装配式梁-柱-牛腿组合节点承载性能分析*

王建刚 张 清 李智军 张心玥 刘媛莹 梅 源

(1.陕西建工第五建设集团有限公司, 西安 710032； 2.西安建筑科技大学土木工程学院, 西安 710055)

0 前 言

装配式混凝土结构具有经济、便捷、环保的优点，近年来深受国内外设计师的青睐，也受到了国家的高度重视。有效可靠、施工方便的节点连接方式是保证装配式混凝土结构安全正常工作的前提。但由于以往对节点连接的研究不足，导致结构的装配率一直无法提高。因此，装配式梁柱节点的连接方式便成了近来研究的热点。

Ertas等研究了用于高地震区的四种延性抗弯预制混凝土框架节点和一种整体式混凝土节点，连接方式分别为现浇、焊接以及螺栓连接，结果表明螺栓连接更加适合高地震区[1]；Rave-Arango等提出一种在柱端连接钢筋的梁柱节点，在循环荷载作用下进行试验，最后将预制柱连接结果与现浇混凝土结构连接结果进行比较，结果表明两种构件的受力性能基本相同，可以采用预制柱-梁连接方式[2]。Yang等进行了预制H型钢混合梁的极限抗弯承载力试验，分别采用两端铰接和固接的边界条件，试验结果表明该构件具有较高的极限承载力和较好的延性，可作为刚性节点[3]。Kim等进行了焊钉剪力键钢-混凝土结合梁的静力加载和循坏加载试验，根据试验结果提出了结合段极限承载力的计算方法[4]。毛辉等通过ABAQUS有限元软件研究了改进的悬臂拼接梁柱节点，分别模拟了梁端加强和法兰弱化组合连接、梁端加强筋加侧板加强型连接及法兰狗骨型弱化类型这三种接头形式，结果表明第一种连接形式性能最好[5]。

本文根据目前装配式节点连接的发展现状，按照“强柱弱梁”的原则，研发了一种新型的节点连接形式，在混凝土柱牛腿上焊接钢筋，安装时插入梁上预留孔，梁柱间用泡沫块填充，外侧打胶，泡沫块与梁间用M7.5无收缩砂浆灌浆。采用ABAQUS有限元软件建立模型进行数值分析，深入研究边节点和中节点的力学性能。

以已经应用于某装配式工程结构的节点连接为研究对象进行分析，具体如下所述。

柱截面尺寸为600 mm×600 mm，高度为3 000 mm(图1)，纵筋采用直径为18 mm的HRB400热轧带肋钢筋；箍筋采用直径为12 mm的HPB300热轧光圆钢筋，箍筋间距为100 mm。设计混凝土强度等级为C30，保护层厚度为25 mm。

图1 柱截面配筋 mmFig.1 A reinforcement diagram of cross-sections of columns

梁截面尺寸为300 mm×600 mm，跨度为3 000 mm。截面配筋如图2所示，纵筋采用直径为18 mm的HRB400级热轧带肋钢筋；箍筋采用直径为10 mm的HPB300级热轧带肋钢筋，箍筋间距为100 mm。设计混凝土强度等级为C30，保护层厚度为25 mm。

图2 梁截面配筋 mmFig.2 A reinforcement diagram of cross-sections of beams

1 节点构造

牛腿为采用Q235钢材焊接而成的钢牛腿，上部截面尺寸为450 mm×200 mm，左侧尺寸为430 mm×400 mm，前后截面尺寸依次为400 mm×200 mm×250 mm，具体形状如图3所示。牛腿焊接到预埋钢板上与柱相连，如图4所示。承插钢筋为直径为28 mm的HRB400级热轧带肋钢筋，形成的梁-柱-牛腿组合节点如图5所示。

图3 牛腿截面Fig.3 Sections of corbels

图4 牛腿与柱的连接Fig.4 Connection between corbels and columns

图5 装配式梁-柱-牛腿组合节点Fig.5 Prefabricated beam-column-corbel combined joints

梁、柱截面的纵筋(HRB400)和箍筋(HPB300)及牛腿用钢板的弹性模量、泊松比和屈服强度如表1所示。C30混凝土的弹性模量、泊松比和轴向抗压强度设计值如表2所示。

表1 钢材参数Table 1 Parameters of steel

表2 混凝土材料参数Table 2 Parameters of concrete

2 有限元模型的建立

2.1 模型及网格划分

该装配式梁-柱-牛腿组合节点主要由钢筋混凝土梁、柱及钢牛腿共同组成，采用ABAQUS有限元软件建立梁-柱-牛腿组合节点的三维有限元模型，边节点和中节点分别如图6所示。

a—边节点；b—中节点。图6 梁-柱-牛腿组合节点有限元模型及网格划分Fig.6 Finite element models and mesh of beam-column-corbel combined joints

为了保证模型的计算精度及运行速度，在节点连接处进行网格细分，在其他区域采取较粗的网格密度[6]。为了使得计算简化，假定混凝土与钢筋之间的黏结性能较好，不考虑两者之间的滑移。

2.2 材料本构关系

ABAQUS中提供的混凝土本构模型有三种：混凝土弥散开裂模型、混凝土塑性开裂模型及混凝土塑性损伤模型。塑性损伤模型可以很好地体现混凝土损伤开裂过程中的应力应变情况，它主要是利用混凝土材料本身的随动硬化塑性和损伤因子共同确定，计算精度较高，可以很好地模拟混凝土构件在外荷载作用下的塑性脆性破坏，故采用塑性损伤模型进行计算。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》取混凝土单轴受拉和受压的本构关系分别见文献[7]，采用Lwbliner屈服准则[8]，塑性计算时，流动法则取非相关联，其中剪胀角取30°。

钢筋及钢材选用理想弹塑性的本构关系，采用von Mises屈服准则，流动相关联法则。

2.3 边界设置及荷载施加

为了准确模拟梁柱节点的真实受力情况，在设置边界条件时选取柱底端作为参考点RP-2，耦合至柱底截面，将柱底端完全固定；并选取柱顶端截面中心点作为参考点RP-1，耦合至柱顶截面，并沿着z轴负方向施加轴压比为0.2的轴压力；同样，将梁两端截面的中心点也设置为参考点RP-3和RP-5，并分别耦合至相应截面，在两端沿着x和y方向施加转角约束，边节点在RP-3上施加沿z轴方向的位移荷载，中节点在RP-3和RP-5上施加沿z轴方向的位移荷载[9]。荷载施加时先在柱顶截面施加轴压力，然后在梁端施加往复荷载，加载过程为位移控制。节点梁端位移加载制度如图7所示。

图7 梁端节点位移加载制度Fig.7 Loading procedures by displacement control acting on beam ends

3 有限元分析结果

3.1 等效应力分布图分析

梁-柱-牛腿组合边节点和中节点在荷载作用下混凝土的等效应力云图如图8所示，从中可以看到：边节点和中节点的最大应力处均位于梁端靠近柱的位置，柱的极限承载能力较梁高，梁的根部发生破坏，符合“强柱弱梁”的抗震设计原则。组合节点在荷载作用下的钢筋等效应力云图如图9所示，梁端部钢筋均已屈服，承插钢筋也已完全屈服。

a—边节点； b—中节点。图8 节点等效应力云 MPaFig.8 Contours of equivalent stress for joints

a—边节点； b—中节点。图9 钢筋等效应力云 MPaFig.9 Contours of equivalent stress for rebars

3.2 滞回曲线分析

梁-柱-牛腿组合节点在循环荷载作用下的滞回曲线如图10所示，可见：边节点和中节点的滞回曲线饱满，形状呈“梭形”，没有捏缩现象，但是两者在正向的下降段均不如负向明显，这是由于梁柱连接处通过牛腿承接，而钢板的刚度较大，因而造成上述现象。整体而言，两种类型节点的滞回曲线均表明该组合节点的塑性变形能力较强，抗震性能良好，同时也说明了该节点形式具有较高的工程应用价值。

a—边节点； b—中节点。图10 滞回曲线Fig.10 Hysteresis curves

——边节点； ----中节点。图11 骨架曲线Fig.11 Comparisons of skeleton curves

3.3 荷载-位移骨架曲线分析

梁-柱-牛腿组合节点的骨架曲线如图11所示，从中可见：边节点和中节点的骨架曲线形状相似，均呈“S”形。在加载初期，荷载随着位移的增加线性增长，处于弹性阶段；当位移达到一定程度时，混凝土不断开裂，节点处于弹塑性阶段，位移变化较大，最终达到破坏。

3.4 承载力及延性分析

一般情况下，钢筋混凝土抗震结构要求的延性系数须大于3，通过对数据的处理，得到边节点与中节点的承载力及位移延性系数，如表3所示。可知：两种类型节点的位移延性系数均大于3，说明边节点和中节点两者均具有良好的延性性能，并且中节点的延性优于边节点。

3.5 耗能性能

边节点和中节点的等效黏滞阻尼比与位移之间的关系对比曲线如图12所示。可见：两者在破坏阶段的he值均超过0.4，表现出边节点和中节点良好的抗震耗能能力。另外，边节点的抗震耗能能力略优于中节点的抗震耗能能力，但两者的曲线非常贴近，表明节点位置的改变对构件阻尼的影响很小。

表3 承载力及位移延性系数Table 3 Bearing capacity and displacement ductility factors

—边节点； —中节点。图12 等效黏滞阻尼比Fig.12 Equivalent viscous damping ratios

4 结束语

1)模拟得到的滞回曲线相对饱满，说明边节点和中节点均具有良好的抗震性能；主要破坏模式为梁端出现较大破坏，最终形成塑性铰，符合“强柱弱梁”“强节点弱构件”的设计原则。

2)边节点和中节点均具有良好的延性和耗能能力；中节点的承载力和延性均优于边节点，而边节点的耗能能力略高于中节点，但两者相差较小。

3)该种装配形式承载力高、抗震性能可满足抗震设计要求，且施工便捷。