新型半刚性梁柱干式连接节点抗震性能研究

丁克伟 李兴龙 韩苗兰

(安徽建筑大学 土木学院，合肥 230601)

引言

建筑工业化在政府的大力推动下，快速发展，装配式建筑成为建筑结构发展的趋势之一。目前广泛采用的现浇装配式梁柱节点，由于施工难度大、周期长，制约着装配式建筑的发展，研究新型装配式梁柱节点势在必行[1]。对此，国内外学者进行了广泛研究，如李向民[2]等利用一种新型低屈服高延性连杆在装配式节点对抗震性进行改善； 使用预埋十字形带螺栓孔连接构件的混凝土装配式节点[3]。Qishi Yan[4]等提出将柱端预留钢筋与梁端预留贯穿孔洞进行穿插锚固干式连接方法等丰富了装配式节点结构体系。广州大学周云教授[5]将消能减震技术应用在装配式框架上。张纪刚[6]等提出即插即用耗能装置与装配式框架组合成消能减震体系； 吴福健[7]等提出基于位移放大装置的扇形铅粘弹性阻尼器。

本实验提出的牛腿支撑T形端预制梁，使用八根承压高强螺栓穿过梁端挑耳和柱连接形成半刚性干式连接节点。梁端支撑在牛腿上，震后拆卸及更换方便，结构修复快。进一步在牛腿上设置抗震阻尼器形成耗能节点与装配式框架结构组合成三道抗震防线，通过减震把“强节点”设计引向深入。

1 实验概况

1.1 试件设计

标准柱跨8.4m，柱距8.4m，层高4.2m，基本平面轴网三跨×六跨，取12 层框架结构第7层梁柱边节点为实验原型。C80预制牛腿柱和C40预制梁。主梁部分长×宽×高为3800mm×400mm×750mm，2个梁端挑耳部分长×宽×高为250mm×175mm×750mm，柱子长×宽×高为750mm×750mm×4200mm。抗震设防烈度7度。

(a)A-A截面图 (b)B-B截面图

(c)C-C截面图 (d)D-D截面图图1 新型节点配筋图

图2 配筋位置图

图3 梁的钢筋

实测力学性能分别见表1和表2所示。

表1 混凝土力学性能指标

表2 钢筋的力学性能指标

1.2 试验装置

图4 加载装置模型图

图5 构试件尺寸边界条件

1.3 加载制度

在梁悬挑端施加竖向反复荷载，带动节点弯曲变形，模拟结构体系中节点的抗震性能。实验加载向下推为正，向上拉为负，以5kN为一级； 最后的加载制度为20kN～85kN，-35kN～-100kN。加载至85kN，随着位移增加，外加荷载不升反降，转为位移加载。加载制度见图6，加载装置实物见图7。

图6 梁端加载制度

图7 加载装置实物图

2 试验现象，破坏模式及受力分析

2.1 试件破坏过程及破坏形态

加载初始，构件变形无明显变化，无裂缝出现； 加载至+30kN 时，第一条0.1mm宽度裂缝出现在梁端挑耳与主梁相交的地方； -45kN时，原产生的对应裂缝闭合； +40kN时，接着出现裂缝，梁端挑耳上承压钢板与主梁相交附近裂缝继续加宽，最大裂缝0.15mm，受拉区钢筋，承压钢板和螺栓的应变变大； -55kN时，承压高强螺栓和承压钢板出现形状改变不能全部恢复原样； +75kN时，梁出现很大的变形，0.5mm裂缝出现在预制柱与梁T形端相交地方，节点部位是裂缝的集中区域； 加载至85kN时，随着位移增加，外加荷载不升反降，转为位移加载； 位移加载85mm时，梁T形端裂缝持续增加，梁上裂缝向梁悬挑端一直延伸到梁中部附近随后裂缝不再延伸，裂缝宽度随位移加载而增大。位移控制加载125mm时，承压高强螺栓应力应变曲线出现突变，预制柱与梁T形端相交地方裂缝宽度达12mm，梁端挑耳上钢板与主梁相交附近裂缝宽度达8mm，梁T形端上下区域混凝土被压碎，螺栓和螺帽有较大变形，梁端挑耳与主梁相交附近有穿透裂缝。构件最终破坏如图8所示。

(a)左T形梁端挑耳破坏图 (b)T形梁端破坏图 图8 构件破坏形式

2.2 试验结果与分析

实验现象表明，本实验新型装配式梁柱半刚性节点塑性铰出现在梁上，满足强柱弱梁。梁T形端与牛腿及柱接触面的摩擦阻尼作用、梁端挑耳内纵筋销栓作用、螺栓群的塑性变形使得节点有较好的延性。梁T形端支撑在牛腿上的长度大于250mm，这样即便在大震下连接失效，此实验节点仍然能够防止结构倒塌。

2.3 新型节点梁端挑耳受力机制及特点

梁端挑耳内纵筋穿过主梁，根据实测屈服强度，达到实验屈服荷载后，节点进入塑性阶段，梁端挑耳主要靠纵筋的销栓作用来承担，借助《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1-2014)[9]的理论，对梁端挑耳进行理论计算，与实验梁端挑耳承载力基本吻合。梁端挑耳混凝土开裂前主要靠梁端挑耳与主梁相交处混凝土来抵抗梁端挑耳扭矩； 达到屈服荷载后，主要靠梁端挑耳内纵筋的销栓作用抵抗扭矩； 达到最大承载力时，主要靠梁T形端与牛腿柱接触面的摩擦力偶、梁端挑耳内纵筋的销栓作用以及梁端挑耳断裂截面的骨料咬合力来抵抗扭矩。

3 有限元分析

3.1 单元类型和网格划分

本ABAQUS模型中，装配式梁柱节点的纵筋，箍筋和构造钢筋组成整体钢筋骨架。用Truss单元中T3D2单元来仿真钢筋； 砼，钢板与螺栓都用3D Stress单元中的C3D8R来仿真。实体单元网格大小50mm，钢筋用50mm桁架单元划分。网格划分如图9所示。

图9 网格划分

3.2 接触和加载

钢筋骨架用嵌入接触形式装配到混凝土中，彼此变形协调。预制梁与柱彼此接触，螺栓与混凝土彼此的二个接触对是硬接触，用“罚函数”设置摩擦系数为0.35[10]。在上层柱上面，下层柱下面和梁悬挑端定义耦合点RP1、RP2、RP3。第一个分析步在柱顶钢板中心作用模拟实况地震作用时建筑的重力荷载代表值1397.1kN不变轴力，第二个分析步为位移加载，其幅值如表3所示。

表3 位移加载幅值

3.3 有限元结果与试验结果对比

3.3.1 滞回曲线分析

随着市场的发展和科学的进步，水利施工企业对人才的需求量急剧增加，人才培养已经成为了实现“人才强企”战略的主要手段。注重培养具有较强专业素质及发展潜力的管理人才、技术人才、一岗多技和一岗多能的复合型人才，对企业的发展至关重要。由于水利施工行业的特殊性，绝大多数员工均在施工一线工作，工作地点远离城镇且条件艰苦，工程项目多而分散，无法集中进行学习培训，这种人员的分散性决定了水利施工企业人才培养的难度。针对水利施工企业的上述特点，如何培养人才、留住人才，是摆在水利施工企业面前的难题。

实验节点滞回环与模拟滞回环存在偏差。

在实验低周往复荷载施加下，梁端挑耳内钢筋出现了滑移。八根承压高强螺栓被两侧固定在钢板上不存在滑移。在混凝土开裂之前，变形很小，主要是混凝土塑性变形，节点基本处在弹性范围，当卸载时出现的残余变形很小； 随着混凝土开裂滞回环从梭形变成弓形。循环加卸荷时，滞回环图中可见当中存在水平段，施加力比较小使得裂缝闭合从而发生比较大的位移，让滞回环出现“捏缩”效应，刚度退化。

在数值模拟中，由于钢筋骨架用嵌入接触形式装配到混凝土中，彼此变形协调。梁端挑耳混凝土被剪扭开裂，退出工作，梁端挑耳扭矩主要靠纵筋的销栓作用承担，其余靠与牛腿柱的接触面的摩擦力偶来承担。软件模拟钢筋的本构关系是三折线，由于融合关系，整个节点的抵抗能力比实验略有提高，钢筋屈服后，软件模拟滞回环整个节点残余变形几乎和施加的变形值相同，这是数值仿真滞回环比实验饱满的原因之一。

模拟时预制梁与牛腿柱接触面的摩擦系数为0.35[10]产生的阻尼效应比实验的大，这是模拟滞回环饱满原因之二。

总体两者的滞回环比较吻合。实验与模拟滞回环对比如图10所示。

图10 模拟的滞回曲线与实验滞回曲线对比

3.3.2 骨架曲线分析

实验节点骨架曲线与模拟骨架曲线基本吻合，都经历了弹性—屈服—强化—破坏四个阶段。加载初期节点刚度较大，随着不断的加载，梁端挑耳与主梁相交处裂缝不断变宽，节点刚度出现退化，最终靠近柱子的梁端上下区域混凝土压碎。实验与模拟开裂荷载及其位移为29.8kN，11.7mm； 31.9kN，12mm、屈服荷载及其位移72.1kN，37.2mm； 78.4kN，40mm、最大荷载及对应位移为84kN，80mm； 96.5kN，85mm、破坏荷载及极限位移为72kN，125mm； 85kN，125mm。用《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101-2015)的公式μ=Δu/Δy计算延性系数[8]。从表4中可以看出，实验与模拟延性系数都大于3，在承受最大荷载之后，位移加载下，荷载下降比较缓慢，而位移有显著增长，节点延性很好。实验与模拟骨架曲线对比如图11所示。现浇节点的开裂荷载9.8kN，屈服荷载48.7kN，最大荷载66kN[11]。相似情况下，装配式半刚性节点最大承载力比现浇节点增加大概27.27%。现浇节点的耗能主要靠节点核心区钢筋和砼的塑性变形及梁弯曲变形。实验节点的耗能主要靠梁端挑耳钢筋、砼的塑性变形、梁端弯曲变形、承压高强螺栓的塑性变形以及牛腿柱与梁T形端接触面产生的阻尼效应。实验节点耗能种类比现浇节点丰富。

图11 模拟与实验骨架曲线对比

表4 位移延性系数

4 节点抗震性能

增加梁端挑耳延主梁长方向截面尺寸，软件模型如图12所示。滞回曲线对比如图13，骨架曲线对比如图14所示。延性对比如表5。长400mm梁端挑耳比长250mm梁端挑耳节点变形降低了32%，节点最大承载力提高了24.4%，这说明400mm梁端挑耳比250mm梁端挑耳承载力和刚度大，但节点延性降低，不利于抗震，刚性梁端挑耳的变形能力不如实验中采用的柔性梁端挑耳。梁端挑耳尺寸对节点变形影响敏感。如需控制结构的变形可以改变梁端挑耳尺寸，从而控制PΔ效应。

图12 长400mm梁端挑耳软件模型

图13 梁端挑耳尺寸模拟滞回环对比

表5 位移延性系数

图14 梁端挑耳尺寸模拟骨架曲线对比

5 消能减震技术

本文在梁T形端与牛腿的接触面安装摩擦阻尼器对节点进行消能减震模拟，使得节点成为耗能节点。利用ABAQUS软件，通过改变接触面摩擦系数来近似模拟阻尼器的作用，摩擦系数取为0.5[12]。

加阻尼器模拟滞回环明显呈梭形相比未加阻尼的模拟滞回环饱满很多。在模拟地震初期，整个结构体系第一道抗震防线的能力有所提高。梁加载端位移达到12mm进入弹塑性耗能模式，节点与阻尼作用共同耗能，滞回环包络面积随位移增加而明显增加，耗能能力强。增加与未增加阻尼器，节点耗能形式不同，节点接触面的阻尼作用参与耗能，降低了梁柱节点的地震反应，把“强节点”的设计引向深入。加阻尼作用开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和最大荷载均明显提高，改变了节点受力模式，有效减少和控制了T形端预制梁裂缝的开展，降低了梁端挑耳纵筋和高强螺栓应变值，阻尼作用明显降低了地震对节点的外作用。滞回曲线对比如图15所示。

图15 阻尼器模拟滞回环对比

6 结论

对新型装配式梁柱半刚性节点进行抗震性能实验和数值模拟得到以下结论：

(1)本实验塑性铰出现在梁上，满足强柱弱梁； 梁T形端支撑在牛腿上，这样即便在大震下连接失效，此实验节点仍然能够防止结构倒塌。

(2)梁T形端与牛腿及柱接触面的摩擦阻尼作用、梁端挑耳内纵筋销栓作用、螺栓群的塑性变形使得节点有较好的延性。实验节点耗能种类比现浇节点丰富。

(3)梁端挑耳尺寸对节点变形影响敏感，对节点承载力有所提高，但延性下降。如需控制结构的变形可以改变梁端挑耳尺寸，从而控制PΔ效应。

(4)消能减震半刚性耗能节点外加荷载明显提高，吸收地震能力强。

(5)消能减震半刚性耗能节点改变了节点受力模式，有效减少和控制了T形端预制梁裂缝的开展，降低了梁端挑耳纵筋和高强螺栓应变值。