预制装配式分体柱节点截面内力分布.pdf

Value Engineering0 引言分体柱的概念最早由郝永昶1等提出，指通过隔板填缝将整体柱变成等截面的小柱，将短柱变长柱，进而提高其延性和变形能力。李忠献，郝永昶2等人通过高轴压比下对比试验，结果表明，采用分体柱框架节点具有更优的抗震性能。李炳益，袁泉3等人在 2008 年，研究了八个不同工况试件的滞回特性试验，分析结果表明：在轴压比相同时，型钢混凝土分体柱的承载能力、延性系数和变形更优于钢筋混凝土分体柱。王松山4等通过 abaqus 进行数值模拟得出分体柱用于柔性隔震中最佳设计轴压比范围在 0.50.7间，最佳剪跨比范围在 1.5耀2.0 之间。王海东5等提出一种适用于地铁车站的新型分体柱，运用 ABAQUS 软件从构件、结构两个层面对新型分体柱的延性以及可恢复性能进行了系统的分析。计算结果表明，较地铁站中更为常见的整体柱结构，新型分体柱在地震作用下的位移响应会略有增加，剪力响应会大幅降低，能够达到预设的“中震不坏，大震可快速修复”的抗震性能。梁柱节点的连接形式和抗震性能是目前施工和设计中的关键问题。梁柱节点作为一种容易发生脆性剪切破坏的传递构件，在地震荷载作用下是结构中相对薄弱的环节。6为解决这一问题，国内外学者提出了不少创新性的连接形式。Guan，Minsheng7等提出了一种创新的部分预制钢筋混凝土（PPSRC）梁柱连接，并对其抗震性能进行了试验研究。结果表明：这种连接具有更好的强度，延性和耗能能力。Huang，Xing-Huai8等提出了一种新的粘弹性材料和钢板加固方法并进行了实验，结果表明：这种新方法可以显著提高改造接头的强度，接头可以承受较大的位移值。Zhang，Yang9等提出了一种新型的螺栓连接组合式混凝土梁柱节点。它具有模块化程度高、结构简单的优点，在拟静力试验中，其具有良好的旋转性能、较大的变形量、良好的整体延性，并且非常适合抵抗一些荷载引起的变形。可见，装配式的应用前景非常广阔。由于现浇的分体柱的施工困难，而装配式结构及行业配套技术的发展为分体 RC 柱的工程应用开启了一扇前景广阔的大门。10由此，本文提出了一种预制装配式分体柱结构。即预先在工厂制作好标准尺寸的小截面柱，在现场通过钢套筒拼装成各种截面尺寸的 RC 框架柱。图 1 给出了此类预制装配式 RC 分体柱的示意图，预制 RC 小柱通过钢套筒连接成所需尺寸的大柱，小柱在端节点和中节点分批搭接，以改善干式连接节点全部设在框架节点区的不足。1 模型建立1.1 部件创建模型整体建立过程为先分别创建标准小柱、钢套筒、梁，再在装配过程中将标准小柱置于钢套筒内，分体柱与钢套筒的连接形式采用接触连接，最后将钢套筒与钢梁连接。以某标准 RC 梁柱节点模型为目标，同时建立400mm伊400mm、600mm伊600mm、800mm伊800mm 三个分体柱模型。在三个模型中，分体柱分别由 2伊2、3伊3、4伊4 个要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要作者简介院宋德新（1976-），男，湖南浏阳人，湖南省第二工程有限公司党委书记、董事长，高级工程师，工学硕士，研究方向为土木工程施工技术领域的研究与管理。预制装配式分体柱节点截面内力分布Internal Force Distribution of Prefabricated Split Column Node Section宋德新 SONG De-xin（湖南省第二工程有限公司，长沙410015）（Hunan Construction Engineering Group No.2 Co.，Ltd.，Changsha 410015，China）摘要院研究装配式梁柱节点的抗震性能对装配式框架结构的发展至关重要，本文提出了一种模块化程度高、结构简单的新型干连接梁柱节点并使用ABAQUS进行数值模拟。该节点由预制混凝土梁和通过钢套筒连接的预制混凝土分体柱组成。通过分析节点截面Z方向位移、应变、应力数据，研究了这种新型节点在柱顶水平位移荷载作用下的内力分布。Abstract:The seismic performance of the prefabricated beam-column joints is crucial for the development of prefabricated framestructures.This paper proposes a new type of dry connection beam-column joint that is highly modular and structurally simple,andconducts numerical simulations using ABAQUS.The joint consists of a precast concrete beam and precast concrete segmented columnsconnected by steel sleeves.By analyzing the displacement,strain,and stress data of the joint,the internal force distribution of this new typeof joint under horizontal displacement load at the column top is studied.关键词院梁柱节点；框架结构；内力分布Key words:beam-column joint；frame structure；internal force distribution中图分类号院TU449文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-129-10doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.042图1预制装配式RC分体柱示意图预制标准RC小柱中间连接套筒装配后的工程柱中间节点梁柱节点分体柱连接套筒价值工程表1材料属性名称混凝土钢材密度（kg/m3）弹性模量（MPa）屈服应力（MPa）泊松比24003.0e426.8/2.41（抗压/抗拉）0.278002.06e5345/400（钢筋/钢板）0.3200伊200mm 的标准小柱组成。分体柱梁柱节点处采用Q345 钢套筒连接，套筒外围及内隔钢板厚度均为 10mm，套筒横截面尺寸分别为 430mm伊430mm、640mm伊640mm、850mm伊850mm。总高度为 4000mm。框架梁截面尺寸为250伊600mm，为排除干扰因素，暂不考虑梁柱连接对节点受力性能的影响，因此假设梁为匀质刚性梁且与套筒刚性连接。装配式分体住梁柱节点套筒具体设计参数如图 3 所示。对以上梁柱节点模型在 ABAQUS 有限元软件中进行三维实体建模，其中分体柱与钢套筒的连接形式采用接触连接，摩擦系数取 0.35，法向力设为“罚”。采用 50mm 为距离均匀划分网格。（图 3）1.2 观测点确定在部件 Part 模块将小分体柱端部截面均匀切分成50伊50mm 尺寸的小正方体，如图 3 所示，并将装配式节点中上分体柱组进行编号，从下往上 150mm、140mm、20mm、290mm、300mm 分别记为 5 层截面，其中第二层和第三层与套筒边缘上下各距离 10mm，目的是研究套筒约束处周围的应力变化，并将各层小分体柱记为 5 个节点，对 X 轴正向面和负向面分别标记为截面内力读取点，再将 X 轴正向面和负向面所得数据相加除以 2，即可得跨中截面该点内力，如图 4 所示。1.3 材料特性混凝土采用 ABAQUS 中内嵌的塑性损伤模型，该模型以混凝土的拉伸开裂和压缩压碎为破坏特征并定义损伤因子，在 ABAQUS 中相关参数设置如下：应力比 KC=0.67，膨胀角 鬃=30毅，双轴与单轴受压初始屈服应力比值滓b0/滓c0=1.16，偏心率 e=0.1，粘性系数 淄=0.0001。钢材采用双折线模型，其中 Q345 钢套筒屈服强度为 345MPa，柱纵向钢筋 HRB400 屈服强度为 400MPa，极限强度均为540MPa。材料弹性常数取值见表 1。（a）2伊2分体柱（b）2伊2网格划分（c）3伊3分体柱（d）3伊3网格划分图2分体柱梁柱节点详图（e）4伊4分体柱（f）4伊4网格划分图3分体柱梁柱节点钢套筒详图ZXY（a）Localization of Beam-Column connection（b）Steel Beam-Column connection ring（c）Vertical cross section of connection ring640200200200Value Engineering1.4 边界条件淤荷载布置。在柱顶施加竖向轴压力，随后在第二个分析步 Step-2中施加低周水平静力荷载，加载方式为位移控制，以便提高模型的收敛行为。于在装配后的模型中分别在上柱顶，下柱底、左右两梁端设置 4 个耦合点，将面上的位移约束成一个点，记为RP-1、RP-2、RP-3、RP-4。在上柱顶面 RP-1 仅施加约束（U1=0），限制平面外运动；在下柱底面 RP-2 施加（U1=U2=U3=0），限制底部位移，但不约束其转动行为；分别在两梁端 RP-3、RP-4 施加竖向位移约束（U3=0）。如图 5 所示。2 结果分析通过 ABAQUS 有限元软件建模计算，在三种工况下装配式节点的柱顶水平位移每增加 5mm，记录一次各层各点 Z 方向位移、应变、应力数据，总共水平侧向位移为50mm。2.1 2伊2 分体柱节点截面 Z 方向位移（图 6）图5边界条件简图RP-1RP-4RP-3RP-2（a）节点2伊2分体柱上柱有限元模型图及截面点位图（b）节点3伊3分体柱上柱有限元模型图及截面点位图图4节点分体柱上柱有限元模型图及截面点位图（c）节点 4伊4 分体柱上柱有限元模型图及截面点位图ZYYZYZ1050伊450伊41 2 3 4 5 6 7 8 9 105 层4 层3 层2 层1 层套筒1050伊450伊41 2 3 4 5 6 7 8 9105 层4 层3 层2 层1 层套筒1050伊450伊412 3 4 5 67 8 9105 层4 层3 层2 层1 层套筒121314151050伊4101050伊450伊41112131415161718192011位置位置价值工程在图 6 中我们可以看出 2伊2 分体柱截面中单个分体柱各点 Z 方向位移呈线性变化，各层 1-9 号点位移随着柱顶位移的增大而增大，且同层内 1 号点位移明显大于其他点，10 号点位移几乎不变，这是因为 1 号点位于受拉侧边缘，10 号点位于受压侧边缘；分体柱前三层位移与后两层位移有明显的区别，4、5 层位移中，2 个小分体柱截面中10 个点几乎成线性变化，而 1、2、3 层中受压侧柱位移远小于受拉侧位移，且在 5 号点与 6 号点存在明显的高度差，这是因为小分体柱与钢套筒之间的连接属于接触连接，而非绑定，受拉侧分体柱与钢套筒间存在滑移现象。2.2 2伊2 分体柱节点截面 Z 方向应变（图 7）2伊2 分体柱中，上方单个分体柱各点 Z 方向应变呈现趋势为受拉正应变明显大于受压负应变，第一、四、五图6 2伊2分体柱节点截面Z方向位移位置位置位置Value Engineering图7 2伊2分体柱节点截面Z方向应变图8 2伊2分体柱节点截面Z方向应力层应变数值相对较小，这是因为在第一、四、五层内弯矩较小，同理可证明套筒内部不是应力集中区域，若试件产生裂缝，初始裂缝位置不在套筒内部，而在第二层受拉侧小分体柱的边缘；第二层与第三层的受拉正应变随着柱顶侧向位移的增加逐渐增大，当柱顶位移达到 50mm 时，最大受拉正应变达到了 0.014，且在第二层中由于混凝土柱与套筒的摩擦约束，第三层中由于受弯时套筒边缘对分体柱的支撑作用，导致第二层与第三层柱截面应变发生了突变。2.3 2伊2 分体柱节点截面 Z 方向应力（图 8）2伊2 分体柱中，上方单个分体柱从左往右各点 Z 方向应力逐渐减小，压应力数值逐渐增大，这是因为左侧为受拉区，右侧为受压区；随着柱顶位移的增大，截面压应力相差随之增大，截面拉应力几乎不变，由图 8 可知，2伊2 分体柱中，主要靠右侧柱承受压应力，在第三层和第四层处 10号点的压应力最大，约达到了 16MPa，左侧柱大部分混凝土处于受拉状态，混凝土的抗拉能力弱，且从第 5 层 Z 方向应力可以看出，当柱顶位移为 5mm 时，1 号点与 6 号点拉应力接近 2MPa，再随着柱顶位移的增大，应力逐渐减小，说明此时混凝土抗拉强度接近峰值，继续加载，混凝土价值工程图9 3伊3分体柱节点截面Z方向位移裂缝产生，抗拉强度进入下降段。2.4 3伊3 分体柱节点截面 Z 方向位移（图 9）由图 9 可知，3伊3 分体柱截面中单个分体柱各点 Z方向位移呈线性变化，各层 1-14 号点位移随着柱顶位移的增大而增大，第四、五层时 15 号点位移几乎不变，说明在装配式分体柱节点受拉侧滑移较大；Z 方向位移最大值出现在第 5 层 1 号点处，约为 5.0mm；相比 2伊2分体柱，3伊3 分体柱与钢套筒的滑移明显减少；同时，随着柱顶位移荷载的增大，各点的位移增量逐渐降低；第三层柱的 15 号点由于受弯时钢套筒的支撑作用，位移变化较第二层明显降低。2.5 3伊3 分体柱节点截面 Z 方向应变（图 10）由图 10 可知，3伊3 分体柱第一、四、五层 Z 方向应变曲线相似，1-13 点应变几乎都为正拉应变，而 14、15 点的应变为负压应变，随着柱顶 Y 方向位移荷载施加，截面中拉压应变都逐渐增大，最大拉应变出现在第四层 6 号点处，约为 0.0024，最大压应变出现在第一、四层 15 号点处，约为 0.00065；第二层、第三层由于钢套筒约束及套筒边缘处受弯支撑点的影响，应变出现突变现象，且当柱顶位移大于等于 35mm 时，第二层与第三层 Z 方向部分点的拉应变急剧变大。Value Engineering图10 3伊3分体柱节点截面Z方向应变2.6 3伊3 分体柱节点截面 Z 方向应力（图 11）价值工程图12 4伊4分体柱节点截面Z方向位移图11 3伊3分体柱节点截面Z方向应力由图 11 可知，3伊3 分体柱 Z 方向应力以受压为主，随着柱顶位移的增大，压应力也随之增大，由第五层 Z 方向应力可知，柱顶位移为 5mm 时，1 号点的拉应力接近峰值，随着位移的增大，拉应力反而减小；随着柱顶位移的增大，14、15 号点压应力急速变化，压应力明显大于其余各点，前两柱截面应力变化相似，压应力皆小于受压侧柱的14、15 号点，说明在受弯作用下，装配式 3伊3 分体柱中主要依靠受压侧提供压应力平衡结构。2.7 4伊4 分体柱节点截面 Z 方向位移（图 12）由图 12 可知，4伊4 分体柱截面中单个分体柱各点 Z方向位移呈线性变化，各层 1-14 号点位移随着柱顶位移的增大而增大，每根小分体柱的受拉侧点的位移都大于该小分体柱其他位置的点，各小分体柱位移均从受拉侧往受压侧逐渐减小；Z 方向位移最大值出现在第 5 层 1 号点处，约为 4.4mm。相比 2伊2 分体柱，4伊4 分体柱与钢套筒的滑移明显减少；整体位移变化规律较为接近，说明 4伊4 分体柱的整体性较好。2.8 4伊4 分体柱节点截面 Z 方向应变（图 13）由图 13 可知，4伊4 分体柱第一、四、五层 Z 方向应变Value Engineering图13 4伊4分体柱节点截面Z方向应力曲线相似，随着柱顶 Y 方向位移荷载施加，截面中拉压应变都逐渐增大，最大拉应变出现在第四层 2 号点处，约为0.0021，最大压应变出现在 15 号点处，约为 0.0003；第二层、第三层由于钢套筒约束及套筒边缘处受弯支撑点的影响，应变出现突变现象，第二层中前三根柱拉应变明显大于第四根，同时也大于第三层中前三根柱子，而第三层的应变规律与第二层相反。第四根小分体柱的受拉侧方向点拉应变远大于前三根柱。2.9 4伊4 分体柱节点截面 Z 方向应力（图 14）由图 14 可知，4伊4 分体柱 Z 方向应力以受压为主，随着柱顶位移的持续增大，各点压应力也随之增大，由第五层Z 方向应力可知，柱顶位移为 5-15mm 时，拉应力接近峰值，随着位移的增大，拉应力反而减小，这是由于混凝土本构特性决定的，混凝土受拉达到峰值之后，拉应力逐渐降低；从受拉区往受压区靠近，各小分体柱截面压应力最大值逐渐增大；与 2伊2、3伊3 柱截面应力不同，4伊4 各小分体柱截面应力变化较为一致，说明在受弯作用下，装配式价值工程图14 4伊4分体柱节点截面Z方向应力4伊4 分体柱中应力分布较为平缓，整体性更强于 2伊2、3伊3分体柱，依靠各柱共同应力平衡整体节点。3 结论淤2伊2 分体柱在抗弯时，截面位移变化出现滑移现象，此现象在 3伊3、4伊4 截面中较为轻微，2伊2 分体柱在抗弯滑移最大值约为 3.6mm，这是由于 2伊2 分体柱中各柱之间的整体性弱于 3伊3、4伊4，不同截面组合形式的分体柱中，随着柱顶位移的增加，分体柱中不同点的位移呈线性变化，各小分体柱位移均从受拉侧往受压侧逐渐减小，受拉区位移较大，受压区位移几乎不变。于第一、四、五层中应变对于套筒的影响较小，截面应变规律基本一致，各小分体柱基本符合平截面假定，且每根小分体柱存在自己单独的中性轴，第二、三层由于钢套筒的约束、钢套筒的摩擦与受弯时套筒边缘支撑等影响，截面应变发生突变，对于装配式分体柱截面组合形式不同时，第二层截面分布为受压侧柱的拉应变小于其余各柱，该现象在 3伊3、4伊4 截面中尤为明显，第三层截面应变分布恰恰相反，受压侧柱的拉应变大于其余各柱。盂装配式分体柱节点的应力分布以压应力为主，当柱顶水平位移较小时，混凝土拉应力接近受拉峰值应力，随着位移的增大，拉应力反而减小，拉应力达到峰值之后混凝土进入开裂阶段；对于 2伊2、3伊3 分体柱，受压侧截面压应力迅速变化，其应力值明显大于其余各点，即说明，在该截面形式下，混凝土受弯作用产生的轴向拉压力主要由受压侧分体柱柱提供，从受压侧往受拉侧靠近时，各小分体柱截面同位置的压应力值逐渐减小，拉应力逐渐增大，2伊2、3伊3 柱截面压应力衰弱不同于 4伊4 柱，4伊4 柱截面中压应力衰弱缓慢，而 2伊2、3伊3 柱截面压应力急速下降，在受弯作用下，装配式 4伊4 分体柱中应力分布较为平缓，整体性更强于 2伊2、3伊3分体柱，依靠各柱共同应力平衡整体节点。参考文献院1郝永昶，胡庆昌，徐云扉，等.应用分体柱改善短柱（高轴压比）抗震性能的试验研究J.建筑结构学报，1998（06）：2-11.2李忠献，郝永昶，张建宇，等.钢筋混凝土分体柱框架梁柱中节点抗震性能的研究J.建筑结构学报，2001（04）：55-60.3李炳益，袁泉，王伟，等.钢筋混凝土与型钢混凝土分体柱的滞回性能试验研究J.武汉大学学报（工学版），2008，41（S1）：23-27.4王松山.分体柱架空层隔震机理研究D.湖南工业大学，2017.5王海东，龚益龙，蒋德松，等.设置分体柱地铁车站抗震韧性数值模拟J.土木工程与管理学报，2023，40（02）：1-6.6Liu Jianhua,Liu Yunlin,Yu Dehu.Experimental andNumerical Studies on the Seismic Performance of NewAssembledConcreteFrameBeamColumnJointsJ.Buildings,2023,13(2).7Guan Minsheng,Xiao Jiaguo,Wang Ying,et al.Seismicbehavior of innovative precast hybrid steel reinforced concretebeam-column connectionsJ.Journal of Constructional SteelResearch,2023,203.8Huang Xinghuai,Xu Zhaodong,Xiao Hanjie.ExperimentalStudy on Seismic Behavior of Damaged Beam-Column JointsRetrofitted by Viscoelastic Steel-Enveloped Elements J.Buildings,2023,13(3).9Zhang Yang,Ma Wei,Li Xin,et al.Experimental Researchon Seismic Behavior of Haunched Concrete Beam Column JointBased on the Bolt Connection 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