新型装配式混凝土框架节点非线性分析

包 伟，郎 迪

（镇江市规划设计研究院，江苏 镇江 212004）

0 引言

随着我国经济快速发展，装配式建筑作为建筑业转型升级、绿色发展和提质增效的重要突破口，得到党中央、国务院的高度重视并上升为国家战略，已迎来重大发展机遇。作为商业建筑主要结构形式的框架结构成为我国建筑行业的首要关注与重点发展，其作为我国装配式建筑技术发展的关键抓手及实现装配式建筑推广目标的重要载体，将借助国家政策与行业导向，不断迎来发展高潮。

1 预制装配节点分类

现有研究将预制混凝土框架节点分为干式节点、混合连接节点和湿连接节点。

1）干式节点 节点采用钢制元件或螺栓连接可归为干式节点，很多学者对干式节点的抗震性能进行了试验研究，通过研究发现，采用钢制元件或螺栓的干式节点在承载力方面弱于现浇节点，而耗能能力和延性均强于现浇节点。

2）混合连接节点 在连接区浇筑混凝土的同时使用机械连接。混合连接节点往往采用延性较好的钢材和后张法预应力相结合使用，软钢的主要作用是增加节点的耗能能力，而预应力钢筋的作用是在梁柱接头处提供抗剪强度。

3）湿连接节点 通常由钢筋接头和现浇混凝土组成。在不同类型钢筋接头中，环形接头连接表现出非常好的机械性能。研究表明，如果设计得当，这种类型接头的力学性能与普通现浇节点类似。此外，在实践中，环形拼接的节点连接形式也常用于钢-混凝土组合桥梁中预制桥面构件之间的连接。

研究发现，在节点中使用钢纤维可提高节点的延性性能，在地震荷载作用下塑性铰的转动能力更强，高性能纤维增强水泥复合材料（HPFRC）基体被用在地震区预制或预应力混凝土结构的连接节点处，通过使用钢纤维减少连接处横向钢筋的数量。超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）与钢筋之间的锚固长度要求较短，这就可保证节点之间连接的连续性，从而确保施工过程的安全性，缩短施工时间并避免节点区钢筋布置过于复杂，保证高质量施工。

2 新型节点的提出

2.1 节点构造形式

在既有研究中，大多数湿式连接均将节点区作为后浇区，而节点区往往是钢筋配置比较密集的区域，现场进行节点区混凝土浇筑时往往会因配筋过于密集，导致节点区混凝土浇筑不密实，影响工程质量。受此启发，创新性地提出一种新型后浇整体式预制构件连接形式，主要构思如下：预制梁端部梁宽方向每边扩出一定距离，将2个侧面扩出部分浇筑成预制薄壁，将预制梁外伸出的环扣钢筋围住。预制柱在与预制梁连接处也提前埋设外伸的环扣钢筋，并在连接处的底部设置1个螺栓支架。拼装时，预制梁侧面2个预制薄壁可直接支撑在螺栓支架上，在进行预制薄壁混凝土浇筑时可起到侧模的作用。因为纤维混凝土具有良好的拉伸和压缩性能，所以在连接区采用纤维增强混凝土（FRC）进行浇筑。

预制梁截面尺寸设计为167mm×300mm，梁底部配置2根12和1根14纵向受力钢筋，上部配置钢筋与底部相同，梁中部配置2根8腰筋。预制柱截面为267mm×300mm，柱4个角部采用16钢筋，其他受力筋14，节点构造及设计如图1，2 所示。

图1 节点三维构造

图2 节点构造设计

2.2 节点拼装

装配步骤如图3所示。①步骤1 将预制柱立起，在柱一侧设置的螺栓支架可用来支撑预制梁，在此阶段也可看到从柱和梁上伸出的钢筋；②步骤2 将梁柱伸出钢筋环扣在一起进行浇筑，预制梁通过2个侧向预制薄壁支撑在支架上；③步骤3 将提前布置的箍筋等间距布置在环扣搭接段；④步骤4 将侧向预制薄壁为模板将FRC浇筑到接头中完成连接。

图3 节点拼装步骤

3 有限元模型建立

采用有限元软件ABAQUS对节点进行建模，混凝土采用8节点实体单元，钢筋采用2节点桁架单元。混凝土采用的力学模型是“混凝土损伤塑性”（CDP），如图4所示。该模型适用于分析混凝土在单调、循环或动态荷载作用下的非线性性能。还可通过损伤参数评估循环加载过程中材料刚度的下降。混凝土和钢筋的应力-应变曲线如图5，6所示。

图4 节点有限元模型

图5 混凝土应力-应变曲线

图6 钢筋应力-应变曲线

4 计算结果分析

通过对柱顶施加固定轴向力，同时对柱顶施加低周反复荷载。加载采用位移控制加载，每级荷载循环3次，最终通过后处理提取柱端位移与相应的荷载值，可得到节点的滞回曲线，由此可看出，有限元计算得出的滞回曲线与试验所得到的滞回曲线吻合良好，采用有限元计算所得节点极限承载能力略高于试验值。在加载前期，节点处于弹性阶段，节点的滞回曲线呈线性变化，滞回环面积较小，随着荷载进一步施加，节点进入塑性阶段，考虑到钢筋与混凝土之间的黏结滑移及节点存在的残余变形，滞回环面积不断增加，说明该节点的滞回耗能能力较好。

5 参数变化分析

5.1 参数的改变

通过以上分析可发现，所建节点有限元模型能较准确地反映节点的受力性能，所以在此模型基础上，对节点进行参数化分析，主要参数变化为连接处环扣搭接长度，在本次计算中将原搭接长度从373mm减少到264mm。

5.2 参数变化对节点力学性能影响

考虑到ABAQUS计算混凝土结构非线性耗时较多，所以在进行参数化分析时，只采用单调加载方式，通过单调加载获得节点的骨架曲线如图7所示，通过对比发现，当连接区环扣搭接长度减小到264mm，节点承载力降低较多，已完全低于试验值，所以认为当环扣搭接长度降低到264mm，搭接长度已经不能再减小。

图7 骨架曲线对比

改变连接区环扣搭接长度，对连接区混凝土的应力进行对比可发现，环扣搭接长度减小后，混凝土的应力值也随之增大，在原设计节点中，连接区段混凝土最大应力值为8MPa，而当搭接长度减小到264mm后，该区段混凝土最大应力值达13MPa，鉴于FRP混凝土良好的力学性能，达到13MPa的应力仍符合要求，如果采用普通混凝土则已产生破坏。

由改变连接区环扣钢筋搭接长度后钢筋的应力图可看出，在节点设计中，钢筋应力较大的部位发生在节点区域内，而减小搭接长度后，钢筋应力最大处转移到搭接区域外的梁中。考虑到如果在地震荷载作用下结构发生破坏进行修复时，发生在梁中破坏修复较破坏发生在节点区修复要容易。必须强调的是，拼接长度的缩短会导致重叠区域内FRC中的压缩主应力增加。

6 结语

1）节点区配筋较复杂，现场施工难以保证质量，而采用该新型节点可将节点区在预制厂进行制作，现场只需将梁柱结合处采用FRC进行浇筑即可。

2）采用ABAQUS建立借点有限元模型，能够较好地对节点的抗震性能进行分析，通过分析发现，新型节点建模分析所得的滞回曲线与试验值吻合良好，说明本文中所建节点有限元模型可对节点的力学性能做进一步分析。

3）在已建立有限元模型基础上，通过改变预制梁连接处环扣搭接长度探究环扣搭接长度对节点力学性能的影响，最终发现环扣搭接长度由原来的373mm减小到264mm，可实现节点受力钢筋最大应力处的转移，从而便于结构震后的修复，连接区混凝土应力及钢筋应力不断增大，总体仍能满足要求。