装配式混凝土框架钩挂式中柱节点的数值模拟研究

常中权　李松波　谷伟

摘  要：通过装配式混凝土框架钩挂式中柱节点的前期试验数据，利用ANSYS软件构建模型并进行有限元分析。通过对多种参数进行调试和低周往复荷载模拟，得出与实际试验相似的结果。结果表明，摩擦系数、裂缝系数、本构关系、约束、边界条件和接触对等参数是试验重点调节的数据，通过不断调试这些参数，得出与试验相一致的试验结果。通过非线性数值模拟得到相近的最不利点，研究最不利点对实际构件有一定的指导作用，由此变换构件样式或参数，降低最不利点的不利影响。

关键词：装配式混凝土  中柱节点  数值模拟  ANSYS

中图分类号：TU352.11;TU375.4        文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0052-04

Abstract： Based on the preliminary test data of hook-and-hang typed midcolumn joints for prefabricated concrete frame， the model is built and the finite element analysis is carried out by using ANSYS software. By debugging various parameters and simulating low cycle reciprocating load， the results are similar to the actual test. The results show that the friction coefficient， crack coefficient， constitutive relation， constraint， boundary condition and contact equivalent parameters are the key adjustment data for the test. By continuously adjusting these parameters， the test results consistent with the test are obtained. The most unfavorable points are obtained by nonlinear numerical simulation. The research on the most unfavorable points has a certain guiding role for the actual components， so as to change the component styles or parameters， and reduce the adverse effects of the most unfavorable points.

Key Words： Prefabricated concrete; Midcolumn joints; Numerical simulation; ANSYS

裝配式建筑的研究应用，得益于我国城镇化建设的发展与可持续战略的部署[1]。装配式的梁柱节点连接形式是装配式混凝土框架结构研究的重点，谷伟      等[2]提出了一种钩挂式连接节点形式，设计并制作了5个不同对比参数的节点试件，开展低周往复试验研究，分析了试件关键部位的钢筋和混凝土应变、延性系数、滞回曲线、承载能力和破坏形态。结果表明， 钢筋钩挂连接处的应变速率变化趋势大体均匀，随荷载增加，应变数值增大，表明节点能有效传递内力，工作性能良好。节点试件骨架曲线走势基本一致，表明节点具有良好的耗能能力和延性性能;试件节点的薄弱部位是在混凝土后浇区与预制节点边梁接缝处，此处容易发生破坏，节点核心区基本完好， 延性系数较高，滞回曲线较为饱满，符合强节点抗震设计理念。

1  模型参数

1.1 试件参数

如图1所示[2]，根据文献[2]的试件设计，为十字形梁柱组合体，本模型选取其中典型的XGJ-2试件进行模拟，横截面尺寸为b×h=0.2m×0.4m，梁段一端的跨度为L=0.7m，梁的上部纵筋为2φ18，下部纵筋为3φ20，预制混凝土强度等级为C30，后浇区混凝土强度等级为C35，箍筋采用φ8@100，钢筋保护层厚度为0.04m。

1.2 材料性能

通过文献[2]对模型试件的钢筋材料和混凝土试块实测的力学性能指标，得到C30和C35混凝土的弹性模量分别为31300 MPa和31600 MPa，钢筋的实测结果如表1所示;再根据《混凝土结构设计规范》（GB/T 50010—2010）的相关规定，将混凝土受拉压的本构关系进行推算，结果如图2和图3所示。

1.3 模拟加载方案

本模型利用ANSYS有限元分析软件，对钢筋混凝土结构进行分离式建模[3]，对试件XGJ-2的建模步骤如下。

（1）打开软件，进入前处理器，分别定义箍筋、上部纵筋、下部纵筋为LINK8的单元类型，定义预制砼、后浇砼为SOLID65的单元类型。

（2）根据相应钢筋的截面积，填写实常数，并且赋予混凝土一个空的实常数，便于后期材料参数的指定。

（3）定义材料属性，根据文中给出的图表，分别为三种钢筋设置相应的弹性模量、泊松比、屈服强度;再为预制砼与后浇砼设置相应的弹性模量、泊松比、密度、本构关系;剪切传递系数中，开缝系数设置为0.4，闭缝系数为0.95[4];单轴抗拉强度根据图表设置;为了便于计算收敛，不考虑压碎情况，将单轴抗压强度设为-1[5]。

（4）在相应的单元类型、材料、实常数的编号之下，分别将各个部件，按模型尺寸绘制出来，如图4所示。

（5）对模型进行单元网格划分，对预制砼与后浇砼接触位置网格细化，对梁端和構造柱的位置网格粗化，以优化模型计算。

（6）设置好约束、边界条件、接触对，施加低周往复荷载。将柱顶设置三维方向位移约束，为了避免局部出现应力集中，将1500kN的恒定轴压力平均分散到柱顶的每个节点上;柱底设置约束，（按图4）只留Z方向弯矩自由度。左右梁端实施往复拉压加载，加载点距离柱边缘0.6m，同时把集中力平分到每个节点上;为了便于计算和贴近实际操作，设置以5kN为级差加载，每级加载循环两次，循环一次用时2s，试件加载到梁纵筋刚好承受120kN（试验屈服点）时，改用位移控制加载，以2mm为级差加载，每级加载循环两次，当加载到10mm后，设定为结束条件。

2  数据对比

通过后处理，得到相应的模拟数据。如图5（a）（b）所示，试件右边梁的破坏模拟形态与实际相类似，破坏位置均发生在梁柱节点到预制-后浇接缝处，裂缝分割出三块区域：左区、右区和中下区。其中，左区压碎程度严重，中下区次之，右区较轻，这与Mises等效应力分布图反映的情况相一致。在模拟加载T=20s时，第一道裂缝开始出现在左区，随着时间的步进，开始慢慢在中下区出现裂缝，在模型加载到T=95s时，形成最终的裂缝形态，此时应力分布云图中的纵筋位置已达到屈服强度，这与现实构件的试验现象类似。

如图5（c）（d）所示，模拟的滞回曲线为弓形，而实际试验的滞回曲线为捏缩较大的Z形，模拟的滑移影响要比试验的影响小，也比试验的形状饱满，塑性变形能力也较强，节点低周反复荷载试验研究性能较好，能较好地吸收地震能量[6]。表明构造的模型与实际构造的钢筋混凝土构件试验还存在未知的情况，比如实际的混凝土构件并不一定是平整的轮廓，钢筋的布置也不会是完全笔直的排布，这些都是不可避免的差距。然而，模型与中柱试件的骨架曲线与实际的曲线相一致，表明对实际试验的模拟，可以得到相近的最不利点，通过最不利点展开研究，对实际的构件起到了一定指导作用，由此变换构件样式或参数，降低最不利点的不利影响。

3  结语

（1）通过Mises等效应力分布图、裂缝视图、滞回曲线等模拟数据，结合试验得到对比组图，由组图对比可知，通过比较贴近现实的有限元分析，可以得出相似的结论，但由于实际构造的钢筋混凝土构件试验存在未知情况，导致仿真与现实存在差距。

（2）摩擦系数、裂缝系数、本构关系，以及约束、边界条件和接触对参数是试验重点调节的数据，通过不断调试这些参数，得出与试验相一致的试验结果。

（3）如果模拟方法正确，各种参数设置适当，会得到贴近现实的效果。通过模拟得到相近的最不利点，研究最不利点对实际构件有一定的指导作用，由此变换构件样式或参数，降低最不利点的不利影响。最终，结合实际施工的可行性，可以进一步深化，得到更为适合的构件样式。

参考文献

[1] 常中权，李松波，谷伟.装配式混凝土结构抗震研究综述[J].科技创新导报，2019（7）：39.

[2] 谷伟，张馨心，李中培，等.装配式混凝土框架钩挂式中柱节点抗震性能研究[J].建筑结构，2019， 49（11）：33-37.

[3] 杨超.基于ANSYS的钢筋混凝土简支梁有限元分析[J].江西建材，2016（24）：15.

[4] 于冬，唐洪岩，马文一，等.基于ANSYS的CRTSⅢ型轨道底座板混凝土施工裂缝分析[J].铁道科学与工程学报，2019（8）：1897-1904.

[5] 李霆，张慎，徐子豪，等.带分段式连梁的钢筋混凝土联肢剪力墙拟静力试验及数值模拟[J].土木工程学报，2020（4）：38-49.

[6] 孙章腾，雷劲松.半刚性节点连接钢框架的抗震性能研究[J].平顶山学院学报，2016（2）：34-38.