新型钢骨接头钢筋混凝土中节点力学性能有限元分析

盛汝健, 黄慎江

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年我国在各地大力推进装配式建筑的发展。以合肥市为例，设立总体建设目标，力求在2020年将装配式建筑面积突破千万平方米，并让全市在建装配式建筑关键岗位从业人员培训上岗率达100%[1]。而在安徽省，近日出台的《关于促进装配式建筑产业发展的意见》明确提出，到2025年，各设区的市培育或引进设计施工一体化企业不少于3家，并形成集设计、生产、施工于一体的装配式建筑企业；全省培育50个以上省级装配式建筑产业基地、装配式产业园，力争装配式建筑达到新建建筑面积的30%，基本形成立足安徽、面向长三角的装配式建筑产业基地[2]。结合钢骨混凝土节点的承载力强、延性等力学性能好，因此有学者针对预制装配式混凝土结构界定连接的便捷性，研发了几种螺栓连接。本课题根据现有研究成果，通过ABAQUS有限元软件建立一种新型预制装配式钢骨接头钢筋混凝土节点来研究钢骨接头中节点力学性能。

1 钢骨接头钢筋混凝土节点构造

预制装配式钢骨接头钢筋混凝土边节点，其具体梁柱配筋图及梁柱钢骨接头尺寸如图1所示。

图1 节点配筋示意和钢骨尺寸

在梁端、柱端预埋一段长度的钢骨，一端与纵向受力钢筋焊接埋入混凝土，即为工厂预制加工部分，露出的一端方便现场通过螺栓进行节点连接，再进行现场浇筑。这种节点最大优点就是施工方便、速度快，梁柱主体工厂预制，易于保证质量，其节点连接多为螺栓连接，方便快捷，节点的现场施工质量也可得到保障。所以对该节点进行性能研究，对我国装配式建筑产业发展具有重要意义。本文运用ABAQUS有限元分析软件进行非线性有限元分析，主要研究该节点的承载力及其影响因素。

2 有限元模型

2.1 钢骨接头钢筋混凝土节点设计

本文采用ABAQUS有限元软件建立数值模型，如图2所示。

图2 节点设计示意图

利用有限元软件建立数值模型，对该边节点与普通钢筋混凝土边节点抗震性能对比分析，其具体参数设置见表1。

表1 各类型节点工况设计

本文节点所用纵筋均采用HRB400钢筋；所有箍筋均采用HRB300钢筋；预埋钢骨钢材牌号为Q345B；所有螺栓均采用10.9级的M20高强螺栓，具体配筋见表2。

表2 梁柱配筋及截面尺寸

2.2 单元选取及网格划分

本文有限元模型中各类钢材与钢筋构件的网格划分如图3所示，其中包括钢筋笼、加载板、端板、钢骨、螺栓和混凝土梁柱。本文模型，除钢筋笼以外的其他部件均采用减缩积分实体单元 C3D8R 模拟。而钢筋笼采用三维桁架线性单元 T3D2 模拟。

图3 节点模型图

2.3 接触关系

本文使用ABAQUS有限元数值模拟包括混凝土与钢筋之间相互作用，混凝土与钢材之间的相互作用，钢筋与钢材之间的相互作用等。其中混凝土与钢筋之间的相互作用设置的接触关系中，混凝土梁柱与钢筋笼之间以及端板、钢骨与混凝土梁柱之间设置为嵌入作用关系。钢筋笼纵筋与梁端钢骨设置为绑定作用关系。

2.4 边界条件和荷载

本文对混凝土梁端面固定x、y方向的转角和z方向位移;对上柱顶面固定y方向的转角和x、z方向的位移，对下柱底面设置完全固定约束。在柱顶施加静力，加载板上部设置参考点，来模拟轴压比;对中节点两边梁端施加方向相反的其梁端加以位移为控制的低周往复荷载，对边节点梁端参考点进行竖直向下的低周往复荷载及加载制度,如图4、图5所示。

图4 中节点荷载和边界条件

图5 施加在梁端的往复加载制度

2.5 本构关系及参数设置

材料的本构关系在ABAQUS有限元分析软件模拟中，对模拟结果的精准性有很大的作用。不同的物质在不同的变形条件下，有着不同的本构关系，也称为不同的本构模型[3]。本构关系可以综合反映结构或者材料的宏观力学性能。在有限元模拟分析中，合理确定材料的本构关系是模型进行非线性计算的基础，可以更加准确地模拟出构件在荷载作用下力学性能。

混凝土单轴拉伸和压缩下的应力应变关系曲线以及钢材受拉下应力应变关系曲线如图6所示。

图6 各材料应力应变关系曲线

3 数值分析结果

3.1 节点应力及破坏形式

通过对ABAQUS有限元软件建立的钢骨接头钢筋混凝土节点模型计算结果分析，本文分析讨论PSRC-1节点试件数值模型破坏模式，与普通钢筋混凝土节点试件RC-1进行对比，如图7所示。

文化圈（cultural circle）是社会学与人类学描述文化分布的概念之一，主要指一系列具有共同文化因素的复合体，该复合体又体现了一定的共同趋势。人们把某几个地域相近、沟通频繁、共同发展成相近文化特征，并且具有共同特征的地理范围划分为同一文化圈。因此，学者把世界划分为五大文化圈，即东亚文化圈、西方文化圈、印度文化圈、东欧文化圈和伊斯兰文化圈。中国和东南亚国家则属于大的东亚文化圈范围，而对于区域内加强合作与信任，共同抵御西方文化的渗透，还需要构建一个强大稳定的泛北部湾文化圈。

图7 典型破坏模式

ABAQUS有限元软件中，Mises应力能够准确地反映模型部件主应力的大小，可以用来判断材料的应力状态；在往复加载过程中，结构塑性应变累积的结果可以用等效塑性应变PEEQ来反映，通过云图可以轻易地判断试件的裂缝发展情况以及破坏形态。从图7可以看出，在梁端往复荷载作用下，钢骨接头钢筋混凝土中节点SRC-1的破坏位置在钢筋混凝土段和柱上钢骨接头过渡处，而对照组普通钢筋混凝土中节点TRC-1的破坏位置则发生在梁柱节点核心区。钢骨接头钢筋混凝土中节点因为钢骨的存在，有效地保护了节点核心区。

3.2 滞回曲线

滞回曲线能够反映结构或构件在低周反复荷载中，变形性能、刚度退化、节点耗能能力及滞回性能等[4]。如图8所示。因此，滞回曲线可以很好地综合反映节点的力学性能。

相对比普通钢筋混凝土中节点试件TRC-1,钢骨接头钢筋混凝土中节点试件SRC-1中的钢骨承担了较大部分荷载，因此滞回曲线更加饱满。同时，钢骨接头钢筋混凝土节点的塑性变形能力比普通钢筋混凝土节点更强，具有良好的变形能力。

3.3 承载力退化

节点承载力退化是指在低周往复荷载作用下，节点在进行同级位移加载时每进行一次循环加载后承载力降低的速率[5]。其曲线如图9所示。

b.TRC-1

图9 承载力退化曲线

从图9可知，此试件SRC-1的破坏荷载较极限荷载下降很少，此外与TRC-1相比，钢骨接头钢筋混凝土试件SRC-1由于内置钢骨的承载能力较高，试件在达到极限荷载后仍具有一段较长的水平阶段，说明钢骨接头钢筋混凝土节点具有较好的延性。而作为对照试验的普通钢筋混凝土节点TRC-1的承载力退化明显，因此相较于钢骨接头钢筋混凝土试件SRC-1节点延性较差。

3.4 刚度退化

刚度退化作为结构抗震性能的重要组成部分，能够反映结构损伤的累积。试件刚度退化的原因有：混凝土裂缝不断发展、等梁柱节点组合体开裂后的弹塑性性质、钢材与混凝土之间的黏结滑移等。刚度退化可以用环线刚度Kj来衡量[6],如图10所示。

图10 刚度退化曲线

图10为节点环线刚度Kj随加载位移级别(△/△y)的变化情况。从图10可以看出,SRC-1和TRC-1试件的刚度均为初始阶段较大，随着变形的增加，试件的刚度均逐渐减低。钢骨接头混凝土构件SRC-1比普通钢筋混凝土TRC-1的节点刚度退化更加平缓，退化速度更慢，强度保持更好。

3.5 节点延性

延性是指结构或构件破坏前能承受的最大变形能力，也就是构件或结构的承载能力在某一截面屈服后没有明显下降前的变形能力[7]。

本文采用梁端极限位移和屈服位移的比值，即位移延性系数来表示构件延性：

(1)

式中:δu为试件荷载-位移骨架曲线下降段中对应0.85Pu的位移值;δy为试件屈服位移[8]。

按照上述方法得到本文试件的位移延性系数见表4。

表4 位移延性系数对比

由表4可知，钢骨接头混凝土中节点试件的平均位移延性系数大于3.1。研究表明，钢筋混凝土结构位移延性系数应大于3.0。因此钢骨接头混凝土中节点具有较好的延性。

在低周往复荷载作用下，钢骨接头钢筋混凝土中节点的极限承载力和极限位移，相比普通钢筋混凝土中节点均大幅提高，因此钢骨接头钢筋混凝土中节点不仅可靠稳定，还显著提高了节点的承载能力。

4 结 论

本文通过ABAQUS有限元软件对数值模型的模拟，得出以下结论：

(1)通过试件中各材料的各循环加载阶段应力云图，混凝土等效塑性应变的分析，可以对比出钢骨接头钢筋混凝土中节点试件SRC-1的破坏位置位于钢骨接头段与钢筋混凝土段交接处，钢骨接头的存在，有效地提高了钢骨接头钢筋混凝土中节点试件SRC-1节点核心区的整体刚度，使得节点未发生破坏。而作为对照组的普通钢筋混凝土中节点试件TRC-1破坏位置在节点核心区。

(2)在梁端往复低周荷载作用下，相比普通钢筋混凝土中节点TRC-1，钢骨接头钢筋混凝土中节点试件SRC-1具有较高的承载力和良好的延性，以及更强的变形能力。

(3)在同级荷载作用下，相比普通钢筋混凝土中节点TRC-1,钢骨接头钢筋混凝土中节点试件SRC-1的刚度退化趋势较慢，以及刚度保持性能。

(4)综上所述，钢骨接头钢筋混凝土中节点具有良好的力学性能，可在工程中推广使用。