装配式混凝土框架梁柱节点抗冲击性能研究_颜庆虎.pdf

2023 年第 02 期总第 296 期福建建筑Fujian Architecture ConstructionNo 022023Vol296装配式混凝土框架梁柱节点抗冲击性能研究颜庆虎1吴红梅2李虹燕1任桃元3(1.深圳市坪山区建筑工务署广东深圳518118;2.深圳市坪山区建设工程质量安全监督站广东深圳518118;3.中建科工集团有限公司广东深圳518118)摘要:装配式框架结构因施工速度快和质量可控等优势，已广泛应用于商业和民用建筑。但装配式梁柱节点，是该类框架结构中较薄弱部位，在极端荷载作用下，节点的安全性，是保证结构整体性的重要前提。研究采用有限元软件LS DYNA 建立装配式混凝土框架梁柱节点模型，通过冲击力、节点转角和损伤演化过程等对装配式节点的抗冲击性能进行研究，分析发现，在冲击荷载作用下，装配式节点的梁柱交界面处发生严重破坏并失效。关键词:装配式混凝土;梁柱节点;抗冲击性能中图分类号:TU3文献标识码:A文章编号:1004 6135(2023)02 0053 04Investigation on impact behavior of precast concrete beam column jointsYAN Qinghu1WU Hongmei2LI Hongyan1EN Taoyuan3(1.Bureauof Construction Works of Shenzhen Pingshan District，Shenzhen 518118;2.Shenzhen Pingshan District Construction Engineering Quality Safety Supervision Office，Shenzhen 518118;3.China Construction Science and Industry Corporation Ltd.，Shenzhen 518118)Abstract:Precast concrete(PC)frame structure has been widely used in commercial and civil buildings due to the advantages of fast con-struction speed and good quality.However，the PC beam column joint is the weak part of the PC frame structure.The safety of PC joint un-der extreme loads is an important prerequisite to ensure the integrity of the PC frame structure.In this study，the finite element software LS DYNA is used to develop the numerical model of PC beam column joint model.Then the impact performance of PC joint is analyzed andstudied through the impact force，joint rotation and damage evolution process.The PC beam column joint is severely damaged and failedunder the impact load.Keywords:Precast concrete;Beam column joint;Impact behavior基金项目:中建科工技术研发项目(ZJKG 2022 KT 28)作者简介:颜庆虎(1974 10)，男，高级工程师。E-mail:124327748 qq com收稿日期:2022 09 010引言随着国家对装配式建筑结构的推广应用，装配整体式框架结构被广泛应用于商业和民用建筑中1。装配整体式框架结构的梁柱构件在工厂预制完成，然后运输到施工现场完成安装。预制混凝土(PC)梁柱之间由后浇混凝土填充节点区域，从而实现对预制梁柱构件的连接。由于纵向受力钢筋的不连续性，需要采用钢筋灌浆套筒或焊接等方式连接，同时预制构件和后浇节点区域混凝土硬化时间的差异，导致混凝土交界面处连接薄弱。因此，装配式梁柱节点，是装配整体式框架结构中较为薄弱的部位，有必要对其力学性能进行研究。建筑结构在服役期间，可能遭受灾难性事件或恐怖袭击等极端动态荷载，造成建筑结构的严重破坏，甚至倒塌，从而导致人民生命财产损失2 3。结构在动态荷载作用下的动态结构响应，与其在正常设计的静态荷载作用下的结构响应不同。此外，框架结构中连接梁柱的节点区域，是传递荷载和保持结构整体性的重要组成部分。节点失效会改变荷载路径，甚至导致结构倒塌4 5。由于极端事件造成上层结构构件的失效，进而导致结构和非结构构件跌落。然后跌落的构件冲击下层结构，从而引起下层结构构件的损坏，甚至导致失效层节点不能传递和抵抗冲击荷载，造成结构的连续性倒塌6。目前，对装配式节点在极端荷载下移除支撑柱的抗连续倒塌性能已有研究5，梁柱节点连接的可靠性，影响着其悬链线抗力机制的发展。然而，关于节点抗冲击性能的研究相对较少。因此，研究真实落层冲击场景下装配式混凝土梁柱节点的动态性能，对揭示其抗冲击性能至关重要。54福建建筑2023 年本文采用 LS DYNA 建立装配式梁柱节点精细化有限元模型，基于验证模型的可靠性数据，通过分析冲击力、节点位移和节点损伤演化过程，揭示装配式节点在冲击荷载下的承载力和破坏形态。1有限元模型介绍1.1有限元模型采用 LS DYNA，建立装配式混凝土梁柱节点有限元模型，落锤、支座和混凝土采用 8 节点实体单元模拟，纵筋和箍筋采用一维梁单元模拟，钢筋通过耦合约束的方式嵌入混凝土构件中。此外，采用 KC混凝土模型模拟混凝土材料，钢筋采用弹塑性材料模型。由于混凝土和钢筋为应变率敏感材料，通过定义材料的动态增加系数(DIF)，考虑由应变率效应引起的材料强度增强。用落锤和混凝土梁之间定义面面接触，模拟二者之间的冲击作用。连接纵筋的灌浆套筒采用等效截面梁单元模拟。灌浆套筒的等效力学行为，由其截面的等效刚度和等效强度来定义。节点区域的预制混凝土和后浇混凝土之间交界面，通过具有连接和开裂属性的面面接触来定义。也即在接触的初期，交界面上属于预制和后浇混凝土的节点对绑定在一起，而当交界面的单元节点的应力达到公式所示的破坏准则后，则发生接触损坏。公式中，NFLS 和 SFLS 是预定义的法向和剪切破坏应力;n和 s是每个节点对的法向应力和剪应力。法向和剪切破坏应力是基于混凝土界面的粘接和抗拉特征定义。|n|()NFLS2+|s|()SFLS211.2模型校验由于对装配式梁柱节点的抗冲击性能未开展试验研究，因此，本文采用装配式混凝土梁抗冲击试验来校验有限元模型7。通过该试验，可对混凝土交界面和钢筋套筒连接的模拟进行校验。装配式混凝土梁的几何尺寸和钢筋分布如图 1 所示。装配式混凝土简支梁总长为 3.3 m，净跨为 2.9 m，由 3 个预制段和 2 个现浇段拼装而成。预制段伸出的纵向受力钢筋，通过灌浆套筒连接。装配式梁在跨中遭受 253 kg的落锤冲击作用，冲击速度为 5.6 m/s。试验结果与数值结果的损伤形态对比如图 2 所示。数值预测的混凝土损伤与试验结果中的混凝土裂缝吻合较好，通过接触点对的失效，可较好地模拟混凝土交界面处的开裂损伤。冲击力和梁跨中位移结果如图3 所示，试验和数值模拟中的冲击力峰值分别为1086.0 kN 和1146.1 kN，二者相差为 5.5%。另外，数值模拟中的最大位移和残余位移，分别为17.6 mm 和9.4 mm，试验结果的最大位移和残余位移，分别为21.1 mm 和 11.8 mm。可以看出，预测的损伤形态、冲击力和位移与试验结果吻合较好;所建立的数值模型，可用于装配式节点的抗冲击分析研究。图 1装配式梁几何尺寸与配筋(单位:mm)7 图 2损伤形态对比(a)冲击力(b)跨中位移图 3冲击力和位移对比2023 年 02 期 总第 296 期颜庆虎，吴红梅，李虹燕，等装配式混凝土框架梁柱节点抗冲击性能研究552装配式梁柱节点设计为了研究装配式梁柱节点的抗冲击力学性能，从装配式框架结构中，选择足尺的边节点作为研究对象，梁柱几何尺寸如图 4 所示，梁和柱的纵筋直径分别为 20 mm 和22 mm。箍筋直径为 10 mm，梁和柱的箍筋间距为 200 mm，在梁柱节点的箍筋加密区，箍筋间距为 100 mm。从下部预制柱延伸出的纵筋穿过节点区域，并通过灌浆套筒与上部预制柱的纵筋相连接。在节点区域后，浇筑混凝土完成预制梁柱的拼装。梁柱节点构件采用 C40 混凝土，纵筋和箍筋的屈服强度，分别为 500 MPa 和 400 MPa。图 4装配式节点几何尺寸与配筋图 5装配式节点有限元模型图由于设计原型框架结构层高为 3.6 m，假设上梁跌落到下梁上，冲击速度为 8.4 m/s。根据跌落梁的质量，估算得到落锤冲击质量为 1.0 t。落锤与梁的接触面为圆形平面，落锤到节点区域的距离设定为400 mm，装配式节点的有限元模型如图 5 所示。3节点抗冲击性能分析3.1冲击力与节点转角装配式节点冲击力和节点转角时程曲线如图 6所示。装配式节点在冲击荷载作用下，遭受多个峰值荷载(如图 6(a)所示)，施加在节点构件上总冲量为9720.8 kNms，冲击力总持时为 23.6 ms，最大冲击力峰值为 5713 kN。另外，将节点在冲击力作用下梁柱之间的夹角变化，定义为节点转角。从图 6(b)中可见，冲击初期，节点转角很小，随着施加在构件上的冲量增加，节点转角逐渐增大，最大值为 0.11 rad。随后因冲击力作用结束，受冲击作用后的梁进入自由振动阶段，节点转角逐渐减小，最终形成较为稳定的残余转角 0.086 rad。(a)冲击力(b)节点转角图 6冲击力和节点转角3.2节点损伤形态图 7 为装配式节点的损伤演化形态。在 0.5 ms时，即冲击力最大峰值时刻，混凝土损伤主要分布在梁上，类似于装配式梁在冲击荷载下的损伤形态8。56福建建筑2023 年冲击位置的梁底部在冲击初始时刻承受较大的拉伸应力，因此该处出现较为明显的损伤。另外在梁上部与节点区域连接的地方，由于负弯矩作用发生混凝土损伤。在第一主峰值结束时(即 1.7 ms 时)，由于应力波的传递，梁上的负弯矩区域损伤范围增大，损伤程度更加严重。在预制梁和后浇叠合层和后浇节点区域的交界面处的剪力作用下，交界面发生破坏，预制混凝土和后浇混凝土之间会产生较为明显的裂隙。因此，在装配式节点设计中，要保证预制混凝土和后浇混凝土之间的交界面要有足够的抗剪设计强度。另外节点的上柱内侧和下柱外侧出现混凝土损坏，主要是由冲击导致作用在预制柱上的弯矩造成。图 7节点破坏形态演变在计算结束时(即 80 ms 时)，预制混凝土梁发生全梁损伤破坏。由于梁在冲击作用下的变形受到柱的约束作用，因此在梁截面中产生了轴压力。此外梁在变形中，通过节点区域向外推动柱发生水平位移，梁中的轴力将导致作用在柱子上的弯矩。由于冲击应力波和作用于柱的弯矩共同作用，导致柱外侧混凝土发生较为明显的损伤破坏。4结论本文利用 LS DYNA，对装配式节点的抗冲击性能进行数值研究，通过已有试验数据校验有限元模型的准确性，然后基于校验的有限元模型，对装配式节点在冲击荷载作用下的动态响应和损伤演化机理进行分析，得出以下主要结论:(1)通过 LS DYNA 建立的精细化有限元模型，可较好地预测装配式节点在冲击荷载作用下的动态力学性能。(2)在设计的冲击荷载作用下，装配式节点发生严重损伤破坏，残余转角达到 0.086rad。(3)梁在冲击下的变形，将导致柱发生水平外移，从而导致柱外侧出现较严重的混凝土损伤。参 考 文 献 1 吴刚，冯德成，徐照，等 装配式混凝土结构体系研究进展 J 土木工程与管理学报，2021，38(4):41 51，77 2 李宏男，李钢，郑晓伟，等 工程结构在多灾害耦合作用下的研究进展 J 土木工程学报，2021，54(5):1 14 3 姜健，吕大刚，陆新征，等 建筑结构抗连续性倒塌研究进展与发展趋势 J 建筑结构学报，2022，43(1):1 28 4 张望喜，曹亚栋 装配式混凝土框架结构防连续倒塌研究中的几个问题J 建筑科学与工程学报，2017，34(5):101 112 5 袁鑫杰，李易，陆新征，等 湿式连接装配式混凝土框架抗连续倒塌静力试验研究 J 土木工程学报，2019，52(12):46 56 6 Kaewkulchai，G，Williamson，E B Modeling the impact offailed members for progressive collapse analysis of framestructures J Journal of Performance of Constructed Facili-ties，2006 20(4):375 383 7 Yan，Q，Sun，B，Liu，X，and Wu，J，The effect of assem-bling location on the performance of precast concrete beamunder impact load J Advances in Structural Engineering，2018 21(8):1211 1222 8 闫秋实，邵慧芳，李亮 冲击荷载作用下装配式钢筋混凝土梁力学性能研究 J 工程力学，2017(4):196 205