摘要： 基于框架結(jié)構(gòu)“強節(jié)點弱構(gòu)件”的抗震需求和節(jié)點易于實現(xiàn)可靠連接，提出一種新型鋼筋混凝土框架裝配式混合連接節(jié)點形式。考慮梁端剛/柔性兩種連接方式，采用有限元軟件ABAQUS建立2個新型鋼筋混凝土框架裝配式混合連接中節(jié)點模型和1個現(xiàn)澆對比試件模型，并對其進行水平循環(huán)往復(fù)荷載下的抗震性能模擬。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)整理，對試件滯回性能、節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度、耗能能力和破壞模式進行對比分析。研究結(jié)果表明：裝配式混合連接節(jié)點采取鋼管混凝土實現(xiàn)了節(jié)點區(qū)混凝土斜壓帶和鋼板斜拉帶協(xié)同抗剪機理，提高了節(jié)點核心區(qū)抗剪能力，更好地滿足“強節(jié)點”的抗震需求;裝配式連接節(jié)點梁端剛/柔性連接方式均不同程度實現(xiàn)了梁端塑性鉸區(qū)遠離節(jié)點區(qū);梁端剛性連接裝配式連接節(jié)點試件的塑性鉸區(qū)距離節(jié)點區(qū)最遠，其整體性最好，初始抗彎剛度最大;梁端柔性連接裝配式連接節(jié)點試件的塑性鉸區(qū)范圍較大，損傷耗能發(fā)展持續(xù)，而梁端剛性連接試件的塑性鉸區(qū)相對集中，損傷耗能發(fā)展快速充分。

關(guān)鍵詞： 裝配式混凝土結(jié)構(gòu); 混合連接節(jié)點; 梁端連接方式; 抗震性能; 數(shù)值模擬

中圖分類號： TU374 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號： 1000-0844（2024）06-1387-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221101001

Numerical simulation on seismic performance of hybrid-connection

joints in prefabricated concrete frame structures

GAO Yi， FANG Youzhen， PENG Jianfeng， WU Tao

（College of Civil Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011， Jiangsu， China）

Abstract： To meet the seismic requirements of “strong joint and weak member” of frame structures， facilitate convenient construction， and achieve the reliability of joints， this paper proposes a novel beam-column joint of prefabricated concrete frames. Considering the rigid/flexible connection mode at the beam end， two specimens of interior joints of prefabricated reinforcement concrete frames and a cast-in-place specimen for comparison were designed using the finite element software ABAQUS. The seismic performance of these specimens under lateral cyclic loading was simulated. Their hysteretic behavior， rotational stiffness， energy-dissipation capacity， and failure mode were compared and studied. The results show that the concrete-filled steel tube adopted in the prefabricated beam-column joint realizes the cooperative shear mechanism of the concrete compression field and the steel tension field in the panel zone， improves its shear capacity， and meets the seismic requirement of “strong joint.” The prefabricated beam-column joints with rigid/flexible connection mode at the beam ends keep the plastic hinge zone of the beam end away from the connection area. The prefabricated beam-column joint with a rigid connection at the beam end has the largest initial bending stiffness and the best integrity. The plastic hinge zone of the specimen with a flexible connection at the beam end is large， and its damage energy-dissipation process is sustainable， whereas the plastic hinge zone of the specimen with a rigid connection is concentrated， and its damage energy dissipation is developed rapidly.

Keywords： prefabricated concrete structures; hybrid-connection joints; connection type at beam end; seismic performance; numerical simulation

0 引言

自20世紀(jì)80年代開始，我國建筑業(yè)進入快速發(fā)展階段，施工技術(shù)水平不斷提升，逐步成為我國四大支柱產(chǎn)業(yè)之一。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人們生活質(zhì)量提高，節(jié)能減排和保護環(huán)境日益被人們重視。傳統(tǒng)的建筑業(yè)勞動力需求量大，施工質(zhì)量受現(xiàn)場影響，環(huán)境污染嚴(yán)重，而預(yù)制裝配式建筑工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝，施工速度快，人工需求量小，且節(jié)能環(huán)保，勢必在未來建筑工程中得到大力推廣^［1］。而預(yù)制裝配式建筑整體性取決于現(xiàn)場裝配連接傳力的可靠性，因此，針對裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的裝配連接力學(xué)性能進行研究顯得尤為迫切。

迄今，諸多國內(nèi)外學(xué)者在裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點方面展開了系列研究：李正良等^［2］提出了裝配式鋼管混凝土柱-帶鋼接頭的鋼筋混凝土梁柱節(jié)點，并進行了抗震試驗研究，結(jié)果顯示采用鋼接頭連接的節(jié)點具有良好的抗震延性。Guan等^［3］對考慮縱筋錨固長度和疊合拼接的預(yù)制裝配式連接進行了試驗研究，結(jié)果顯示，其力學(xué)發(fā)展進程理想，且可采用單調(diào)荷載模型預(yù)估塑性鉸長度。郭小農(nóng)等^［4-5］提出一種預(yù)制混凝土梁端，其節(jié)點采取預(yù)埋槽鋼與型鋼混凝土柱螺栓連接，通過試驗和有限元模擬，結(jié)果顯示，槽鋼埋深和梁端箍筋影響節(jié)點承載力和變形能力，且槽鋼偏心對節(jié)點力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。Nzabonimpa等^［6］提出一種在柱與預(yù)制梁連接部位預(yù)埋鋼板并采取機械連接的裝配式節(jié)點形式，試驗結(jié)果進一步表明，預(yù)埋鋼板強度和剛度合理設(shè)置可實現(xiàn)該裝配式節(jié)點較為優(yōu)越的抗震性能。Huang等^［7］提出一種采用鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)與梁柱通過螺栓連接的新型裝配式高強節(jié)點，抗震試驗和數(shù)值模擬驗算了該新型節(jié)點具有較高承載力和良好的力學(xué)性能。楊輝^［8］提出了一種新型干濕混合式局部后張預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點，試驗結(jié)果表明，鋼筋和混凝土間的滑移對節(jié)點性能影響較小，節(jié)點抗震指標(biāo)較理想。許偉志等^［9］考慮到兩類典型的裝配式節(jié)點非線性行為與現(xiàn)澆節(jié)點的區(qū)別，研究了這些區(qū)別對框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)產(chǎn)生的影響。

綜上，針對裝配式鋼筋混凝土框架梁柱連接節(jié)點形式的研究成果有限，目前多數(shù)連接方式均難以實現(xiàn)混凝土抗剪桁架的傳力模式，且連接部位局部混凝土澆注施工較為困難。為此，本文基于框架結(jié)構(gòu)“強節(jié)點弱構(gòu)件”的抗震需求和更好地保證節(jié)點易于實現(xiàn)可靠連接，提出了一種可通過焊接組裝的新型鋼筋混凝土梁柱混合連接節(jié)點形式?？紤]梁端裝配的連接方式，設(shè)計了2個新型鋼筋混凝土框架裝配式混合連接中節(jié)點試件和1個現(xiàn)澆對比試件，采用有限元軟件ABAQUS對其進行抗震性能數(shù)值模擬，以揭示新型裝配式鋼筋混凝土框架梁柱混合連接中節(jié)點的抗震機理。

1 試驗試件設(shè)計

以實際層高3.6 m的混凝土框架結(jié)構(gòu)中層中節(jié)點為研究對象，截取中節(jié)點相連框架柱梁反彎點之間部位子結(jié)構(gòu)作為試件原型。基于江蘇省結(jié)構(gòu)重點實驗室設(shè)備加載能力，按1∶1.6縮尺設(shè)計^［10-12］1個現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架中節(jié)點對比試件和2個梁端剛/柔性連接的新型裝配式鋼筋混凝土梁柱混合連接節(jié)點試件。試件材料：混凝土為C30;縱筋為HRB335;箍筋和U形抗剪筋為HPB300;鋼板為Q235;柔性連接為6.6級M16高強螺栓。試件設(shè)計詳見圖1所示。

2 有限元模型建立

本文采用有限元軟件ABAQUS對試驗試件進行建模分析。

2.1 幾何模型

試驗方案包括：（1）建立現(xiàn)澆混凝土對比試件鋼筋籠縱筋上下端部與端板進行綁定，再嵌固于混凝土中;裝配式混合連接節(jié)點試件首先對節(jié)點區(qū)、混凝土梁與柱各自分別建立模型，其次針對組裝過程中焊接連接部位采取綁定，螺栓連接部位螺栓與內(nèi)置抗剪連接板接觸面采用接觸處理，其中柔性連接試件的組裝連接部位中，內(nèi)置抗剪連接板和混凝土梁端預(yù)留連接鋼筋，嵌固于后澆混凝土中。（2）試件邊界處理措施：基于試驗加載方案將柱端板和梁端耦合到對應(yīng)輔助加載鉸支座銷栓處，其中柱頂鉸作為加載點僅約束平面外變形，柱底鉸僅釋放平面內(nèi)轉(zhuǎn)動約束;梁端鉸釋放平面內(nèi)所有約束。（3）試件模型單元選擇和網(wǎng)格劃分：試件中混凝土、鋼板和螺栓均采用實體單元C3D8R;鋼筋采用桁架單元T3D2。三個試驗試件模型見圖2。

2.2 材料本構(gòu)確定

（1） 鋼材

鋼材勻質(zhì)、各向同性，鋼板和鋼筋均選用常規(guī)雙折線彈塑性強化本構(gòu)，見式（1）。循環(huán)荷載下采用混合強化準(zhǔn)則。

σ=E_sε，/（ε≤ε_y）

σ_y+E_st（ε-ε_y），/（εgt;ε_y） （1）

式中：ε_y為鋼材屈服應(yīng)變;σ_y為鋼材屈服應(yīng)力;E_s為彈性模量;E_st為強化模量，取0.02E_s。

（2） 混凝土

混凝土循環(huán)本構(gòu)基于單軸受壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線模型，參照文獻［13］加以修正，進一步采用ABAQUS軟件對應(yīng)的混凝土塑性損傷（Concrete Plastic Damage，CPD）模型。摩擦角取35°，受拉恢復(fù)系數(shù)取0，受壓恢復(fù)取0.7。

2.3 接觸面處理措施

試件模型中抗剪連接件螺栓連接部位、裝配式連接后澆混凝土與周邊預(yù)制構(gòu)件接觸面均定義為摩擦型接觸：即切向罰摩擦，法向硬接觸?；炷僚c混凝土接觸面摩擦系數(shù)取0.6，混凝土與鋼材接觸面取0.4，鋼材與鋼材接觸面取0.3。

2.4 模擬中加載方案確定

本文試驗方案參照文獻［14］，首先，在柱頂耦合點施加軸向力，達到設(shè)計軸壓比0.4并維持恒定，隨后進行循環(huán)往復(fù)水平位移加載。由于現(xiàn)有有限元軟件無法準(zhǔn)確模擬加載循環(huán)次數(shù)對混凝土酥松脫落的影響，為此模擬加載等級均采取一次循環(huán)，前四級為加載相的側(cè)移（水平加載位移與試件頂?shù)足q之間距離比值）分別為0.375%、0.5%、0.75%、1.0%，后續(xù)加載級按照相對側(cè)移的0.5%遞增，加載至超過框架結(jié)構(gòu)大震層間側(cè)移限值（1/30）的相對側(cè)移的3.5%后結(jié)束。

3 有限元模型驗證

為了驗證本文模型建立的可行性，選取文獻［14］中試驗試件RCJ作為模擬對象，參照本文建模方式建模和模擬，對其模擬滯回特征和破壞模式進行對比分析。

3.1 滯回曲線

通過模擬數(shù)據(jù)整理得到了試件RCJ的荷載-位移滯回曲線，與試驗進行對比，結(jié)果如圖3所示。

由圖3發(fā)現(xiàn)：（1）有限元模型的周邊接觸面緊湊且混凝土材料均勻密實，而實際試驗試件周邊連接界面存在間隙且混凝土材料不均勻，內(nèi)部存在孔隙和微裂縫。因此，加載初期試驗試件模擬剛度（7.23 kN/mm）明顯大于試驗值（5.00 kN/mm）。（2）有限元軟件ABAQUS采取混凝土塑性損傷模型來考慮混凝土材料的損傷退化，但仍不能完全準(zhǔn)確反映混凝土在往復(fù)荷載下的拉壓酥松脫落過程，以致模擬滯回曲線未呈現(xiàn)較為明顯的捏縮現(xiàn)象，試件受到極限承載力后呈顯著下降趨勢。（3）模擬滯回曲線總體規(guī)律與試驗曲線基本一致，但其極限承載力相對試驗較高，主要由于模型的整體性優(yōu)于試驗試件。

3.2 破壞模式

試件的破壞模式可通過外在現(xiàn)象顯示，而數(shù)值模擬僅能通過模擬應(yīng)力云圖反映。基于模擬結(jié)果，提取試件極限承載力對應(yīng)的應(yīng)力云圖與試驗破壞模式進行對比，如圖4所示。

由圖4可以看出：（1）模擬云圖顯示混凝土達到壓潰應(yīng)力，鋼筋進入了屈服，即試件破壞表現(xiàn)為節(jié)點核心區(qū)混凝土壓潰和梁端形成塑性鉸區(qū)，與試件試驗破壞現(xiàn)象基本吻合。（2） 模擬節(jié)點核心區(qū)箍筋與梁端縱筋的應(yīng)力均進入屈服狀態(tài)，但梁端箍筋與柱端縱筋應(yīng)力較小，這與試驗鋼筋應(yīng)變測試結(jié)果完全一致。

基于以上滯回曲線和破壞模式對比表明，采用本文有限元建模與模擬方法具有可行性。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 滯回性能

通過模擬結(jié)果數(shù)據(jù)整理分析，得到了各試件的彎矩-側(cè)移角滯回曲線與骨架曲線（圖5）。

由圖5對比可知：（1）模擬加載初期，各試件均處在彈性狀態(tài)，其中裝配式混合連接節(jié)點采用鋼管混凝土更好地滿足了強節(jié)點的抗震需求，其中梁端剛性連接試件RFJ初始抗彎剛度最大（13.82×10³ kN·m/rad），現(xiàn)澆試件CFJ初始抗彎剛度最?。?.06×10³ kN·m/rad）。（2）隨著模擬加載繼續(xù)，裝配式混合連接節(jié)點試件由于塑性鉸區(qū)不同程度的外移而破壞，顯得相對滯后，其中梁端剛性連接試件RFJ連接處的剛度突變導(dǎo)致應(yīng)力集中，而破壞發(fā)生于相對集中的瞬時，且極限承載力達到最大（82.98 kN）。（3）裝配式混合連接節(jié)點試件中，梁端柔性連接試件HFJ的破壞發(fā)生在剪切板連接處且范圍較大，而塑性鉸區(qū)發(fā)展緩慢，極限破壞出現(xiàn)相對延緩。（4）現(xiàn)澆試件CFJ的滯回曲線的滯回環(huán)狹長，耗能面積較小。而裝配式混合連接節(jié)點試件由于塑性鉸區(qū)不同程度外移，彎曲塑性鉸發(fā)展相對充分，滯回環(huán)飽滿，耗能面積大;裝配式混合連接節(jié)點試件中，梁端柔性連接試件塑性鉸區(qū)發(fā)展持續(xù)充分，滯回環(huán)呈較飽滿的梭形，而梁端剛性連接試件的塑性鉸區(qū)發(fā)展集中于裝配式節(jié)點區(qū)，滯回環(huán)呈飽滿的紡錘形。

4.2 節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度

節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度退化規(guī)律是其損傷進程的直觀體現(xiàn)。本文引入峰值轉(zhuǎn)動剛度（即節(jié)點彎矩-側(cè)移滯回曲線中滯回環(huán)加載峰值點連線的斜率）進行表征?；诠?jié)點彎矩-側(cè)移滯回曲線計算，得到了各試件峰值轉(zhuǎn)動剛度如圖6所示。

經(jīng)圖6對比分析發(fā)現(xiàn)：（1）裝配式混合連接節(jié)點采用鋼管混凝土已更好地滿足強節(jié)點的抗震需求，梁端采用剛性連接的試件RFJ初始轉(zhuǎn)動剛度最大。（2）裝配式混合連接節(jié)點試件加載前期轉(zhuǎn)動剛度退化規(guī)律均與現(xiàn)澆試件CFJ相同，其中梁端采用剛性連接的試件RFJ在加載后期退化稍快。

4.3 耗能能力

結(jié)構(gòu)耗能能力通常采用等效黏滯阻尼系數(shù)h_e表示，等效黏滯阻尼系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)損傷越嚴(yán)重，耗能能力越優(yōu)。等效黏滯阻尼系數(shù)h_e按照式（2）并依據(jù)滯回環(huán)（圖7）進行計算：

h_e=1/2π·（S_ABC+S_CDE）/（S_ΔOBF+S_ΔODG） （2）

式中：S_ABC為上半滯回環(huán)面積;S_CDE為下半滯回環(huán)面積;S_ΔOBF為三角形OBF面積;S_ΔODG為三角形ODG面積。

基于模擬滯回曲線計算，得到了所有試件的等效黏滯阻尼系數(shù)如圖8所示。

通過對圖8對比分析可知：（1）模擬加載初期，所有試件基本處在彈性狀態(tài)，等效黏滯阻尼系數(shù)h_e基本小于現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》^［13］推薦的0.05。（2）隨著模擬加載的繼續(xù)，現(xiàn)澆試件CFJ損傷發(fā)展最快，而裝配式混合連接節(jié)點中的梁端剛性連接試件RFJ 損傷發(fā)展最慢。（3）模擬加載至側(cè)移達到1.5%后，現(xiàn)澆試件CFJ等效黏滯阻尼系數(shù)逐步減小，而裝配式混合連接節(jié)點試件等效黏滯阻尼系數(shù)仍在增大，其中梁端剛性連接試件RFJ增大幅度最為顯著，主要在于其塑性鉸區(qū)外移最大，塑性鉸區(qū)混凝土耗能發(fā)展較為充分。

4.4 破壞對應(yīng)應(yīng)力云圖

數(shù)值模擬破壞模式可通過應(yīng)力云圖加以顯示。本文提取了模擬試件對應(yīng)極限承載力破壞模式時刻的應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9中可以看出：（1）現(xiàn)澆試件CFJ破壞集中體現(xiàn)在節(jié)點核心區(qū)域，出現(xiàn)較明顯的塑性損傷，其相應(yīng)的箍筋與梁端縱筋均已屈服;裝配式混合連接節(jié)點試件的核心區(qū)為鋼管混凝土，同時梁端剛/柔性連接試件均不同程度地實現(xiàn)了梁端塑性鉸外移，其中梁端剛性連接試件RFJ塑性鉸外移最大，交接處混凝土梁的塑性鉸位移發(fā)展較為明顯。（2）裝配式混合連接節(jié)點采用鋼管混凝土，增強了核心區(qū)混凝土約束，有效實現(xiàn)了混凝土壓力帶和鋼板拉力帶協(xié)同抗剪機理。

5 結(jié)論

本文采用有限元軟件ABAQUS對2個裝配式混合連接節(jié)點試件和1個現(xiàn)澆節(jié)點進行數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1） 裝配式混合連接節(jié)點采用鋼管混凝土節(jié)點，其核心區(qū)有效實現(xiàn)了節(jié)點區(qū)混凝土壓力帶和鋼板拉力帶協(xié)同抗剪機理，顯著提高了節(jié)點核心區(qū)抗剪能力，更好地滿足了框架結(jié)構(gòu)“強節(jié)點”的抗震需求。

（2） 裝配式混合連接節(jié)點梁端剛/柔性連接均實現(xiàn)了梁端塑性鉸區(qū)遠離節(jié)點區(qū)，進一步滿足了“強節(jié)點弱構(gòu)件”的抗震要求。

（3） 裝配式混合連接節(jié)點的梁端剛性連接試件中的塑性鉸區(qū)距離節(jié)點核心區(qū)最遠，其整體性最優(yōu)，初始抗彎剛度最大。

（4） 裝配式混合連接節(jié)點的梁端柔性連接試件中的梁端塑性鉸區(qū)范圍較大，損傷發(fā)展延續(xù)；而梁端剛性連接試件的塑性鉸區(qū)范圍相對集中，損傷發(fā)展快速且充分。

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（本文編輯：任 棟）