新型装配式半刚性节点抗震性能试验研究

王德波 韩兆坤

1. 青岛灵山湾开发建设有限公司 山东 青岛 266499；2. 北京东方华脉工程设计有限公司青岛分公司 山东 青岛 266555

引言

本文提出一种新型的半刚性装配式混凝土梁柱节点形式，该节点采用带牛腿承台通长预制柱与预制混凝土梁通过高强螺栓贯通连接。对装配式节点进行足尺试验，利用该节点的破坏状态、滞回曲线和骨架曲线来验证该节点在低周反复荷载下的承载能力及抗震耗能性能。同时，运用有限元分析软件ANSYS对其进行数值模拟，分析该节点在服役阶段时的应力演化过程，深入探究节点在周期荷载作用下的服役机理，为该节点的优化设计和理论分析提供依据。

对于装配式梁柱节点，一些学者进行了研究，主要集中于试验和理论研究。在试验方面，王静峰等设计和制作了2个带楼板的薄壁钢管混凝土组合节点，并进行了低周往复荷载试验，发现螺栓锚固构造对组合节点的变形性能具有较大影响作用；徐莹璐等提出了一种新型的弱轴连接组合节点，进行了拟静力试验和数值模拟，发现单轴对称钢梁截面可以减小组合效应的不利影响；陈珊珊等对具有不同宽度楼板的装配式型钢混凝土柱－钢梁节点抗震性能进行了分析，指出楼板有效宽度的增加对节点的初始转动刚度和承载能力均有明显提升作用。在理论方面，张婧等对3个平齐端板连接梁柱组合节点进行了循环往复试验，提出了梁端初始转动刚度的计算公式，计算结果与试验结果较为接近；李国强等对3个平齐式端板自锁式单向螺栓连接节点进行了单调加载试验，给出了该节点在弯矩荷载作用下的高强螺栓的力的分布形式；王振宇等提出了以T型件作为基本分析单元，通过单个弹簧代替多个弹簧模拟T型件，计算结果与多个文献中的试验结果吻合程度较好。

根据以上所述可以看出，人们对于考虑组合楼板作用的装配式节点已有一定程度的研究，但对于外伸端板装配式节点在与组合楼板共同作用时的相关研究尚为匮乏，而端板节点是装配式钢框架中较为常用的梁柱连接形式，当该节点连接形式与组合楼板共同作用时，在外荷载作用下节点的变形与受力模式将会变复杂。因此，为完善组合楼板对装配式端板节点抗震性能的影响作用，本文对2个节点试件进行了拟静力试验和数值模拟分析，研究其破坏模式、滞回性能、承载能力、半刚性性能以及受力机理。此外，还对采用不同类型压型钢板的节点抗震性能变化规律进行了分析。

1 装配式发展概述

装配式其具有施工工期短、机械化程度高、成本及人力消耗低的特点，其中剪力墙具有较高的承载力及水平抗侧力刚度，是适用于装配式建筑的一种结构形式。

装配式建筑剪力墙结构的研究起步较晚，而中国是一个地震多发的国家，地震强度大、范围广，因此研究装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估模型具有重要的现实意义[3]。

在以往的研究中，多是通过模拟软件分析装配式建筑剪力墙结构的抗震性能，这种方法无法分析剪力墙整体结构的抗震性能，导致分析误差较大。因此，本文设计一种装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估模型对其抗震性能进行评估。此次设计的评估模型通过剪力墙性态水准、性能指标与性态目标建立起装配式建筑剪力墙结构抗震性能的评估指标，将此作为重要的评估对象，在此基础上，定义剪力墙结构实体，分析剪力墙结构构件之间的关联性，采用智能模糊算法对装配式建筑剪力墙结构抗震性能进行评估。

2 试验概况

2.1 节点设计与制作

T型预制梁外端与牛腿柱外侧分别预埋钢制承压板，螺栓两端用螺母与承压板连接。该节点尺寸设计时中现浇节点尺寸，混凝土材料及其钢构件力学参数分别见表1和表2。

表1 混凝土材料力学性能

表2 钢筋及其他钢构件力学性能

对进场检验的钢筋进行焊接，并搭架钢筋网，钢筋网检查无误后安装木质模板。模板检验无误后，在其表面涂抹隔离油，并用胶带密封接头部位。

2.2 试验工况

本试验采用拟静力试验，加载装置为北京佛力生产±500kN电液伺服加载系统，动作器有效里程为±250mm。预制柱下端用螺栓锚固，上端用千斤顶施加500kN竖向轴力。同时，预制柱两端用螺纹钢筋及型钢进行约束，防止试件在加载期间发生垮塌。加载装置布置在预制梁外侧，通过伺服加载系统施加低周反复荷载。

3 试验结果与分析

3.1 节点模型设计

装配式节点由方钢管柱、H型长梁、弧形腋板、焊接用H型短梁、焊接用柱肋板、腹板连接板等构件组成。组装前将设有凹槽的短梁焊接于柱面两端，肋板焊接于短梁上下、柱面偏心处，腋板焊接于长梁翼缘轴心处；组装时将长梁翼缘接入短梁凹槽处，上下腋板接入柱肋板处，通过螺栓进行连接，长短梁腹板处通过连接板使用螺栓连接。为扩展有限元计算模型，对6个不同构件尺寸的中柱节点进行低周往复循环加载的拟静力数值分析[1]。

3.2 节点破坏特征

当正向加载为30kN时，在加载梁的中间部位上部出现第一条裂缝；当反向加载时，裂缝消失，在下部相似位置出现一条裂缝；当加载至50kN时，T形梁端承压板边缘出现第一条斜裂缝；随着加载力的增大，裂缝数量越来越多，T形梁端承压板边缘裂缝宽度增加且梁与柱相交截面出现裂缝；加载至60kN时，T形端裂缝不断发展，梁上部与柱相交处裂缝宽度持续增加；当加载至70kN时，梁端的混凝土裂缝宽度达到7cm，核心区裂缝宽度也逐渐持续增大；当加载至75kN时，梁主要受力钢筋屈服，即达到屈服强度，采用位移加载；随着位移的增大，梁上部裂缝宽度达到10cm，承压板边缘斜裂缝宽度达到5cm, T形梁端混凝土压碎破坏。核心区混凝土压碎破坏，承压板附近混凝土发生剪切破坏，节点处柱与牛腿并未出现裂缝，满足设计要求“强柱弱梁”，高强螺栓发生屈服。

4 装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估模型设计

4.1 装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估模型架构

此次研究的装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估模型的主要优势为：具有齐全的装配式建筑剪力墙结构设计过程内所使用的信息内容，能够为评估提供依据。同时，该模型内提供评估指标与评估方法，模型具体架构如图1所示。

图1 装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估模型架构

装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估模型的实现过程如下：

第一，利用建筑设计软件，构建装配式建筑剪力墙模型[2]；

第二，导出模型，通过装配式建筑剪力墙结构模型获得组合结构的构建信息，构建用于装配式建筑剪力墙抗震加固的建筑模型信息；

第三，通过上述建筑模型能够获取结构设计模型内的几何模型，在对剪力墙结构抗震性能评估过程中，依据评估指标将评估信息反映至评估模型中，以对模型修正；

第四，根据此模型对装配式建筑剪力墙结构抗震性能进行评估。

该模型实现过程中，评估指标与评估方法为重点设计部分，具体实现过程如下。

4.2 装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估指标建立

通过剪力墙性态水准、性能指标与性态目标建立起装配式建筑剪力墙结构抗震性能的评估指标。性态水准代表剪力墙结构在某一地震水平下预期的破坏程度，因此根据结构类型、整体结构、构建等评估剪力墙结构抗震性能等级。

为便于装配式建筑剪力墙结构抗震性能评估，性态水准还应表达为各种性能指标，性能指标由一个或多个性能参数进行定义，此次研究以位移指标划分极限状态。依据损伤评定过程，计算剪力墙结构抗震性能，从上述计算能够看出，此次设计的模型能够反映地震对剪力墙结构损伤程度的影响，以此完成装配式建筑剪力墙结构抗震性能的评估[4]。

5 结束语

通过对新型半刚性装配式节点进行试验及有限元数值模拟，本文主要结论如下：

本文所提出的新型装配式半刚性节点其破坏主要集中在节点核心区，T形梁端承压板附近裂缝较为集中，以梁上下表面对称趋势向梁中部开裂，梁尾部无明显裂缝；预制柱端、牛腿部位均完好，满足“强柱弱梁”的设计要求。

新型装配式节点在低周反复荷载下，其屈服荷载及极限荷载较现浇节点明显提高，其整体承载能力提升约25.41%，滞回曲线饱满，耗能性能优良。

模拟结果显示，节点在服役阶段，高强螺栓为主要的承载构件，混凝土预制梁柱为次要承载构件。表明当预制梁柱强度满足荷载要求时，通过更换高强螺栓即可完成灾后预制节点修复工作，符合该新型节点的设计理念。