王乾隆，楊 斌

(武漢大學 土木建筑工程學院， 湖北 武漢 430072)

21世紀以來，裝配式建筑以其設計標準化、生產工業(yè)化、現(xiàn)場施工裝配化及建造過程信息化的特點逐漸被公眾熟知，現(xiàn)階段主要的裝配式結構形式主要有裝配式框架結構和裝配式剪力墻結構。

對于裝配式框架結構，設計關鍵是其梁柱的連接方式。從19世紀90年代至今，有很多專家學者都對各種連接方式進行了研究。例如，張海順[1]、李世達[2]、王建[3]、Ousalem等[4]、Ersoy等[5]及Vasconez等[6]分別對漿錨連接、灌漿套筒連接、螺栓連接、焊板連接及HPFRC連接等連接方式進行了探究，而近年來隨著建筑高度的增高，干式連接形式逐漸不滿足設計需求，并且由于復雜的鋼筋配置，濕法連接形式在實際工程中裝配難度較大、造價很高。

對于此種配筋形式的裝配式柱，本課題組進行了抗震性能試驗。在此試驗的基礎上，利用有限元軟件ABAQUS對在各參數(shù)作用下的集束配筋裝配式柱抗震性能進行數(shù)值模擬分析，通過對模擬試驗結果與試驗數(shù)據進行對比分析來驗證模型建立的合理性，并進行因素拓展分析，綜合分析得出集束配筋裝配式柱抗震性能影響規(guī)律。

1 試驗概況

根據此配筋形式及連接方式，本試驗考慮了軸壓比、搭接長度和鋼筋間距三個影響因素,共設計了7個裝配式試件以及3個現(xiàn)澆式足尺柱試件，分別編號ZP-1—ZP-7和XJ-1—XJ-3。試件設計參數(shù)見表1。

表1 主要設計參數(shù)

注：前面的軸壓比為設計軸壓比，括號內為實際軸壓比。

各試件均由底座、柱兩部分組成，柱尺寸為400 mm×400 mm×1 700 mm，底座尺寸為1 400 mm×1 400 mm×600 mm，上部柱鋼筋均采用集束配筋形式，裝配式柱連接處采用漿錨鏈接形式?；炷敛捎肅40商品混凝土，柱縱筋、箍筋及底座配筋均采用HRB400鋼筋，直徑分別為14 mm、8 mm和18 mm。試件尺寸、配筋及詳細施工圖見圖1。

圖1裝配式試件幾何尺寸和配筋

2 基于ABAQUS的有限元分析模型

2.1 材料的本構模型

在模擬中，考慮混凝土和灌漿料的抗拉作用，混凝土和灌漿料本構關系采用《混凝土結構設計規(guī)范》[11](GB 50010—2010)中的混凝土單軸受壓和受拉應力-應變關系。鋼筋本構關系采用線性強化彈塑性模型，公式如下，E1為強化階段直線斜率(見圖2)，取E1=0.001E：

2.2 模型建立

由于在理論上，鋼筋與混凝土之間的變形系數(shù)接近，且在試驗結束后發(fā)現(xiàn)鋼筋與混凝土之間沒有相對滑移，因此鋼筋單元不再考慮粘結滑移的影響?；炷梁凸酀{料均選用8節(jié)點等參線性縮減積分實體單元C3D8R，縱筋、箍筋及螺旋箍筋均采用三維桁架單元T3D2。對部件進行組裝時，鋼筋與混凝土之間采用Embedded連接，其他Part之間接觸均采用Tie進行綁定。為保證模擬與試驗加載形式的一致性，在柱頭建立一個剛性鋼板，與柱頭Tie連接；邊界條件為柱底端固端約束，以防止加載過程中發(fā)生平面外轉動。模型的網格劃分對模擬分析精度具有重要影響，經過不斷嘗試，本模型選用50 mm的映射網格(見圖3)。

圖2鋼筋本構

3 數(shù)值模擬與試驗結果對比

3.1 應力云圖與破壞形態(tài)

圖4為搭接長度560 mm、搭接間距20 mm的柱在軸壓比0.4下的應力云圖，圖5為試件ZP-5的破壞形態(tài)。對比分析可以看出，模型是柱根部塑性鉸區(qū)的混凝土累計塑性應變最大，與試驗中試件混凝土根部混凝土破壞剝落現(xiàn)象一致；鋼筋應力云圖可以看出，下部塑性鉸區(qū)的箍筋和縱筋應力值最大。云圖顯示出破壞形態(tài)與試驗破壞的形態(tài)基本一致，說明采用ABAQUS可以比較正確地模擬試驗過程中裝配式試件的破壞過程。

(a) 混凝土應力云圖 (b) 鋼筋應力云圖

圖3ABAQUS模型 圖4模擬應力云圖 圖5試驗破壞形態(tài)

3.2 滯回曲線和骨架曲線的對比

圖6分別為試件的試驗滯回曲線、骨架曲線和ABAQUS模擬的滯回曲線、骨架曲線對比。

圖6試驗滯回曲線、骨架曲線與模擬對比圖

對比分析可得，數(shù)值分析數(shù)據與試驗數(shù)據具有較大的吻合度，但仍存在一些差異：

(1) 模擬滯回曲線與試驗滯回曲線基本吻合，表現(xiàn)出明顯的下降段和“捏縮”現(xiàn)象，且峰值荷載也較為接近。

(2) 模擬骨架曲線與試驗骨架曲線吻合較好，剛度退化和強度退化趨勢也基本相同。

(3) 數(shù)值模擬結果對稱性較好，而試驗值正向加載與反向加載基本都存在偏差，主要是由于加載過程中的試驗誤差造成。

3.3 承載力和延性對比

根據骨架曲線，計算出各試件和數(shù)值模型在加載過程中的屈服位移Δy、屈服荷載Py、峰值位移Δm、峰值荷載Pm、85%最大荷載處對應的極限位移Δu和極限荷載Pu。根據計算結果，試件及數(shù)值模型的位移延性系數(shù)見表2。

表2 實驗結果與模擬結果對比

對比分析表2中試驗數(shù)據和模擬數(shù)據，可得：

(1) 相對于試驗數(shù)據，模擬數(shù)據更為對稱，且各試件的試驗屈服荷載、峰值荷載及極限荷載都較模擬數(shù)據值大，比例分別為14.7%、10.1%、10.5%、13.7%、10.9%、14.1%，可以看出模擬數(shù)據與試驗數(shù)據誤差基本都在15%之內，兩者吻合較好。

(2) 試驗數(shù)據骨架曲線延性系數(shù)與模擬數(shù)據骨架曲線延性系數(shù)差異分別為6.6%及5.5%，說明模擬數(shù)據與試驗結果差異很小，說明ABAQUS模擬結果也可以很好的反映試件的承載力及延性。

通過對試件破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、延性系數(shù)與模擬應力云圖、滯回曲線、骨架曲線、延性系數(shù)的對比，可以看出模擬情況與試驗結果基本相同，說明ABAQUS可以準確地模擬出漿錨連接集束配筋裝配式柱的抗震性能，故繼續(xù)使用ABAQUS軟件進行拓展分析，以彌補試驗中試件數(shù)量的不足和缺陷。

3.4 模擬結果對比分析

本課題試驗設計時，考慮三個因素三水平。由于試驗的局限性，每個因素只做了一次對比分析，本節(jié)利用ABAQUS軟件進行更多的因素對比，以更全面地研究軸壓比、搭接長度、搭接間距對半灌漿集束配筋裝配式柱承載性能、延性性能的影響。

3.4.1 軸壓比的影響

本節(jié)分別模擬了當搭接間距為250 mm、搭接間距為20 mm時和搭接間距為560 mm、搭接間距為20 mm時，不同軸壓比下，柱在循環(huán)荷載作用下的滯回性能，其骨架曲線對比如圖7所示。

圖7不同軸壓比下骨架曲線對比

對比分析圖7可以看出，在相同搭接長度和搭接間距情況下，隨著軸壓比的增大，柱的峰值荷載逐漸增加，而達到峰值荷載后，骨架曲線斜率逐漸加大，說明承載力的下降速度也逐漸加快，強度退化更加迅速。

3.4.2 搭接長度的影響

本節(jié)分別模擬和對比了當軸壓比為0.6、搭接間距為10 mm時和當軸壓比為0.6、搭接間距為30 mm時，集束配筋裝配式柱在不同搭接長度下的滯回性能，其骨架曲線對比如圖8所示。

圖8不同搭接長度下骨架曲線對比

對比分析圖8可以看出，在同一軸壓比下，在搭接間距10 mm和30 mm情況下，隨著搭接長度的增加，裝配式柱的滯回性能呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，即從250 mm增加至420 mm時，其峰值荷載增加12.2%，而繼續(xù)增加到560 mm時，峰值荷載僅增加3.2%，說明適量的增加搭接長度可以提高裝配式柱的水平承載力，而過度增加對其影響不大，而造成不必要的成本增加。

3.4.3 搭接間距的影響

本節(jié)分別模擬和對比了當搭接長度為250 mm、軸壓比為0.6時和當搭接長度為560 mm、軸壓比為0.6時，集束配筋柱在不同搭接間距下的滯回性能，其骨架曲線對比如圖9所示。

圖9不同搭接間距下骨架曲線對比

對比分析圖9中數(shù)據，可以看出，在搭接長度250 mm及560 mm情況下，搭接間距對裝配式柱骨架曲線的峰值荷載、剛度退化、強度退化等影響很小，說明此因素對裝配式柱的滯回性能影響很小，在實際設計過程中可以不用考慮。

4 結 論

通過對集束配筋裝配式柱的數(shù)值模擬，根據模擬結果與試驗結果以及模擬結果之間的對比，可以得到如下結論：

(1) 相對于試驗，模擬結果可以很好地反映出試驗破壞現(xiàn)象以及柱的滯回性能，可以利用ABAQUS有限元軟件進行拓展模擬分析。

(2) 隨著軸壓比的增大，裝配式柱的峰值荷載增加，但其剛度退化及強度退化也相應加快，延性性能降低。

(3) 增大搭接長度可提高柱的抗震性能，但有一定限度。在較小搭接長度下，隨著搭接長度的增大，裝配式柱的抗震性能指標都有明顯的增大，抗震性能提高；當增加到一定數(shù)值后，繼續(xù)增加搭接長度，各指標增加不顯著，抗震性能提升不大。

(4) 在裝配過程中，不同搭接鋼筋間距對各項抗震性能指標影響不大，指標變化較小，表明鋼筋間距對集束配筋裝配式柱的抗震性能影響較小。