自密实GHPFRCC装配式梁柱节点抗震性能研究*

陈柯臻，李秀领，李 言，丁经伟，郭 强，孙 广

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101； 2.建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南 250101； 3.天津大学建筑工程学院，天津 300350； 4.中建八局第二建设有限公司，山东 济南 250014；5.中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

0 引言

装配式混凝土框架结构因其具有生产效率高、节能环保、耗费人工少等优点，目前已成为我国应用最广的装配式结构体系之一[1]。在装配式框架结构中，节点设计形式和施工质量往往决定着整个框架结构的强度和抗震性能。多次地震震害调查结果表明，节点破坏通常会导致与其相连的梁柱构件失效，甚至会引起建筑物整体倒塌[2-5]。因此，对装配式梁柱节点抗震性能展开深入研究，既是保证装配式建筑安全性的关键，也是我国大力推广装配式建筑的必然要求。

基于本课题组关于工程水泥基复合材料已有研究成果，采用大掺量粉煤灰替代部分水泥，制得自密实绿色高性能纤维增强水泥基复合材料(green high-performance fiber-reinforced cementitious composites，GHPFRCC)。该材料具有卓越的抗拉韧性和裂缝控制能力，兼具免振捣和工作性好等优点[6-7]。将该材料应用于装配式梁柱节点中可显著提高节点抗剪承载力，改善核心区破坏情况，增加构件延性和耗能能力。本文在文献[8]的试验基础上，利用OpenSees，ABAQUS软件对2个GHPFRCC装配式梁柱节点进行有限元模拟分析，对比数值模拟结果与试验结果，以验证模型的有效性。以柱轴压比、柱GHPFRCC浇筑长度和柱纵筋配筋率为影响参数，探究其对GHPFRCC装配式节点抗震性能的影响。通过结构变形云图和损伤云图对节点破坏形态进行分析，以期为工程实际应用提供参考。

1 试验概况

1.1 构件设计

按照“强柱弱梁、强剪弱弯”原则设计2个足尺GHPFRCC装配式梁柱节点试件，编号为PGJ1，PGJ2。柱截面尺寸为300mm×300mm(宽×高)，梁截面尺寸为250mm×300mm(宽×高)，在梁端后浇区采用灌浆套筒连接预制梁和预制柱，预制梁混凝土强度等级为C30，预制柱核心区及向上、下延伸600mm范围采用GHPFRCC浇筑，其余范围采用C30混凝土浇筑，后浇区采用工字型设计，长500mm。为保证节点核心区的可靠性，避免其过早进入塑性阶段，对2个装配式梁柱节点分别采取不同的构造措施，即PGJ1试件采用带有核心区及向两侧外伸300mm的GHPFRCC悬臂梁端，使预制与现浇的薄弱界面远离形成塑性铰的梁柱交界区；PGJ2试件在核心区设置4根φ20mm附加钢筋，提高梁端抗力，将塑性铰转移至远离节点核心区的部位，起到“强节点”的作用。GHPFRCC装配式梁柱节点构造及配筋如图1所示。自密实GHPFRCC水胶比为0.24，砂胶比为0.36，聚乙烯醇纤维体积掺量为1.7%，粉煤灰替代率为60%，减水剂掺量为0.2%。试验实测C30混凝土和GHPFRCC立方体抗压强度分别为38.1，43.7MPa，钢筋屈服强度fy=430MPa，极限强度fu=620MPa。

图1 GHPFRCC装配式梁柱节点构造及配筋

1.2 加载方案

本试验采用梁端加载方式，通过MTS液压伺服加载系统在两侧梁端施加反对称低周往复荷载。将柱上端与钢桁架相连，实现铰接，柱顶采用千斤顶施加竖向荷载，并通过伺服稳压系统控制柱轴压比为0.3。柱下端固定在单向铰支座上，以保证试件仅在平面内转动。采用位移控制逐级施加往复荷载，节点屈服前步长增量为2mm，每级单循环加载，节点屈服后步长增量为8mm，每级循环3次，加载至极限荷载降为峰值荷载的85%时，停止加载。试验加载装置如图2所示。

图2 试验加载装置

1.3 试验现象与分析

PGJ1节点核心区两侧附有300mm外伸GHPFRCC梁段，装配区位于距柱边300～800mm处。当荷载达14kN时，左梁端部产生第1条竖向裂缝；当荷载达28kN时，核心区首次出现斜向裂缝；此后，核心区和梁端300mm范围内不断出现细密裂缝并延伸；当节点达屈服状态时，梁根部裂缝变宽，并伴随纤维拔出拉断声；随着试验的进行，梁根部区形成塑性铰，贯通主裂缝宽度增大，而核心区裂缝仍为密布的细长裂缝，无变宽迹象；当梁端位移增至132mm时，荷载未出现明显的下降趋势，因节点变形过大而停止加载，最终破坏形态为梁端弯曲破坏，表现出等同现浇的特点，如图3所示。

图3 PGJ1节点破坏形态

PGJ2节点核心区和梁端配有起局部加强作用的附加钢筋，装配区位于距柱边500mm范围内。当荷载达7.4kN时，在距柱边600mm处的预制梁上产生第1条竖向裂缝，随后在距柱边500～900mm的梁上相继出现裂缝；当荷载达21kN时，核心区出现第1条细裂缝；节点达屈服状态，核心区有大量细密裂缝延伸，GHPFRCC与混凝土交界面裂缝宽度明显增加；随着试验的进行，GHPFRCC与混凝土交界面外侧的斜向剪切裂缝逐渐发展为主裂缝，节点塑性铰外移，核心区得到较好的保护；当梁端位移达86mm时，距柱边600～900mm的预制梁剪切破坏严重，梁底混凝土剥落，终止加载。由于附加钢筋和灌浆套筒分别对核心区和梁端承载力、刚度有明显的增强作用，PGJ2节点破坏区外移至刚度相对较弱的材料交界面处，由于后浇区外侧预制梁箍筋未进行加密处理，使该区的抗剪承载力弱于抗弯承载力，最终发生剪切破坏，如图4所示。

图4 PGJ2节点破坏形态

与普通混凝土相比，GHPFRCC具有优异的裂缝控制能力和明显的延性特征，由于掺入的纤维与基体之间能够产生较强的桥联作用，试验过程中节点核心区虽出现大量细密裂缝，但未发生剪切破坏和材料剥落现象，塑性铰在梁上产生并充分发展，节点试件呈典型的延性破坏特征。此外，GHPFRCC具有较高的拉伸应变，能够与钢筋保持良好的协同变形，二者间的滑移现象减弱，更有利于结构耗能。

2 OpenSees模拟分析

2.1 材料本构与节点模型

混凝土本构关系模型采用concrete01模型，钢筋和套筒本构关系模型采用steel02模型，GHPFRCC本构关系模型采用ECC01模型。梁柱单元选用基于位移的非线性梁柱单元定义，对于受力最复杂的节点核心区，选用Beam Column Joint模型反映其在地震作用下的受力机理[9]。

2.2 试验与模拟结果对比分析

拟静力试验与数值模拟计算得到的PGJ1，PGJ2节点滞回曲线和骨架曲线分别如图5，6所示，性能参数对比如表1所示。由图5，6可知，加载初期，节点滞回曲线基本呈线性循环，残余变形较小，节点尚处于弹性状态；随着位移的不断增加，节点逐渐进入塑性阶段，滞回环面积增大，耗能能力增强；当节点达屈服位移时，钢筋与水泥基材料之间出现滑移，滞回环表现出一定的捏缩现象，由梭形逐渐过渡为弓形，但灌浆套筒的存在在一定程度上限制了钢筋的移动，因此捏缩现象并不明显；加载后期，梁根部钢筋与水泥基材料之间的滑移位移增大，滞回环呈反S形，节点耗能能力减弱。

图5 OpenSees模拟得到的PGJ1节点滞回曲线和骨架曲线

PGJ1节点设有核心区外伸的悬臂梁端，可转移后浇薄弱区，实现等同现浇的破坏形式。此外，因GHPFRCC材料力学性能优越，且设置了灌浆套筒，使PGJ1节点具有较高的延性，骨架曲线下降段相对平缓。PGJ2节点配置的附加钢筋和灌浆套筒对核心区和梁端有明显的增强作用，可实现梁端塑性铰外移，并提高节点抗剪强度，因此其屈服荷载和峰值承载力均高于PGJ1节点，但在试验过程中，PGJ2节点在梁后浇区外侧发生了剪切破坏，因此其延性低于PGJ1节点。

图6 OpenSees模拟得到的PGJ2节点滞回曲线和骨架曲线

由表1可知，各节点性能参数误差均<10%，试验值与模拟值吻合较好，表明计算模型可有效反映节点抗震性能。

表1 OpenSees模拟得到的节点性能参数对比

2.3 节点抗震性能影响参数分析

在保证模拟结果可靠的基础上，以PGJ1节点为分析对象，研究考虑P-Δ二阶效应下柱轴压比、柱GHPFRCC浇筑长度和柱纵筋配筋率对节点抗震性能的影响。

2.3.1柱轴压比

轴力是影响梁柱节点抗剪强度的主要因素之一。一定范围内的压力可增大柱截面受压区面积，使核心区内斜压杆作用加强，从而提高节点抗剪强度。但过大的柱轴压比会造成受压区混凝土开裂，使节点抗剪强度降低，对构件延性造成影响[10]。为研究柱轴压比对节点抗震性能的影响，分别对柱轴压比为0.30，0.45，0.60，0.75的节点进行低周往复加载数值模拟，得到的节点骨架曲线如图7所示，性能参数如表2所示。

图7 不同柱轴压比下PGJ1节点骨架曲线

表2 不同柱轴压比下PGJ1节点性能参数

由图7可知，当柱轴压比为0.30时，PGJ1节点骨架曲线下降段相对平缓，说明低柱轴压比下节点破坏前有良好的变形能力，属于延性破坏；当柱轴压比为0.75时，PGJ1节点骨架曲线下降段陡峭，后期节点承载力和刚度发生明显退化，此时节点变形能力减弱，延性较差。

由表2可知，随着柱轴压比的增大，节点抗剪承载力先上升后下降，但变化幅度较小，这是由于GHPFRCC本身具有较强的裂缝控制能力和抗剪能力，即使在较大的压力作用下也不易开裂，因此柱轴压比对节点抗剪承载力的影响较小。此外，随着柱轴压比的增大，节点延性系数显著降低，当柱轴压比由0.30增至0.75时，节点延性系数由4.67降至2.63。

为保证地震作用下节点破坏具有明显延性特征，建议实际应用过程中将柱轴压比控制在0.60以下。

2.3.2柱GHPFRCC浇筑长度

GHPFRCC具有高韧性、高耗能等特点，将其应用于装配式梁柱节点可显著提升节点抗震性能。然而，GHPFRCC成本普遍较高，在全节点范围使用该材料是不经济且不必要的，因此需对GHPFRCC在柱端的浇筑长度进行研究。取柱轴压比为0.40，分别模拟柱GHPFRCC浇筑长度为400，600，800，1 000mm时的节点抗震性能，结果如图8和表3所示。

图8 不同柱GHPFRCC浇筑长度下PGJ1节点骨架曲线

表3 不同柱GHPFRCC浇筑长度下PGJ1节点性能参数

由图8可知，当位移较小时，柱GHPFRCC浇筑长度对节点抗震性能的影响不明显；达屈服位移后，随着浇筑长度的增加，节点承载力不断提高，变形能力不断增强。

由表3可知，随着柱GHPFRCC浇筑长度的增加，节点耗能能力显著增强，这说明GHPFRCC具有较高的强度、优异的延性和耗能能力；随着柱GHPFRCC浇筑长度的增加，节点位移延性系数先增大后减小，这是由于节点极限位移增加幅度小于屈服位移增加幅度，因此浇筑长度为1 000mm的节点延性系数小于浇筑长度为800mm的节点；当浇筑长度由800mm增至1 000mm时，节点极限位移增量已不明显。

综合考虑节点承载力、耗能能力、延性和经济性，建议柱GHPFRCC浇筑长度为600～800mm。

2.3.3柱纵筋配筋率

柱轴压比取为0.40，通过取不同纵筋直径改变柱纵筋配筋率，分析配筋率对节点抗震性能的影响，结果如图9和表4所示。

图9 不同柱纵筋配筋率下PGJ1节点骨架曲线

表4 不同柱纵筋配筋率下PGJ1节点性能参数

由图9可知，不同柱纵筋配筋率下节点骨架曲线变化趋势相同，配筋率较大的节点承载力明显较高，初始刚度略大。对于框架结构而言，应遵循“强柱弱梁”的设计原则，在地震作用下，为防止结构倒塌，要求框架节点处的塑性铰首先出现在梁上，避免在柱上产生塑性铰，为此，需保证与节点相连的柱端抗弯强度大于梁端抗弯强度。适当增加柱纵筋配筋率可有效提高柱抗弯强度，进而避免在柱上产生塑性铰。然而，当柱纵筋配置过多时，可能会出现柱受压区混凝土压碎引起的脆性破坏，对抗震不利[8]。因此，建议柱纵筋配筋率在梁纵筋配筋率的基础上提高0.5%～1%。

3 ABAQUS模拟分析

3.1 材料本构关系模型

采用混凝土损伤塑性模型模拟循环荷载作用下混凝土力学性能。混凝土单轴受压和受拉应力-应变关系曲线根据GB 50010—2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》[11]确定，钢筋本构关系模型采用带有强化段的双折线模型，GHPFRCC受压和受拉本构关系模型分别选用考虑残余抗压强度和考虑软化段的三折线模型[12]。

3.2 单元类型与网格划分

混凝土采用C3D8R三维实体单元模拟，钢筋采用T3D2三维桁架单元模拟，灌浆套筒采用S4R壳单元模拟。划分网格时，对节点核心区和后浇区等关键部位取细密网格，其他部位网格尺寸适当放大。

3.3 相互作用与边界条件

各部件之间的相互作用通过设置不同约束实现。钢筋与混凝土之间采用内置区域的约束方式实现嵌入连接，不考虑二者间的相对滑移。预制构件与现浇水泥基材料的接触面采用库仑-摩擦模型模拟，法向定义为硬接触，切向采用罚函数计算剪应力，摩擦系数为0.9[13]。为便于施加荷载和边界条件，建立参考点与梁柱端面的耦合关系。模型边界条件与实际试验保持一致，即节点柱底为完全铰接，仅允许在平面内转动；柱顶除允许在平面内转动外，还允许发生轴向压缩位移；节点梁端限制其平面外位移。

3.4 试验与模拟结果对比分析

3.4.1滞回曲线与骨架曲线

采用ABAQUS软件模拟得到的PGJ1节点滞回曲线与骨架曲线如图10，11所示。由图10，11可知，节点承载力和刚度均与试验结果吻合较好，可得到较理想的骨架曲线，说明计算模型能够较准确地反映节点滞回性能。然而，本研究计算模型未能考虑因混凝土开裂引起的钢筋与混凝土间的黏结滑移现象，因此得到的滞回曲线捏拢现象不明显，较难准确反映节点耗能能力。在不要求得到准确的节点耗能能力分析中，本研究模拟结果是合理的。

图10 ABAQUS模拟得到的PGJ1节点滞回曲线与骨架曲线

图11 ABAQUS模拟得到的PGJ1节点滞回曲线与骨架曲线

3.4.2节点破坏形态

为分析节点破坏形态，提取节点极限状态下的等效塑性应变和受拉损伤云图，如图12，13所示。其中，等效塑性应变反映了整个加载过程中混凝土和水泥基材料塑性应变的累积，受拉损伤反映了混凝土和水泥基材料因受拉引起的强度和刚度损伤情况。

图12 PGJ1节点等效塑性应变与受拉损伤云图

由图12可知，PGJ1节点塑性变形和受拉损伤主要发生在核心区和两侧外伸300mm的悬臂梁端，核心区略有外鼓，损伤因子已接近0.9，但由于GHPFRCC具有优越的抗拉性能和裂缝控制能力，且核心区配置了适宜数量的箍筋，试验过程中节点达极限位移时核心区和悬臂梁端仅产生了大量细密裂缝，而未出现明显破坏现象。

图13 PGJ2节点等效塑性应变与受拉损伤云图

由图13可知，PGJ2节点由于配置了附加钢筋，核心区塑性变形相应减小，同时，灌浆套筒的存在大大提高了后浇区刚度，因此梁端钢筋连接处无明显塑性变形和损伤现象，实现了装配式节点的可靠连接；节点受拉损伤集中出现在后浇区外侧的混凝土预制梁上，破坏位置在GHPFRCC与混凝土交界面处，与试验现象基本一致。

综上所述，采用设置外伸悬臂梁端和附加钢筋的措施均可有效保护节点核心区，使变形分别向外伸梁端和后浇区与预制梁交界处转移，从而减小核心区的内力和变形。但设置附加钢筋会使破坏区转移至刚度相对薄弱的材料交界面处，应注意控制梁剪跨比并采取增强措施，如加密箍筋或使用GHPFRCC浇筑预制梁等。

4 结语

1)采用OpenSees软件分析得到的节点滞回曲线和骨架曲线与试验结果吻合较好，能够较真实地反映节点抗震性能。

2)采用ABAQUS软件可得到较理想的骨架曲线，受拉损伤云图反映的节点破坏形态与试验现象基本一致。

3)节点延性随着柱轴压比的增大而降低，为保证地震作用下节点具有较好的变形能力，应将柱轴压比控制在0.60以下。

4)节点核心区和柱端浇筑GHPFRCC可显著提高节点延性和耗能能力，建议柱端GHPFRCC浇筑长度为600～800mm。

5)增大柱纵筋配筋率能够有效提高节点抗剪承载力和柱抗弯刚度，有利于实现“强柱弱梁”“强节点弱构件”的设计目标。

6)在GHPFRCC装配式梁柱节点中采取外伸悬臂梁端和附加钢筋的措施均可起到保护节点核心区的作用，但配置附加钢筋时易在后浇区外侧梁上形成薄弱区，应注意采取增强措施，防止发生剪切破坏。