馬 磊， 黃慎江

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

裝配式建筑有著諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來發(fā)展的主流方向，但是其抗震性能一直飽受詬病，連接節(jié)點(diǎn)尤為突出。采用預(yù)應(yīng)力鋼筋連接預(yù)制梁柱構(gòu)件在發(fā)揮預(yù)應(yīng)力與裝配式結(jié)構(gòu)各自優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，又提高了節(jié)點(diǎn)的整體性與抗震性能。但是預(yù)壓裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)在梁柱拼接處采用了預(yù)應(yīng)力鋼筋連接，節(jié)點(diǎn)在荷載作用下承受彎矩的同時(shí)也有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，受力性能是介于剛接和鉸接之間的，所以應(yīng)為半剛性連接節(jié)點(diǎn)[1]。目前，對(duì)于預(yù)壓裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的研究，主要集中在節(jié)點(diǎn)耗能、延性等抗震性能等方面[2-7]，而對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度退化的研究甚少，尤其是這種采用預(yù)應(yīng)力連接的新型半剛性節(jié)點(diǎn)。但是節(jié)點(diǎn)剛度的退化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是非常重要的，所以掌握節(jié)點(diǎn)剛度的退化規(guī)律至關(guān)重要。因此本文在考慮到節(jié)點(diǎn)的半剛性前提下，利用ABAQUS來建立有限元模型，來模擬地震作用下此類型節(jié)點(diǎn)的剛度退化率。

1 有限元模型

本文有限元模型是以合肥工業(yè)大學(xué)柳炳康[8]的實(shí)驗(yàn)為例所建立的。模型的平面圖以及配筋圖如圖1所示。

圖1 模型的平面圖以及配筋圖

預(yù)壓裝配式結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)是將預(yù)制梁在柱的牛腿處吊裝就位以后，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行拼裝，最后在節(jié)點(diǎn)處灌注環(huán)氧樹脂水泥漿來增加混凝土與鋼筋的粘結(jié)作用，也在一定程度上提高了節(jié)點(diǎn)的整體性。由于考慮到節(jié)點(diǎn)半剛性的因素，所以此模型的節(jié)點(diǎn)是建模中的重點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力的施加采用降溫法，定義好預(yù)應(yīng)力鋼筋的膨脹系數(shù)后，根據(jù)溫度=-力/(膨脹系數(shù)×彈性模量×鋼筋面積),即可得到所需的預(yù)應(yīng)力值。為了體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的半剛性，對(duì)于節(jié)點(diǎn)處梁柱的拼接面設(shè)置面面接觸，切向設(shè)置庫(kù)侖摩擦，摩擦系數(shù)為0.6，法向設(shè)置硬接觸，來模擬環(huán)氧樹脂水泥漿的粘結(jié)作用?；炷翆?shí)體單元?jiǎng)澐譃榇笮?.05 m×0.05 m的網(wǎng)格。

2 地震波的選取

地震波在選擇時(shí)主要是要注意所選地震波的特性要與建筑場(chǎng)地的地震烈度與地震強(qiáng)度、場(chǎng)地條件、卓越周期、反應(yīng)譜以及遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)地震等參數(shù)盡可能一致，其中最主要的是所選地震波的主要周期要與建筑場(chǎng)地的卓越周期相接近。以往大量的計(jì)算結(jié)果表明，采用不同的地震記錄進(jìn)行分析計(jì)算，所得到的內(nèi)力以及位移等結(jié)果會(huì)有很大差異，所以合理地選擇地震波直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[9]。

本文所選取的是EL-Centro 波和Taft 波，這是美國(guó)歷史上的兩條實(shí)際記錄的地震波。EL-Centro 波里氏震級(jí)為6.7級(jí)，峰值加速度為341.7 cm/s2；Taft 波里氏震級(jí)為7級(jí)，峰值加速度為 175.9 cm/s2。

假設(shè)模型結(jié)構(gòu)處在8度區(qū)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，由于半剛性的預(yù)壓裝配式混凝土結(jié)構(gòu)暫時(shí)還沒有相應(yīng)的規(guī)范與指導(dǎo)取值，所以地震波最大加速值參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)，并將Taft波的峰值加速度調(diào)至70 cm/s2。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 多遇地震下的結(jié)果分析

地震作用下結(jié)構(gòu)的受力是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，不同的時(shí)間結(jié)構(gòu)受力不同，所產(chǎn)生的位移與破壞也同。將Taft波的峰值加速度調(diào)整到70 cm/s2后，進(jìn)行模擬分析得到了如圖2所示的梁的最大變形云圖以及如圖3所示的柱的最大變形云圖。根據(jù)模擬結(jié)果所顯示的梁柱變形圖可知：在多遇地震作用下，梁是先于柱達(dá)到最大變形的，這說明節(jié)點(diǎn)與梁在地震的破壞下可以先行吸收一定的能量，隨后才是柱的變形達(dá)到最大值，這符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念，說明此種預(yù)壓裝配式結(jié)構(gòu)地節(jié)點(diǎn)具有不錯(cuò)的抗震性能。

圖2 梁的最大變形云圖

觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)：梁柱的節(jié)點(diǎn)位置和梁的下端變形較大，這是由于在“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念下，在地震作用下梁端首先產(chǎn)生塑性鉸，而后混凝土梁的受力增大，這可能是因?yàn)榈卣鹱饔孟铝褐?jié)點(diǎn)起粘結(jié)作用的環(huán)氧樹脂水泥漿隨著地震作用的增強(qiáng)逐漸開始退出工作以及由于變形的出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼筋的長(zhǎng)度有所變化導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力有一定程度損失導(dǎo)致的。通過圖3可以得知,在此次地震作用模擬下,柱腳的受力與變形較大，而且柱最大變形的出現(xiàn)是滯后于梁的。

圖3 柱的最大變形云圖

由此可知預(yù)壓裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下梁優(yōu)先于柱破壞，而且梁的受力是從下端的受拉開始，屬于延性耗能破壞；柱的最大變形是從柱頂開始而后轉(zhuǎn)移到柱腳，這樣的受力形式不會(huì)過早造成柱的失穩(wěn)，符合“小震不倒”的抗震設(shè)防原則，所以結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形符合混凝土的受力特性與破壞特征，體現(xiàn)了良好的抗震性能。

結(jié)構(gòu)在地震作用下的剛度退化率(SDEG)的變化云圖如圖4所示。

圖4 模型多遇地震下剛度退化云圖

從圖4可以看出,預(yù)壓裝配式混凝土結(jié)構(gòu)梁柱半剛性節(jié)點(diǎn)的剛度退化是比較明顯的，而且在整個(gè)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的剛度退化也是出現(xiàn)比較早的，側(cè)面說明梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能相比于預(yù)制的梁柱是有所欠缺的。

整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的剛度退化主要體現(xiàn)在柱和梁柱節(jié)點(diǎn)上，如圖5所示，梁的剛度退化處在整體剛度退化的偏低位置。

圖5 梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度退化率

由圖5可知,梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度最大下降率為23%，但是加載前期的剛度退化率很小,幾乎沒有退化，這說明加載的前期在未到達(dá)加速度峰值的時(shí)候結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，剛度幾乎不退化。

根據(jù)多個(gè)地震作用下模擬結(jié)果可知：結(jié)構(gòu)混凝土已經(jīng)度過了彈性階段進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，混凝土帶有裂縫工作但是還沒有進(jìn)一步的發(fā)展。此時(shí)節(jié)點(diǎn)的剛度下降率為23%，即如果在計(jì)算分析時(shí)取剛度折減系數(shù)應(yīng)為0.77左右，這與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的梁類構(gòu)件剛度折減系數(shù)為0.4有較大差異。

3.2 罕遇地震作用下模擬結(jié)果分析

在同一次地震作用下，建筑物距離震中的位置不同時(shí)所遭受的震害也不一樣，所以極有可能在震源區(qū)域的震害遠(yuǎn)大于地震動(dòng)的邊緣區(qū)域。鑒于此，我們進(jìn)行了罕遇地震作用下的有限元模擬分析。模擬結(jié)果中，節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)的位移走勢(shì)大致相同，所以仍然是以左梁左端的節(jié)點(diǎn)位移為例進(jìn)行分析。罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移最大的地方在柱腳處，這也是在實(shí)際強(qiáng)震作用下混凝土結(jié)構(gòu)常有的破壞形態(tài)。

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的整體剛度下降率(SDEG)云圖如圖6所示。

圖6 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)剛度退化云圖

由圖6可知，剛度下降最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)的拼接處和柱腳處，最嚴(yán)重的位置剛度下降率接近75%。因?yàn)樵诘卣鹱饔孟虏捎妙A(yù)應(yīng)力鋼筋以及環(huán)氧樹脂水泥漿拼接的梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)變形，而且隨著位移值的不斷增大梁柱拼接處在力的傳遞方面存在著缺失，所以導(dǎo)致梁跨中的剛度下降率較低。

梁柱節(jié)點(diǎn)在罕遇地震作用下的剛度下降率如圖7所示。

圖7 罕遇地震作用下梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度退化率

由圖7可知，其與多遇地震作用下的剛度退化率相似，在前地震作用的前期即大約2 s內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剛度幾乎都不下降，這說明預(yù)壓裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)是有一定的抗震能力，能夠吸收一部分的地震能量。沒有在地震波加載的初期很快出現(xiàn)剛度退化，說明這種通過預(yù)應(yīng)力鋼筋鏈接的梁柱節(jié)點(diǎn)中，預(yù)應(yīng)力鋼筋既能夠使梁柱節(jié)點(diǎn)拼接在一起共同受力，又能夠在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫后獨(dú)立承擔(dān)荷載以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及延性。

所以在罕遇地震作用下節(jié)點(diǎn)的剛度下降是比較迅速的而且下降程度較大，節(jié)點(diǎn)最大的剛度下降率達(dá)到了64%，這是由于在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件的損傷比較嚴(yán)重，而且伴隨著大量的不可恢復(fù)的變形。這說明結(jié)構(gòu)破壞也已經(jīng)經(jīng)歷了混凝土梁的裂縫發(fā)展階段進(jìn)入了屈服階段，剛度下降率加劇達(dá)到了64%，即如果在計(jì)算分析時(shí)取剛度折減系數(shù)應(yīng)為0.36左右，這與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[22]中規(guī)定的梁類構(gòu)件剛度折減系數(shù)為0.4比較接近。

4 結(jié) 論

本文利用ABAQUS軟件對(duì)預(yù)壓裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇與罕遇地震作用下的模擬，分析了此類型結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點(diǎn)的剛度退化程度與剛度折減系數(shù)，并將其與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的梁類構(gòu)件剛度折減系數(shù)相比較，得出如下結(jié)論：

(1)不管是在多遇還是罕遇地震作用下，預(yù)壓裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點(diǎn)的變形和剛度的退化總是大于柱。

(2)多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的破壞與構(gòu)件的損傷并不嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)的剛度退化也不那么明顯，在以后的計(jì)算分析中，剛度折減系數(shù)取0.77比較合適；而罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件都已經(jīng)產(chǎn)生了大量不可恢復(fù)的變形，材料也幾乎都進(jìn)入了屈服階段，剛度下降率加劇達(dá)到了64%，剛度折減系數(shù)大概為0.36，與規(guī)范中的0.4比較接近。

(3)規(guī)范中規(guī)定的剛度折減系數(shù)是對(duì)構(gòu)件的剛度進(jìn)行一次折減，并不能準(zhǔn)確體現(xiàn)出真實(shí)的剛度退化規(guī)律，由模擬結(jié)果可知：在結(jié)構(gòu)受力的前期，構(gòu)件尚未屈服，節(jié)點(diǎn)的剛度退化約為23%，若剛度折減系數(shù)取0.4則過大，這說明節(jié)點(diǎn)的剛度退化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，對(duì)剛度的折減也應(yīng)該是分為多階段采取不同的剛度折減系進(jìn)行折減。