装配式柱构件节点的抗剪性能研究

倪 静 秦皇岛金洋建设集团有限公司

1 相关概念和研究内容

1.1 概念介绍

（1）装配式结构。装配式结构是装配式混凝土结构的简称，是以预制构件为主要受力构件经装配、连接而成的混凝土结构。按照类别可划分为：全装配式和半装配式两种。

装配式结构可以连续地按顺序完成工程的多个或全部工序，从而减少进场的工程机械种类和数量，消除工序衔接的停闲时间，实现立体交叉作业，减少施工人员，从而提高工效、降低物料消耗、减少环境污染，为绿色施工提供保障。另外，装配式结构在较大程度上减少建筑垃圾，约占城市垃圾总量的30%～40%，如废钢筋、废铁丝、废竹木材、废弃混凝土等。

（2）梁柱节点。梁柱节点主要指梁柱构件重叠的区域，是梁柱交汇的节点区域，抗震设计时，对节点核心区的抗剪承载力有特殊规定与限值，以保证节点的可靠性。

具体框架节点核心区的截面高度可取验算方向的柱截面高度，框架节点核心区的截面有效宽度，梁柱中线重合时，当梁宽不小于答柱宽的一半时即为柱宽，当梁宽小于柱宽的一半时，可取梁宽加二分之一的柱宽，梁专柱中线不重合时另有特殊规定。

（3）抗剪力。所谓剪力（Shear Force）就是：作用于同一物体上的两个距离很近（但不为零），大小相等，方向相反的平行力。而本文中研究的柱构件节点的抗剪力有其相应的验算公式。

1.2 研究内容

本文针对装配式梁柱节点模型进行力学性能的研究，具体内容包括：首先，运用有限单元法建立新型的装配式梁柱节点模型；然后针对装配式梁柱节点有限元分析模型进行梁柱节点的自振特性分析，研究模型型的轴压比、混凝土强度、预应力等参数对梁柱节点的基频和振型的影响。

2 有限元模型的建立

2.1 建立有限元模型

（1）有限单元的选取。本文选取SOLID65作为混凝土单元、以SOLID185作为梁端处的钢板箍单元，钢筋单元和梁柱连接处的钢板方面，分别选择的LINK180与SHELL181单元，在栓杆上添加预应力时，选取的是 PRETS179单元。

（2）有限元模型的尺寸。模型中，采用预应力螺栓的方式对梁柱节点进行连接。在梁端应用工字形的钢板箍，其厚度为4mm。选择强度为C40的混凝土，且工字型梁的截面尺寸为：高450mm，宽bf=380mm，腹板的厚度为b=110mm，翼缘的厚度为hf=150mm，梁端端板的长宽高分别为30mm、710mm和400mm。

（3）建立装配式梁柱节点有限元模型。根据上述模型中数据，进行模型的力学简化和建立有限元计算模型和钢筋混凝土梁柱节点结构内钢筋。

（4）网格的划分。在对装配式模型进行网格划分时，主要是在对整体进行钢筋和混凝土划分之后，对螺栓进行局部划分。

2.2 模型计算

在模型计算之前，需要进行边界条件加载，我们参考实验的数据，将梁长度、高度和垂直于柱且朝外的方向分别设置为X轴、Y轴和Z轴。在模拟加载过程中，选择在柱端施加竖向荷载；在水平方向，用力的函数的方式进行加载，加载过程中设计的数值，参考试验的数据，最终得到装配式钢筋混凝土梁柱节点的计算模型。

3 梁柱节点模型的模态分析

3.1 模型结构的自振特性

模型中的混凝土强度为C40，重力加速度取9.8N/kg。选取结构模态分析的前二十阶频率，统计数据如表和前二十阶自振频率的统计图，如表1所示。

表1 装配式结构结构前20阶的自振频率 f/Hz

通过结构模态分析过程可以得知：装配式节点的振型主要是以平动为主，弯曲振型、扭转振型分别出现在第七阶、第十八阶，而破坏振型相对滞后。

3.2 结构参数对自振频率的变化分析

（1）轴压比的影响。轴压比可以通过改变斜压杆的主压应力的大小等条件，对节点的抗震性能及核心区的力的传递产生比较大的影响。我们也可以通过限制轴压比的方式，对结构延性的变化进行控制。

式中：

u——轴压比，对非抗震地区，u=0.9；

N——轴力设计值；

A——截面面积；

本文主要通过分别取轴压比为 0.2、0.4、0.6，分析在不同轴压比的情况下构件的振型频率，通过结构的前20阶振型频率统计可知：当结构只改变轴压比时，结构的模态变化很小。

（2）混凝土强度的影响。本文选取强度为C30、C40、C60的混凝土，分析在不同混凝土强度下的构件的自振频率。其结构基频分别为37.509/Hz、27.351/Hz和20.126/Hz，通过得出对不同混凝土强度前20阶频率可得：结构的基频随与混凝土强度成反比，而当混凝土强度发生递增变化时，结构的整体频率会有所降低，也就是说结构混凝土强度与整体结构的刚度成正比。

（3）预应力的影响。当有预应力时，结构基频为27.351/Hz，没有预应力时，结构基频为为118.64/Hz。通过对有、无预应力时前20阶频率分析可得：施加预应力与结构的基频成正比，而与结构的整体频率成反比，这说明添加预应力在一定程度上会增强结构的刚度和梁柱节点处的强度，进而增强结构的整体刚度。

4 装配式钢筋混凝土梁抗剪承载力分析

4.1 混凝土强度对梁抗剪性能的影响

在轴压比为0.4的装配式模型下，依次改变混凝土的强度值为 C30、C40、C60，通过对装配式梁柱节点模型进行有限元分析，并根据分析结果得到装配式模型在不同混凝土强度时的极限抗剪强度。

通过对装配式钢筋混凝土梁柱节点，在不同混凝土强度下的有限元模拟可知，当模型受到循环荷载的作用下，梁发生的破坏主要是斜截面的剪切作用。

4.2 箍筋强度对梁抗剪性能的影响

在轴压比为0.4的装配式模型下，改变模型的箍筋强度值，分别为600MPa、800MPa、1100MPa。通过对装配式梁柱节点模型进行的有限元分析，通过分析结果可得到装配式模型在不同箍筋强度时的极限荷载曲线。

由模拟所得的不同箍筋强度下的极限抗剪强度曲线可知：当箍筋强度增大时，箍筋能够承担一部分剪力的作用，并能够有效地抑制裂缝的开展和延伸。箍筋强度越高，梁的抗剪承载力越大。

5 结束语

本文通过建立有限元模型，对梁柱节点的自振特性和自频率进行了分析，并在此基础上，通过在不同混凝土强度和不同箍筋强度的情况下，对装配式钢筋混凝土梁的抗剪性能进行了有限元分析。