现浇空心楼盖板柱增强节点抗震性能数值分析

倪红梅，庞 瑞，刘 瑞，党隆基

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)

现浇空心楼盖板柱增强节点抗震性能数值分析

倪红梅1，庞 瑞2，刘 瑞2，党隆基2

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)

对4个构件进行了低周反向反复荷载作用下的数值分析，对现浇空心楼盖板柱增强节点的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力和刚度退化进行了系统的分析研究。结果表明：沿着板长边布置空心管能够承受更大的承载力，滞回曲线更为饱满，刚度退化缓慢，说明沿板长边布置空心管的受力性能和抗震性能均比沿垂直板长边布置空心管好；在板柱节点添加型钢剪力架能显著提高构件的承载力，但是耗能能力降低；配置弯起钢筋对提高板柱节点抗震性能的作用不明显。

现浇空心楼盖板柱节点；布管方向；抗冲切元件；抗震性能

现浇空心楼盖是指在楼板中预先埋置空心内膜，经现场浇筑混凝土后形成空腔，从而减轻楼盖自重，而板承受荷载的能力基本不变的一种新型楼盖体系。其主要特点是暗梁和空心板构成无梁楼盖，楼面荷载通过框架柱传递至基础，传力途径短捷可靠，室内净空大，布局灵活，可降低层高，降低房屋总高度，同时，能满足多层高层建筑的要求，在住宅、公寓、商场、旅馆、仓库等建筑中应用越来越普遍。

但是，现浇空心楼盖板柱结构在单独受竖向荷载作用下或者在竖向荷载和水平地震荷载、重力荷载等综合作用下，在板柱节点的连接区不仅会产生重力荷载，而且还会产生很大的不平衡弯矩，使节点区受力更加复杂多变，而节点区一旦发生无预兆的、脆性的冲切破坏[1]，导致节点区的连续破坏，进而引起整个结构的倒塌，后果十分严重，目前，国内对空心板柱节点抗震性能的研究较少。

本文在总结了国内外研究的基础上[2—7]，运用ABAQUS分析软件对实心板柱节点、空心板柱节点、添加弯起钢筋[8]的空心板柱节点和添加型钢剪力架[9—10]的现浇空心楼盖板柱节点进行了在低周反向往复荷载作用下的抗震性能数值分析，进而对现浇空心楼盖板柱增强节点的荷载位移滞回曲线、骨架曲线、耗能性能和刚度退化进行对比分析，从而研究空心管不同布置方向和布置不同的抗冲切元件[11]对现浇空心楼盖板柱增强节点的抗震性能的影响。

1 模型设计

本文选取了4个板柱结构中柱节点为研究对象，板几何尺寸2 400 mm×1 400 mm×140 mm，柱高为1 540 mm，柱横截面尺寸为300 mm×300 mm，空心管管径为90 mm，混凝土强度等级C30，暗梁采用四肢箍，图1为空心管和型钢剪力架的构造详图。为了叙述方便，用BZ-SX、BZ-KX、BZ-WQ和BZ-XG分别代表实心节点、空心节点、添加弯起钢筋节点和添加型钢剪力架节点，沿长板边布置空心管为顺管向，记为S。例如，空心板柱顺管向节点记为BZ-KX-S，沿短板边布置空心管为垂直管向，记为C，同理，空心板柱垂直管向节点记为BZ-KX-C。表1为各个模型的主要参数。

图1 空心管和型钢剪力架构造详图

试件编号空心率/%板面配筋暗梁配筋抗冲切元件BZ-SX0ϕ8@100ϕ8@100(50)-BZ-KX32.9ϕ8@100ϕ8@100(50)-BZ-WQ32.9ϕ8@100ϕ8@100(50)弯起钢筋BZ-CG32.9ϕ8@100ϕ8@100(50)型钢剪力架

2 有限元模型的建立

2.1 混凝土本构模型

混凝土的本构模型采用ABAQUS提供的Concrete Plastic Damage模型，由于此模型考虑了混凝土在受拉力和受压力状态下的内部损伤，能很好地模拟混凝土的非线性性能。

2.2 钢材本构模型

钢材本构模型由弹性阶段和强化阶段两部分组成，随着荷载的增加，钢材由弹性阶段进入到强化阶段，屈服应力随之提高；反之，屈服应力降低，这种现象称为钢材的包辛格效应。本文在此基础上建立钢材应力-应变关系的折线模型。

2.3 单元选择与加载制度

有限元分析模型中混凝土材料采用C3D8R单元，钢筋均采用Truss(T3D2)单元，型钢剪力架采用shell(S4R)单元。钢筋及剪力架通过Embeded嵌入到混凝土中，剪力架各型钢节点通过Tie接触。在进行有限元分析时，首先，在柱顶几何形心建立参考点并与柱顶截面耦合，在参考点定义250kN的集中力模拟试验的轴压力，轴压比取0.194，柱底采用固定约束，板两端采用反向反复循环加载。

3 数值模拟结果分析

ABAQUS分析计算结果主要有裂缝云图、应力云图和位移图等，通过云图，我们能清楚地看到裂缝出现的主要区域以及钢筋受力情况。现浇空心楼盖板柱增强节点在竖直荷载和不平衡弯矩共同作用下有限元模型及结果云图如图2所示。

图2 有限元模型及分析结果

3.1 滞回曲线

在低周反向往复荷载作用下，荷载或位移与构件位移之间能够汇成一系列滞回环，这一系列滞回环就构成了构件的滞回曲线。滞回曲线不仅能综合体现结构的抗震性能，而且还是判断结构抗震的恢复力并进行弹塑性分析的主要方法。图3为实心板柱和空心板柱节点的荷载-位移滞回曲线的对比图。

由图3可知：(1)在荷载很小时，滞回曲线接近直线，说明构件未开裂，仍旧处于弹性阶段，刚度退化不显著，构件残余变形很小。(2)随着荷载的不断增加，构件开裂，构件残余变形增大，构件由弹性阶段进入到弹塑性阶段，滞回曲线的斜率不断减小并向位移轴倾斜，滞回环面积随之增大，“梭行”曲线越来越饱满，说明构件耗能能力持续提高。(3)沿长边方向布置空心管比沿垂直长边方向布置空心管的滞回环面积大，说明沿长边方向布置空心管受力性能更好。

ABAQUS有限元分析在低周往复荷载作用下的现浇空心楼盖板柱增强节点滞回曲线捏缩效应不明显，主要是因为节点钢筋发生黏结滑移和钢筋混凝土拉压刚度无法符合真实情况所致。

图3 板柱节点荷载-位移滞回曲线对比分析

3.2 骨架曲线

把滞回曲线上每次同向拉或压加载的荷载极值点依次连接所得到的包络线称为骨架曲线。骨架曲线能反应试件在各个不同阶段的变形和受力特性(强度、刚度、延性及耗能能力等)，它为确定构件恢复力模型中的特征点的选择提供依据。实心板和空心板板端骨架曲线的对比分析如图4所示。

图4 骨架曲线对比分析 图5 板柱节点刚度退化

由图4可知：(1)骨架曲线均呈现S形，说明4个构件在低周反向反复荷载作用下经历3个阶段，分别为：①弹性阶段，此阶段随着荷载的增加，位移没有明显变化，呈线性增加，初始刚度没有明显变化；②强化阶段，此阶段随着荷载值的不断增加，荷载-位移曲线明显向位移轴轴靠近，变形曲线不呈现线性增加，说明构件的刚度变小；③破坏阶段，此阶段曲线荷载位移曲线无明显变化，说明节点延性良好。(2)添加型钢剪力架的现浇空心楼盖板柱节点的极限承载力得到明显提升，构件受力性能最好；添加弯起钢筋也能在一定程度上提高构件的受力性能，但效果没有型钢剪力架效果明显。(3)同一构件，不同的布管方向，沿长边布置空心管比沿垂直长边布置空心管受力性能好。(4)空心板柱节点和实心板柱节点比较，沿板短边布置空心管的板柱节点的受力性能比实心板节点的差，沿板长边布置空心管的板柱节点的受力性能比实心板好。

3.3 刚度退化

根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101-2015)[12]取割线刚度表示构件的刚度退化，实心板柱节点和空心板柱节点刚度退化对比分析如图5所示。由图5可知：(1)BZ-KX、BZ-WQ和BZ-CG三个构件沿垂直板长边方向布置空心管均比沿板长边方向布置空心管刚度退化快。(2)对沿垂直板长边方向布置空心管，添加型钢剪力架刚度退化小于实心板柱刚度退化，其余板柱节点均比实心板柱刚度退化快。(3)对沿板长边方向布置空心管，BZ-KX、BZ-WQ和BZ-CG三个构件的刚度退化均比实心板柱慢。

3.4 耗能分析

滞回曲线所包含的面积能够反映构件耗散地震能量的能力，滞回曲线越饱满，说明构件的耗散地震能量的能力越强，反之，说明构件的耗散地震能量的能力越弱。本文主要通过能量耗散系数E，等效粘滞阻尼系数ψ探讨4个模型的耗能性能。表2为各模型耗能能力对照表。

由表2可知，实心板柱和空心板柱的ψ值为0.419～0.481，说明此类节点的耗能性能较好，满足规范对结构抗震的设计要求。

BZ-KX、BZ-WQ和BZ-CG三个构件沿板长边方向布置空心管均比沿垂直板长方向布置空心管耗能能力强；三个构件沿垂直板长方向布置空心管耗能能力均略低于实心板柱的耗能能力，说明此布管方向不利于抗震。

表2 试件的耗能指标

4 结论

(1)在板柱节点添加弯起钢筋对提高构件承载力不明显，添加型钢剪力架能明显提高构件的承载力。

(2) 沿板长边方向布置空心管比沿垂直板长边方向布置空心管抗震性能好。

(3) 在承载力、耗能能力和刚度退化方面，空心板柱和实心板柱的各项性能比较接近，从经济效益考虑，空心板柱具有更好地经济效益。

(4)现浇空心楼盖型钢剪力架增强板柱节点具有更好的抗震性能。

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Numerical study on seismic performance of cast-in-place hollow floor slab-column reinforced connections

NI Hong-mei1, PANG Rui2, LIU Rui2, DANG Long-ji2

(1.SchoolofCivilandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China)

The numerical analysis of 4 components under reversed cyclic reversed loading is carried out, and the cast-in-situ concrete hollow floor slab column reinforced joints of the load displacement hysteretic curve, skeleton curve, energy dissipation capacity and stiffness degradation is studied. The results show that the hollow pipe along the long side of the plate can bear greater bearing capacity, the hysteresis curve is more full, and the stiffness degradation is slow. It is shown that the stress and seismic performance of hollow pipe along the long side of the plate are better than that of the hollow pipe along the long side of the vertical plate. Adding steel shear frame in plate column joints can significantly improve the bearing capacity of the members, but the energy dissipation capacity decreases. The effect of bending reinforcement on seismic behavior of slab column joints is not obvious.

cast-in-place hollow floor slab-column connections; tube laying direction; anti-punching elements; seismic performance

2016-09-12

河南省科技攻关计划项目(142102210033，132102210445)

倪红梅(1975—)，女，河南焦作人，硕士，副教授。

1674-7046(2017)01-0030-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.006

TU312

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