王德波 韓兆坤

1. 青島靈山灣開發(fā)建設(shè)有限公司 山東 青島 266499；2. 北京東方華脈工程設(shè)計有限公司青島分公司 山東 青島 266555

引言

本文提出一種新型的半剛性裝配式混凝土梁柱節(jié)點形式，該節(jié)點采用帶牛腿承臺通長預(yù)制柱與預(yù)制混凝土梁通過高強螺栓貫通連接。對裝配式節(jié)點進(jìn)行足尺試驗，利用該節(jié)點的破壞狀態(tài)、滯回曲線和骨架曲線來驗證該節(jié)點在低周反復(fù)荷載下的承載能力及抗震耗能性能。同時，運用有限元分析軟件ANSYS對其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該節(jié)點在服役階段時的應(yīng)力演化過程，深入探究節(jié)點在周期荷載作用下的服役機理，為該節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計和理論分析提供依據(jù)。

對于裝配式梁柱節(jié)點，一些學(xué)者進(jìn)行了研究，主要集中于試驗和理論研究。在試驗方面，王靜峰等設(shè)計和制作了2個帶樓板的薄壁鋼管混凝土組合節(jié)點，并進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗，發(fā)現(xiàn)螺栓錨固構(gòu)造對組合節(jié)點的變形性能具有較大影響作用；徐瑩璐等提出了一種新型的弱軸連接組合節(jié)點，進(jìn)行了擬靜力試驗和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)單軸對稱鋼梁截面可以減小組合效應(yīng)的不利影響；陳珊珊等對具有不同寬度樓板的裝配式型鋼混凝土柱－鋼梁節(jié)點抗震性能進(jìn)行了分析，指出樓板有效寬度的增加對節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和承載能力均有明顯提升作用。在理論方面，張婧等對3個平齊端板連接梁柱組合節(jié)點進(jìn)行了循環(huán)往復(fù)試驗，提出了梁端初始轉(zhuǎn)動剛度的計算公式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近；李國強等對3個平齊式端板自鎖式單向螺栓連接節(jié)點進(jìn)行了單調(diào)加載試驗，給出了該節(jié)點在彎矩荷載作用下的高強螺栓的力的分布形式；王振宇等提出了以T型件作為基本分析單元，通過單個彈簧代替多個彈簧模擬T型件，計算結(jié)果與多個文獻(xiàn)中的試驗結(jié)果吻合程度較好。

根據(jù)以上所述可以看出，人們對于考慮組合樓板作用的裝配式節(jié)點已有一定程度的研究，但對于外伸端板裝配式節(jié)點在與組合樓板共同作用時的相關(guān)研究尚為匱乏，而端板節(jié)點是裝配式鋼框架中較為常用的梁柱連接形式，當(dāng)該節(jié)點連接形式與組合樓板共同作用時，在外荷載作用下節(jié)點的變形與受力模式將會變復(fù)雜。因此，為完善組合樓板對裝配式端板節(jié)點抗震性能的影響作用，本文對2個節(jié)點試件進(jìn)行了擬靜力試驗和數(shù)值模擬分析，研究其破壞模式、滯回性能、承載能力、半剛性性能以及受力機理。此外，還對采用不同類型壓型鋼板的節(jié)點抗震性能變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 裝配式發(fā)展概述

裝配式其具有施工工期短、機械化程度高、成本及人力消耗低的特點，其中剪力墻具有較高的承載力及水平抗側(cè)力剛度，是適用于裝配式建筑的一種結(jié)構(gòu)形式。

裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，而中國是一個地震多發(fā)的國家，地震強度大、范圍廣，因此研究裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估模型具有重要的現(xiàn)實意義[3]。

在以往的研究中，多是通過模擬軟件分析裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，這種方法無法分析剪力墻整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，導(dǎo)致分析誤差較大。因此，本文設(shè)計一種裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估模型對其抗震性能進(jìn)行評估。此次設(shè)計的評估模型通過剪力墻性態(tài)水準(zhǔn)、性能指標(biāo)與性態(tài)目標(biāo)建立起裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的評估指標(biāo)，將此作為重要的評估對象，在此基礎(chǔ)上，定義剪力墻結(jié)構(gòu)實體，分析剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)性，采用智能模糊算法對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評估。

2 試驗概況

2.1 節(jié)點設(shè)計與制作

T型預(yù)制梁外端與牛腿柱外側(cè)分別預(yù)埋鋼制承壓板，螺栓兩端用螺母與承壓板連接。該節(jié)點尺寸設(shè)計時中現(xiàn)澆節(jié)點尺寸，混凝土材料及其鋼構(gòu)件力學(xué)參數(shù)分別見表1和表2。

表1 混凝土材料力學(xué)性能

表2 鋼筋及其他鋼構(gòu)件力學(xué)性能

對進(jìn)場檢驗的鋼筋進(jìn)行焊接，并搭架鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)檢查無誤后安裝木質(zhì)模板。模板檢驗無誤后，在其表面涂抹隔離油，并用膠帶密封接頭部位。

2.2 試驗工況

本試驗采用擬靜力試驗，加載裝置為北京佛力生產(chǎn)±500kN電液伺服加載系統(tǒng)，動作器有效里程為±250mm。預(yù)制柱下端用螺栓錨固，上端用千斤頂施加500kN豎向軸力。同時，預(yù)制柱兩端用螺紋鋼筋及型鋼進(jìn)行約束，防止試件在加載期間發(fā)生垮塌。加載裝置布置在預(yù)制梁外側(cè)，通過伺服加載系統(tǒng)施加低周反復(fù)荷載。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 節(jié)點模型設(shè)計

裝配式節(jié)點由方鋼管柱、H型長梁、弧形腋板、焊接用H型短梁、焊接用柱肋板、腹板連接板等構(gòu)件組成。組裝前將設(shè)有凹槽的短梁焊接于柱面兩端，肋板焊接于短梁上下、柱面偏心處，腋板焊接于長梁翼緣軸心處；組裝時將長梁翼緣接入短梁凹槽處，上下腋板接入柱肋板處，通過螺栓進(jìn)行連接，長短梁腹板處通過連接板使用螺栓連接。為擴展有限元計算模型，對6個不同構(gòu)件尺寸的中柱節(jié)點進(jìn)行低周往復(fù)循環(huán)加載的擬靜力數(shù)值分析[1]。

3.2 節(jié)點破壞特征

當(dāng)正向加載為30kN時，在加載梁的中間部位上部出現(xiàn)第一條裂縫；當(dāng)反向加載時，裂縫消失，在下部相似位置出現(xiàn)一條裂縫；當(dāng)加載至50kN時，T形梁端承壓板邊緣出現(xiàn)第一條斜裂縫；隨著加載力的增大，裂縫數(shù)量越來越多，T形梁端承壓板邊緣裂縫寬度增加且梁與柱相交截面出現(xiàn)裂縫；加載至60kN時，T形端裂縫不斷發(fā)展，梁上部與柱相交處裂縫寬度持續(xù)增加；當(dāng)加載至70kN時，梁端的混凝土裂縫寬度達(dá)到7cm，核心區(qū)裂縫寬度也逐漸持續(xù)增大；當(dāng)加載至75kN時，梁主要受力鋼筋屈服，即達(dá)到屈服強度，采用位移加載；隨著位移的增大，梁上部裂縫寬度達(dá)到10cm，承壓板邊緣斜裂縫寬度達(dá)到5cm, T形梁端混凝土壓碎破壞。核心區(qū)混凝土壓碎破壞，承壓板附近混凝土發(fā)生剪切破壞，節(jié)點處柱與牛腿并未出現(xiàn)裂縫，滿足設(shè)計要求“強柱弱梁”，高強螺栓發(fā)生屈服。

4 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估模型設(shè)計

4.1 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估模型架構(gòu)

此次研究的裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估模型的主要優(yōu)勢為：具有齊全的裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程內(nèi)所使用的信息內(nèi)容，能夠為評估提供依據(jù)。同時，該模型內(nèi)提供評估指標(biāo)與評估方法，模型具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估模型架構(gòu)

裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估模型的實現(xiàn)過程如下：

第一，利用建筑設(shè)計軟件，構(gòu)建裝配式建筑剪力墻模型[2]；

第二，導(dǎo)出模型，通過裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)模型獲得組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建信息，構(gòu)建用于裝配式建筑剪力墻抗震加固的建筑模型信息；

第三，通過上述建筑模型能夠獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計模型內(nèi)的幾何模型，在對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估過程中，依據(jù)評估指標(biāo)將評估信息反映至評估模型中，以對模型修正；

第四，根據(jù)此模型對裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評估。

該模型實現(xiàn)過程中，評估指標(biāo)與評估方法為重點設(shè)計部分，具體實現(xiàn)過程如下。

4.2 裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估指標(biāo)建立

通過剪力墻性態(tài)水準(zhǔn)、性能指標(biāo)與性態(tài)目標(biāo)建立起裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的評估指標(biāo)。性態(tài)水準(zhǔn)代表剪力墻結(jié)構(gòu)在某一地震水平下預(yù)期的破壞程度，因此根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、整體結(jié)構(gòu)、構(gòu)建等評估剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能等級。

為便于裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能評估，性態(tài)水準(zhǔn)還應(yīng)表達(dá)為各種性能指標(biāo)，性能指標(biāo)由一個或多個性能參數(shù)進(jìn)行定義，此次研究以位移指標(biāo)劃分極限狀態(tài)。依據(jù)損傷評定過程，計算剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能，從上述計算能夠看出，此次設(shè)計的模型能夠反映地震對剪力墻結(jié)構(gòu)損傷程度的影響，以此完成裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的評估[4]。

5 結(jié)束語

通過對新型半剛性裝配式節(jié)點進(jìn)行試驗及有限元數(shù)值模擬，本文主要結(jié)論如下：

本文所提出的新型裝配式半剛性節(jié)點其破壞主要集中在節(jié)點核心區(qū)，T形梁端承壓板附近裂縫較為集中，以梁上下表面對稱趨勢向梁中部開裂，梁尾部無明顯裂縫；預(yù)制柱端、牛腿部位均完好，滿足“強柱弱梁”的設(shè)計要求。

新型裝配式節(jié)點在低周反復(fù)荷載下，其屈服荷載及極限荷載較現(xiàn)澆節(jié)點明顯提高，其整體承載能力提升約25.41%，滯回曲線飽滿，耗能性能優(yōu)良。

模擬結(jié)果顯示，節(jié)點在服役階段，高強螺栓為主要的承載構(gòu)件，混凝土預(yù)制梁柱為次要承載構(gòu)件。表明當(dāng)預(yù)制梁柱強度滿足荷載要求時，通過更換高強螺栓即可完成災(zāi)后預(yù)制節(jié)點修復(fù)工作，符合該新型節(jié)點的設(shè)計理念。