装配式混凝土结构梁柱节点力学性能研究

陶飞羽，刘耀宁

（江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

随着城市化进程的加速，建筑业的发展也日益受到重视[1]。然而，传统的建筑结构存在着诸多问题，例如施工周期长、造价高、建筑垃圾产生多等[2]。为了解决此类问题，装配式混凝土结构应运而生。相较于传统的混凝土结构，装配式混凝土结构具有施工速度快、质量可控、环保等优点，因此备受青睐。其中，梁柱节点的力学性能是装配式混凝土结构的重要研究方向之一。由于节点处于结构的转换部位，承载着较大的力学载荷，因此节点的性能会对整个结构的安全性和可靠性产生重要影响[3]。范夕森提出了角钢连接的装配式混凝土梁柱节点塑性阶段力学性能研究，表明采用试验和有限元模拟相结合的方法研究了角钢连接的装配式混凝土梁柱节点的塑性力学性能。龙莉波提出了桩柱一体结构环梁节点力学性能试验研究，表明桩柱一体结构体系中梁柱节点的力学性能是影响其安全性的关键。赵丹提出的梁柱偏心节点力学性能研究中，表明应力响应集中于梁柱节点域，节点滞回性能良好，偏心对于梁柱节点有较大的影响。因此，对于装配式混凝土结构梁柱节点的力学性能进行深入研究，对于提高结构的安全性和可靠性具有重要意义。本研究旨在通过有限元分析的方法，分析装配式混凝土结构梁柱节点的力学性能，研究不同连接方式对节点的影响，并对节点的破坏机理进行深入的分析，混凝土强度等级对节点的承载能力和变形性能具有较大影响，而钢筋强度等级则对节点的刚度和韧性具有显著影响，钢筋配筋率可以改善节点的应力和应变分布情况。本文研究内容为装配式混凝土结构节点的设计、应用和研究提供了一定的理论和实践指导，期望能为装配式混凝土结构在未来的发展中做出一定贡献。

1 试验概况

为研究装配式混凝土结构梁柱节点的力学性能，设计焊接连接和粘结连接两种连接方式，并使用有限元分析软件进行数值模拟，评估节点在不同载荷下的受力情况和破坏机理。装配式混凝土结构梁柱节点试件采用钢筋混凝土，梁截面尺寸为240mm×600mm，柱截面尺寸为400mm×400mm，节点尺寸为300mm×300mm×400mm，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400。将钢筋焊接在梁柱节点上，采用加固胶对钢筋和混凝土进行粘结。在实验中首先制备10 个梁柱节点试件，其中5 个采用焊接连接，另外5 个采用粘结连接。然后对试件进行材料强度测试，C30 的混凝土抗压强度为36MPa，抗拉强度为4MPa，抗弯强度为5.5MPa。HRB400 强度等级的钢筋选取直径为10mm、12mm、16mm，抗拉强度均为40MPa。使用的材料强度达到设计要求，可以满足实验需求，方便通过有限元分析进行节点的力学性能研究。

2 破坏形态

对采用焊接连接和粘结连接的装配式混凝土结构梁柱节点进行力学性能研究，具体破坏情况如图1 所示。

图1 具体破坏形态

焊接连接试件破坏形态：在焊接连接试件的载荷作用下，首先出现了梁的弯曲变形，逐渐向节点传递，最终导致节点的破坏[4]。通过观察，焊接连接试件的破坏形态主要表现为钢筋的断裂和节点的剪切破坏。钢筋的断裂主要发生在节点的上方，而节点的剪切破坏主要发生在节点的中心区域。焊接连接试件的最大承载力为329kN，破坏时钢筋的最大应力为610MPa，焊接连接试件的破坏模式主要为钢筋的断裂和节点的剪切破坏。

粘结连接试件破坏形态：在粘结连接试件的载荷作用下，试件表现出了较好的整体性能，未出现明显的局部破坏，粘结连接试件的破坏形态主要表现为梁的弯曲变形和钢筋的滑移。随着载荷的逐渐增加，试件的弯曲变形逐渐加剧，钢筋出现了滑移现象[5]。粘结连接试件的最大承载力为385kN，破坏时钢筋的最大应力为448MPa，粘结连接试件的破坏模式主要为梁的弯曲变形和钢筋的滑移。

因此，装配式混凝土结构梁柱节点连接方式的选择对节点力学性能具有显著的影响。焊接连接和粘结连接各有优缺点，但在设计和施工过程中需要充分考虑其破坏形态问题。对于焊接连接试件，混凝土强度等级和钢材强度等级越高，试件的破坏形态就越容易呈现出焊缝裂纹的问题。随着混凝土强度等级和钢材强度等级的提高，试件的破坏形态也会从焊缝裂纹转变为钢材拉伸断裂。对于粘结连接试件，混凝土强度等级和钢材强度等级的提高对试件破坏形态的影响主要表现在钢筋的锚固性能上。随着混凝土强度等级和钢材强度等级的提高，试件的破坏形态也会从钢筋滑移转变为混凝土的破坏，试件的力学性能也会相应提高。因此，在装配式混凝土结构梁柱节点的设计和施工过程中，需要充分考虑混凝土强度等级和钢材强度等级对试件破坏形态的影响，采取合理的连接方式和相应的钢筋配筋措施，以确保节点连接的力学性能。

3 有限元结果分析

3.1 有限元模型建立

有限元分析是一种重要的工具，能够帮助业界更好地理解装配式混凝土结构梁柱节点的力学性能。使用ABAQUS 软件建立相应的有限元模型，并对两种不同连接方式下的节点受力情况进行模拟分析。在模拟分析中采用装配式混凝土结构梁柱节点试件，其中梁截面尺寸为240mm×600mm，柱截面尺寸为400mm×400mm，节点尺寸为300mm×300mm×400mm，混凝土强度等级为C30，钢筋强度等级为HRB400。模拟模型首先考虑焊接连接试件的情况，在有限元模型中采用3D 单元（C3D8R）进行建模。在分析中发现，随着节点承载载荷的增加，节点中心区域的混凝土出现了较大的应力集中现象，同时钢筋的拉应力也逐渐增大，当节点所承受的载荷达到一定程度时，节点发生了破坏[6]。在有限元模型中对粘结连接试件进行模拟分析，采用非线性接触单元（COH2）进行建模，节点中心区域的混凝土和钢筋应力均较小，而梁和钢筋的弯曲应力较大，说明在粘结连接试件中，梁和钢筋起到了主要的承载作用，而节点的承载能力相对较小[7]。为了进一步验证有限元分析结果，试验中采用与有限元分析中相同的节点尺寸和混凝土、钢筋强度等级，对试件进行加载。

3.2 混凝土强度等级的影响

混凝土的强度等级是指其标准试块在标准条件下的抗压强度。混凝土强度等级的提高会增加节点的承载能力和刚度，提高节点的耐久性和抗震性能[8]。随着混凝土强度等级的提高，节点的极限承载力和极限位移均有所增加。这是由于混凝土的强度越高，节点在荷载作用下的刚度和承载能力也越大。混凝土强度等级对节点极限承载力的影响用式（1）来表示：

式中，Pu为节点的极限承载力，AC为节点的混凝土面积，fc为混凝土的抗压强度，AS为节点中钢筋面积，fy为钢筋的屈服强度。在节点受力过程中，混凝土承担主要压力，其强度等级的提高对节点承载力的影响较为明显。以C30 和C50 两种混凝土强度等级为例，进行节点力学性能对比分析。首先，采用有限元软件建立C30 和C50 两种混凝土强度等级的节点有限元模型，并进行力学性能分析。通过分析可以得到两种强度等级的节点承载力、刚度和变形等数据，如表1 所示。

表1 两种强度等级的力学性能数据

通过比较可以看出，C50 强度等级的节点承载力、刚度和变形均优于C30 强度等级的节点。具体而言，C50 强度等级的节点承载力比C30 强度等级的节点高24.8%，节点刚度比C30强度等级的节点高23.4%，节点最大变形比C30 强度等级的节点小16.8%。这说明混凝土强度等级的提高能够显著地提高节点的承载能力和刚度，减少节点的变形。为更直观地比较两种强度等级的节点力学性能，图2 展示了两种节点在荷载—位移曲线上的表现。

图2 混凝土强度等级的影响

从图2 中可以看出，C50 强度等级的节点荷载—位移曲线比其他节点更加陡峭。这说明在相同的荷载作用下，C50 节点的变形更小，具有更好的抗震性能。这是因为C50 等级的混凝土拥有更高的强度和刚度，能够更好地承受荷载，并且在受到荷载时变形更小。因此，采用C50 强度等级的节点可以提高结构的抗震性能，使其在地震等自然灾害中具有更好的稳定性和安全性。除了节点的强度等级，节点的几何形状、连接方式、支撑方式等因素也会影响节点的抗震性能。在结构设计中，需要综合考虑这些因素，进行合理的设计和优化，以提高整个结构的抗震性能，从而保障人们的生命财产安全。

3.3 钢材强度等级的影响

在有限元分析中，钢材的强度可以通过材料参数进行表示，通常采用弹塑性本构模型，其中最常用的是双曲线本构模型。该模型可以描述材料在弹性阶段和塑性阶段的应力—应变关系，其表达式如式（2）所示：

式中，σ表示应力，ε表示应变，E表示弹性模量，表示应力为零时的应变值，α表示材料的强度系数。在本次有限元分析中，将分别采用HRB400 和HRB500 两种钢材进行节点分析，并比较它们的力学性能。图3 为不同钢材强度条件下的荷载位移曲线比较。

图3 混凝土强度等级的影响

从图3 可以看出，HRB500 钢材节点的荷载—位移曲线相对于HRB400 钢材节点的曲线更加平缓，即HRB500 钢材节点的刚度更大。这表明HRB500 钢材节点的承载能力比HRB400钢材节点更高。同时，HRB500 钢材节点的峰值荷载比HRB400钢材节点的峰值荷载高出约10%。这是因为高强度钢材可以承受更大的应力，从而提高了节点的整体抗弯刚度和承载能力。节点破坏方面，HRB500 钢材节点的破坏模式为韧性破坏，即节点在承受大量变形后，仍然能够保持一定的承载能力，而HRB400 钢材节点的破坏模式为脆性破坏，即节点在达到极限承载能力后立即崩塌。这说明高强度钢材可以有效地提高节点的安全性能。因此，钢材强度对节点力学性能的影响显著，高强度钢材可以提高节点的承载能力和安全性能。

3.4 钢筋配筋率的影响

在装配式混凝土结构中，钢筋配筋率是一个关键的设计参数，对节点的力学性能具有重要影响。本文使用有限元分析方法研究了钢筋配筋率对装配式混凝土结构梁柱节点力学性能的影响。在有限元模型中分别设置1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%不同的钢筋配筋率，其他参数如混凝土等级、钢材等级和节点尺寸保持不变。然后使用ANSYS 有限元软件对节点进行静力分析，得到节点的力学性能参数，包括节点的受力情况、节点的变形情况、节点的应力分布和节点的应变分布等。实验结果显示，在装配式混凝土结构梁柱节点中，钢筋配筋率对节点的承载力、刚度和变形能力均有影响。具体实验数据如表2 所示。

表2 钢筋配筋率的影响

实验结果表明，随着钢筋配筋率的增加，节点的受力性能和变形性能均得到了显著的提高。节点的最大承载力随着钢筋配筋率的增加而逐渐增加，当钢筋配筋率从1.0%增加到3.0%时，节点的最大承载力可以提高近60%。同时，节点的变形性能也得到了显著的改善，当钢筋配筋率从1.0%增加到3.0%时，节点的最大位移可以减小近40%。当钢筋配筋率达到一定值后，节点的承载力和刚度增加的趋势逐渐趋于平缓，而变形能力的增加趋势则逐渐加速。此外，钢筋配筋率的增加还可以改善节点的应力和应变分布情况，使节点的应力和应变更加均匀，从而提高了节点的力学性能。

综上所述，钢筋配筋率是影响装配式混凝土结构梁柱节点力学性能的一个重要参数。适当增加钢筋配筋率可以显著提高节点的受力和变形性能，改善节点的应力和应变分布情况。因此，在装配式混凝土结构设计中，应该根据实际需要合理选取钢筋配筋率，以实现最佳的力学性能。因此，在实际工程中，需要根据具体的节点设计要求和使用环境来确定合适的钢筋配筋率，以达到最优的力学性能。

4 结论

综上所述，本文对装配式混凝土结构梁柱节点进行试验概况介绍，选取合适的节点尺寸和配筋方案，进行单调加载实验和非线性有限元分析，得到了节点在不同荷载下的力学性能及破坏模式。实验证明，混凝土强度等级对节点的承载能力和变形性能具有较大影响，而钢筋强度等级则对节点的刚度和韧性具有显著影响，钢筋配筋率可以改善节点的应力和应变分布情况。因此，实际工程应用中，需要根据具体情况进行合理的设计和选材，以确保节点在使用过程中具有较好的力学性能和安全可靠性。未来的研究方向可以进一步深入探究节点的设计优化和材料选择，考虑更多的工程实际情况，如不同荷载条件下的节点受力情况、节点连接方式的影响等，以促进我国装配式建筑技术的发展和应用。