装配式预应力梁柱节点抗震性能分析

单豪良

摘 要：为促进建筑工业化和住宅产业化，进行预制装配式剪力墙结构中间层边节点的抗震性能试验研究。对2个现浇试件和3个预制装配试件进行ANSYS理论分析，考虑到有限元方法的局限性，分析采用正向单调加载模式，并结合对比试验结果来近似评价节点在低周反复荷载作用下的抗震性能。有限元分析结果与实测结果能较好地吻合，可用来评价其抗震性能。

关键词：预制混凝土；剪力墙；节点抗震；有限元方法

【文章编号】1627-6868（2016）05-0010-03

Abstract： To promote building and housing industrialization， seismic behavior test was carried out for new precast concrete shear wall structures（PC）. Theoretical analysis was done using ANSYS with two cast- in- situ and three PC specimens. Considering the limitation of finite element method，monotonic load mode was adopted to approximately evaluate the seismic behavior of joints under low-cyclic reversed load. The finite elementanalysis result agrees well with the test and can be used for evaluating the seismic behavior.

Keywords： precast concrete； shear walls； joints seismic； finite element method

引言

近年来，在国家大力倡导“低碳经济”、“绿色建筑”概念的驱使下，建筑工业化和住宅产业化工作在全国范围进行普遍推广。装配式混凝土结构是建筑工业化的一种重要形式，同时，由于剪力墙结构的多种优越性，而在我国面广量大的住宅建筑中得到了大量采用，因此，两者相结合所形成的装配式混凝土剪力墙结构成为我国当前的研究热点。预制混凝土剪力墙单元通过局部现浇、主要墙竖向钢筋预留金属波纹管浆锚连接以及梁、板叠合浇，形成整体的型预制装配式剪力墙结构（Precast Concrete，以下简称PC）是适应我国国情的种住宅结构形式。

预制混凝土剪力墙构件竖向受力钢筋连接技术是直接决定装配式混凝土剪力墙结构整体抗震能力的关键，多种连接技术包括浆锚搭接连接、 套筒灌浆连接等的装配式混凝土剪力墙构件的抗震性能成为当前主要的研究内容， 国内开展了大量相关试验及理论研究， 积累了一定成果和经验[1-6]。但目前，对波纹管浆锚搭接连接技术的新型混凝土混合装配式结构研究较少。特别是关于波纹管浆锚搭接连接技术的新型混凝土混合装配式结构的有限元模拟计算未见相关研究。

1.有限元介绍

低周反复荷载试验涉及到混凝土的开裂以及裂缝闭合、混凝土局部压碎、钢筋的包辛格效应、钢筋与混凝土之间的黏结退化以及混凝土和钢筋的应力刚化等非线性及塑性因素， 目前仍然没有一个有限元软件能精确模拟出结构在低周反复荷载作用下的受力全过程。

本文在兼顾计算精度和效率的基础上，结合有限元分析软件ANSYS，并从节点低周反复荷载试验的骨架曲线出发，即仅模拟节点的正向单向加载，直至破坏，以此对节点破坏全过程进行近似分析，分析认为，只要弹性阶段有限元计算得到的荷载-位移曲线与骨架曲线逼近， 即可认为该模型能足够准确反映节点的实际受力状态，可作为代表性模型，并以此模型探讨PC节点构造优化。

2.有限元模型建立

由于模型仅考虑弹性阶段的精确性， 因此不考虑钢筋与混凝土的黏结滑移；试验中新老混凝土强度等级一致并都经过了足够长时间的养护期，且全部试验均未发现新老混凝土界面滑移和破坏，并且预制、后浇混凝土强度相差1MPa，为方便建模，不考虑两部分混凝土龄期和强度差异的影响；同时由于墙梁以及板内配筋比较均匀，混凝土单元采用带筋的Solid65单元，建立现浇试件的整体式模型 混凝土本构关系采用多线性等向强化模型MISO，不考虑其抗拉强度，抗压应力-应变曲线采用混凝土结构设计规范（GB50010-2010）附录推荐单轴受压的应力-应变曲线数学模型，并根据实测混凝土极限抗压强度标定其中所需参数，破坏准则采用 Willam-Warnker五参数准则，不考虑混凝土压碎 钢筋本构关系采用双线性随动强化模型BKIN，抗拉强度采用实测值，应力-应变曲线屈服后为水平段，即不考虑钢筋屈服后强化，可近似考虑包辛格效应。

由于ANSYS workbench支持外部模型导入，本文分析模型的几何模型建立主要AutoCAD中完成，CAD中的三维模型如图2所示。在中将试验构件分成梁、柱、砂装和预应力筋四块实体，其中梁柱材料类型为混凝土，忽略掉其中普通钢筋的作用；在梁柱、砂装实体中开洞，洞口直径略大于预应力筋的直径，在导入CAD后，取消梁柱、砂浆和钢筋之间系统默认的接触面，从而实现预应力筋无粘结性能的模拟；在加载、施加约束以及钢筋筋两端设置刚性塾板，以防止应力集中。

3.计算结果分析比较

骨架曲线表征节点恢复力与变形的关系以及在低周反复荷载作用下的变形过程， 是节点抗震性能的重要体现。现浇试件以及PC试件试验实测骨架曲线与有限元计算曲线的对比见图4

由图4可以看出，初始阶段即屈服前，节点处于弹性阶段塑性未充分发展，节点非线性因素不明显，有限元计算曲线能较好地吻合实测曲线；至加载后期即屈服后，特别是接近极限荷载时，随着混凝土开裂加剧和局部压碎 节点附近受拉钢筋与混凝土黏结退化钢筋处于反复拉压状态的包辛格效应等各类非线性和塑性因素的影响越来越显著，而这些因素对节点承载力都有一定的削弱作用，虽然实际钢筋的应变硬化理论上可继续提高节点承载力，但综合各种因素，提高幅度非常有限，表现在图4中屈服后骨架曲线较平缓。另一方面，有限元模型没有考虑钢筋的应变硬化，仅是对钢筋的包辛格效应的一种近似考虑，仍然不能充分考虑前述各因素对节点承载力的影响，因此，屈服后有限元计算值仍有较多提高，表现在图4中计算曲线较实测曲线有一较陡 较长的上升段， 造成有限元计算值较实测值偏大 但是， 计算曲线的整体趋势和实测曲线一致 可以用单调加载下的荷载-位移曲线来近似评价节点在低周反复荷载作用下的受力性能。

特征荷载实测值与有限元计算值的对比见表1。

4.结论

节点屈服荷载有限元计算值与实测值较接近，而极限荷载分别提高了约30%和50%，说明低周反复荷载作用下对节点极限承载力影响较大，而对节点屈服荷载影响不大。

极限荷载有限元计算值与实测值比较的平均误差现浇试件为49%，大于PC试件的29.63%。分析认为，加载后期更靠近截面中部的连接钢筋开始发挥作用，使得PC试件屈服后实测承载力得到较现浇试件更大的提高。

PC试件较现浇试件屈服荷载极限荷载分别提高了约31.9%和23.2%，但是，由于连接钢筋的存在，用钢量比现浇试件高，但相对于试件承载力的提高来说用钢量增加不大，并可通过工业化制作与安装效率的提高来降低造价。

参考文献

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