单元（C3D8R），钢筋采用两节点三维线性桁架单元（T3D2）.螺栓和混凝土柱、钢板之间的界面接触由法线方向的“硬”接触及切线方向“罚”接触构成，切线方向的摩擦系数取0.35.梁、柱钢筋分别嵌入预制梁、柱混凝土单元中，忽略钢筋与混凝土之间的相对滑移16.钢筋通过削弱钢筋的卸载刚度，提高模拟结果的准确性17.1.5单元选取及接触方式有限元建模时，在柱顶、柱底及梁端处分别建立参考点RP-1、RP-2、RP-3，并将参考点与界面耦合，确保界面受力均匀.有利于避免施加荷载时产生偏压及数据提取.边界条件施加时，RP-1释放y方向位移和xy平面内转角，RP-2释放xy平面内转角，RP-3释放y方向的位移及yz平面内转角.为保证网格质量及计算精度，经多次试算，本模型混凝土采用50 mm网格尺寸，钢筋采用50 mm网格尺寸，钢板采用30 mm网格尺寸，角钢及螺栓采用20 mm网格尺寸.1.6分析步模型共设置5个分析步：在初始分析步中将预制柱、预制梁完全固定；在第一个分析步中施加1 kN的螺栓预紧力，保证结构可以平顺的接触；在第二个分析步再施加225 kN的螺栓预紧力（5.6级螺栓施加70.02 kN螺栓预紧力）；在第三个分析步中固定螺栓长度；在第四个分析步中对柱顶耦合点RP-1施加1286 kN（C60混凝土施加1848 kN）集中力，满足轴压比0.3；在第五个分析步中对梁端RP-3处施加循环往复位移，位移加载向上为正，位移加载制度如图5所示.2有限元模型验证2.1验证试验简介验证试验参照黄延铮试验18.试验中梁、柱混凝土图2混凝土单轴受压应力-应变曲线Fig.2Uniaxial compression stress-strain curve of concrete图3钢材应力-应变曲线Fig.3Stress-strain curve of steel图4新型装配式结构梁柱节点有限元分析模型Fig.4Finite element analysis model of beam-column joints ofnew assembled structure图5位移加载曲线Fig.5Loading curve of displacementfc，r0.5fc，rt，r0 c，rcuft，ryuEsE0yu100500-50-100位移/mm每级增加2 mm每级增加0.5y屈服前屈服后20406080100加载循环注：fc,r为混凝土单轴抗压强度代表值；ft,r为混凝土单轴抗拉强度代表值；c,r为与fc,r相应的混凝土峰值压应变；cu为混凝土极限压应变.注：y为钢材屈服强度；u为钢材极限强度；y为钢材屈服强度y对应的屈服应变；u为钢材极限强度u对应的峰值应变；E0为钢筋初始弹性模量；Es为钢筋屈服后弹性模量.-543第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月强度等级均为C40，钢筋采用HRB400级，连接采用Q355钢材，螺栓为10.9级M20高强度螺栓.柱顶施加竖向荷载1000 kN，梁端施加水平往复荷载，得到试件骨架曲线18.2.2验证试验结果对比针对上述试验，ABAQUS验证模型如图6（a）所示，试验和ABAQUS有限元分析的骨架曲线对比见图6（b），模拟得到的结构破坏形态见图6（d）.从骨架曲线可以看出：在加载初期，位移增量较小，梁柱节点这时处于弹性阶段；随着位移增大，由于混凝土开裂的不可逆性导致曲线斜率开始减缓，这时试件的刚度开始降低；之后曲线斜率急剧减小，试件进入弹塑性状态，直至达到峰值荷载.由图6（b）骨架曲线可以看出数值模拟和试验数据二者曲线较为贴近，但由于模拟钢筋、混凝土和钢材是未考虑缺陷的理想材料，有限元模拟节点承载力高于试验节点.最大误差出现在试件破坏时，试验峰值荷载为106.33 kN，模拟峰值荷载为117.45 kN，误差为10.46%；试验破坏位移为39.55 mm，模拟峰值位移为42.98 mm，误差为8.67%.从图6（c）和图6（d）可以看出模拟和试验得到的节点破坏形态相近.证明了ABAQUS有限元软件模拟计算的准确性.3模型计算结果分析3.1PC-1试件破坏形态试件PC-1PC-4破坏形态大致相同，以试件PC-1为例，从ABAQUS中提取PC-1试件的混凝土的受压损伤云图（DAMAGEC）、受拉损伤云图（DAMAGET）、滞回曲线及骨架曲线，见图7.由图7（a）可知，混凝土受压损伤破坏发生在梁端及牛腿处.与叶堉19试验研究的DAMAGEC出现的位置基本相似.位移较小时，荷载与位移呈线性关系.随着位移增加，混凝土产生弹塑性变形，梁柱节点处出现塑性铰.3.2滞回曲线分析节点耗能能力采用等效黏滞阻尼系数作为评价指标，其结果见表3.从表3可知，相同连接形式，试件PC-1、PC-3节点耗能能力优于试件PC-2、PC-4，这是因为采用5.6级螺栓比10.9级螺栓屈服强度小，使得（a）验证试验装配体模型（b）骨架曲线对比（c）试验破坏形态（d）模型破坏形态图6验证模型和数值模拟对比结果Fig.6Verification model and numerical simulation comparison resultDAMAGEC（平均：75%）9.687e-018.880e-018.073e-017.266e-016.458e-015.651e-014.844e-014.036e-013.229e-012.422e-011.615e-018.073e-020.000e+00150100500-50-100-150荷载/kN-60-40-20204060位移/mm试验数据模拟数据图7PC-1有限元分析结果Fig.7Finite element analysis results of PC-1（a）PC-1混凝土受压损伤云图（b）PC-1混凝土受拉损伤云图（c）PC-1滞回曲线（d）PC-1骨架曲线DAMAGEC（平均：75%）9.704e-018.895e-018.087e-017.278e-016.469e-015.661e-014.852e-014.043e-013.235e-012.246e-011.617e-018.087e-020.000e+00DAMAGEC（平均：75%）9.687e-018.880e-018.073e-017.266e-016.458e-015.651e-014.844e-014.036e-013.229e-012.422e-011.615e-018.073e-020.000e+00200150100500-50-100-150-200荷载/kN-100-80-60-40-2020 4060 80 100位移/mmPC-1滞回曲线200150100500-50-100-150-200荷载/kN-100-80-60-40-2020 40 60 80 100位移/mmPC-1骨架曲线-5445.6级螺栓可以更好协调钢筋混凝土受力.PC-1、PC-2、PC-3、PC-4的等效黏滞阻尼系数均大于0.24，而普通钢筋混凝土节点的等效黏滞阻尼系数在0.1左右20，可见，螺栓连接的装配式梁柱节点具有更好的耗能能力.3.3骨架曲线及耗能能力分析为了评估破坏前的塑性变形，使用了延性系数u并且它可以表示为式（2）.u和y分别为峰值位移屈服位移，mm.u=uy.（2）表4给出了不同试件的延性系数u.各试件的延性系数在3.665.14之间，高于普通钢筋混凝土节点延性系数平均值2，试件满足延性要求21.从表4可以看出，当混凝土强度由C40增加到C60，试件的正向承载力由162.66、174.34 kN增加到179.90、190.34 kN，分别增加了10.60%和9.18%；负向承载力由177.96、182.43 kN增加到188.18、199.15 kN，分别增加了5.74%和9.17%，提高混凝土强度等级可提高试件承载力.当螺栓强度由5.6级提高到10.9级，试件的正向承载力由162.66、179.90 kN增加到174.34、190.34 kN，分别增加了9.22%和5.80%；负向承载力由177.96、188.18 kN增加到182.43、199.15 kN，分别增加了2.51%和5.83%，提高螺栓强度可提高试件承载力.表4试件等效黏滞阻尼系数Tab.4Bearing capacity and ductility coefficient of specimens试件编号PC-1（+）PC-1（-）PC-2（+）PC-2（-）PC-3（+）PC-3（-）PC-4（+）PC-4（-）屈服位移y/mm24.2919.8222.0018.2420.2518.0417.7117.44屈服荷载Py/kN130.90144.97141.14145.08146.76152.58150.45159.66峰值位移u/mm89.6189.0189.1189.3689.0089.4189.7189.61峰值荷载Pmax/kN162.66177.96174.34182.43179.90188.18190.34199.15位移延性系数 u3.664.944.055.054.404.964.535.144结论装配式梁柱混凝土梁柱节点以混凝土强度等级和螺栓强度为考察参数，对设计的4组装配式节点试件进行有限元分析，得出如下结论：1）基于混凝土及钢材本构模型，采用ABAQUS 软件对已有试件进行数值仿真，获得梁柱节点荷载-位移关系曲线.提取试件的骨架曲线与已有的试验数据对比，误差在工程允许范围内，验证了本文有限元建模方法的合理性.2）梁柱节点通过螺栓连接，无须进行混凝土二次浇筑，可以简化节点的连接形式及减少现场作业.螺栓连接节点的混凝土受压损伤主要集中在节点核心区，牛腿柱基本保持在弹性状态，可实现螺栓及梁的可更换性，满足震后快速修复的要求.3）分析结果表明混凝土强度及螺栓强度对节点的受力性能影响均较大，混凝土强度等级由C40增大到C60，节点的承载力及节点耗能能力均会提高；螺栓强度由5.6级增大到10.9级，提高了节点的承载力，但影响节点良好的转动变形能力，导致节点变形较小，节点耗能能力相对较低，在满足承载力要求下，可优先选用低强度螺栓.4）装配式节点通过连接件变形耗散能量，滞回曲线饱满，节点较现有钢筋混凝土结构具有更大的塑性变表3试件等效黏滞阻尼系数Tab.3Equivalent viscous damping coefficient of specimen试件编号PC-1PC-2PC-3PC-4等效黏滞阻尼系数he0.260.240.260.25引用格式：郝进锋，高亚鹏，刘浩.一种新型装配式混凝土结构梁柱节点及其抗震性能分析 J.河南科学，2023，41（4）：541-546.-545第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月形能力及耗能能力，连接节点的等效黏滞阻尼系数he为0.240.26，延性系数 u为3.665.14，在梁端低周往复位移下表现出较高的承载能力和较高的能量耗散，抗震性能较好，满足钢筋混凝土结构的耗能和延性要求.参考文献：1 石文龙，李国强，肖勇.半刚性连接梁柱组合节点低周反复荷载试验研究 J.建筑结构学报，2008，29（5）：57-66.2 胡夏闽，张婧，张冰.H型钢腹板焊接栓钉的部分外包混凝土组合构件纵向受剪性能试验研究 J.建筑结构学报，2018，39（3）：158-166.3 BELLERI A，BRUNESI E，NASCIMBENE R，et al.Seismic performance of precast industrial facilities following major earthquakesin the Italian territory J.Journal of Performance of Constructed Facilities，2015，29（5）：04014135.4 林凡荀.火灾后预制柱-叠合梁装配整体式框架中节点受力性能研究 D.苏州：苏州科技大学，2020.5 吴成龙，刘继明，谭文娅，等.装配式型钢混凝土组合节点在静力荷载作用下的有限元分析 J/OL.山东农业大学学报（自然科学版），2020，51（4）：1-7 2023-03-22.http：/ 谢可可.高强螺栓工字钢连接砼梁柱节点的力学性能研究 D.沈阳：沈阳建筑大学，2022.7 FRENCH C W，AMU O，TARZIKHAN C.Connections between precast elementsfailure outside connection region J.Journalof Structural Engineering，1989，115（2）：316-340.8 ELSALTI M K，RICHARD R M.Derived moment 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