随着劳动成本的增大和施工速度要求的提高, 现浇钢筋混凝土结构已经越来越无法满足现代建筑结构的发展需求。与之相比, 预制装配式混凝土结构则顺应时代发展需求、避免了现浇钢筋混凝土结构的缺点, 其能有效控制材料浪费、提高建筑自身的建筑功能和结构性能, 并可在建筑及施工过程中实现全面的机械化、产业化、标准化^[1]。

然而, 节点的连接方式决定了装配式混凝土结构的受力性能, 节点设计的合理性是预制装配式混凝土结构能否取代现浇钢筋混凝土结构的关键。基于此, 对预制混凝土装配节点进行构造研究并考察其节点性能 (即节点的承载力、耗能能力、延性、刚度等) 是否接近或优于现浇节点是该领域国内外专家的研究重点^[2]。目前已有的装配式节点类型主要有:后浇整体式节点、焊接节点、预应力节点、螺栓节点、组合节点等^[3,4,5,6,7], 试验证明不同的装配节点形式具有各自独特的优良特性。其中, 自复位混合连接混凝土框架节点^[8]作为预应力节点的一种形式 (见图1) , 是美国预制/预应力混凝土协会 (PCI) 在Presss项目中提出的, 是一种自复位“混合连接”框架节点, 即采用后张拉无粘结预应力筋提供自复位性能并采用低碳钢筋进行耗能的混合构造形式, 这种分工明确的构造形式是该耗能抗震节点成功的关键。预应力筋穿过中轴线, 耗能低碳钢筋则布置在梁的转动变形最大处 (梁的上下侧) , 当发生地震时, 柱发生侧移并伴随着梁的转动, 预应力筋确保了结构的自复位能力, 耗能低碳钢筋则在梁柱接触面开合过程中耗散地震能量。该节点转动机制及自复位耗能原理如图2所示^[9]。在意大利、美国、新西兰等国家的中低层住宅、医院及厂房等实际工程中采用过此结构形式, 其在实际地震考验中表现出较强的抗震性能、良好的耗能能力和自复位特性^[10]。

已有研究表明^{[11,12,13,14,15,16,17,18]}:与现浇混凝土结构相比, 自复位混合连接框架节点在发生大变形后的强度、刚度衰减较慢, 延性和自复位性能较好, 但耗能能力略小;无粘结预应力筋可以提供有效的抗弯能力, 但仅通过预应力筋拼接, 不设置有粘结耗能钢筋, 节点的滞回环比较狭窄, 结构的耗能能力较差;耗能钢筋的配置可增强结构的耗能能力。为了研究混合连接框架节点的抗震性能, 并深入探究影响其抗震性能的各项因素, 本文在对比文献试验数据的基础上提出了合理的自复位混合框架节点的数值建模方法, 并在此基础上分析了弯矩贡献比和轴压比对节点抗震性能的影响, 为装配式混合连接框架节点在国内的推广和应用提供参考。

以自复位混合框架结构节点试验中的节点参数为数值建模原型^[18], 建立自复位混合节点的模型。节点模型的整体尺寸3.8m×2m, 梁截面尺寸为200mm×350mm, 柱截面尺寸为350mm×350mm。将自复位混合连接节点模型命名为HC, 预制梁柱通过无粘结后张拉预应力筋拼接连接, 预制梁内部截面上下端设置耗能钢筋以提高其耗能能力, 梁端表面设置角钢以保护混凝土不被压碎。具体配筋如图3所示。

混凝土实体模型采用C3D8R减缩单元, 其本构关系选用软件自带的塑性损伤模型, 角钢和锚具 (钢板) 也采用C3D8R减缩单元, 本构选用理想弹塑性模型, 如图4a所示;钢筋模型为T3D2桁架单元, 包括通长筋、箍筋、耗能钢筋和预应力筋, 采用三折线弹塑性模型, 如图4b所示。

建模时, 混凝土通过损伤因子的设置考虑了损伤破坏给节点承载性能带来的影响;忽略梁柱拼接面纤维砂浆垫层的开裂, 采用弹性材料进行模拟;耗能低碳钢筋的材料性能按照试验参数进行设置, 如表1, 2所示, 建模效果如图5所示。

由于装配模型HC的梁和柱是可分离的, 梁和柱之间的接触形式采用了可分离式摩擦接触 (硬接触) , 混凝土接触面的摩擦系数取0.6^[18], 并用预应力筋拼接在一起形成整体, 预应力的梁端固定在锚具上。耗能钢筋模拟时嵌入混凝土, 以保证耗能钢筋和混凝土变形协调, 预应力的模拟采用MPC (beam) 约束施加预应力值, 在梁柱接触面部位设置竖向刚性弹簧。为保证计算精确度, 网格划分时混凝土取100mm, 钢筋取25mm。

试验加载方式采用力-位移混合加载制度, 柱顶加水平荷载, 梁端设置为水平滑动铰支座, 柱底为固定铰支座, 模拟时为了便于计算, 参考了文献[19]的加载制度, 通过位移控制加载研究节点耗能能力。模拟的边界条件和实际试验的边界条件相一致, 在梁端设置U₂=U₃=0, U_R1=UU_R2=0;在柱底设置U₁=U₂=U₃=0, U_R1=U_R2=0。加载时, 先在柱顶施加轴向压力至预定轴压比0.15, 并保持柱轴向压力不变, 然后施加水平荷载。模拟时按照试验加载设置相应的分析步: (1) 第1步为施加梁内预应力值 (65%f_ptk) ; (2) 第2步为施加柱顶轴力至预定轴压比 (804.8k N) ; (3) 第3步为施加低周反复水平荷载, 加载制度如图6所示。

从图7和表3可以看出:数值结果与试验结果的承载力、初始刚度及滞回环面积基本相同, 耗能能力相差不大, 但是屈服后模拟结果的承载力下降较小, 但实测结果在加载后期的承载力下降相对明显, 从而导致两者的延性系数有一定差异。然而, 就自复位性能而言, 数值模拟结果的自复位性能略好于试验结果。整体来说, 模拟与试验的滞回曲线较为接近, 各项参数基本相同, 数值模拟结果较为合理可靠。

由图7中的模拟结果可分析出HC节点的滞回特性:HC节点的滞回曲线呈现饱满的“旗形”, 试件随着水平位移的增大经历线弹性 (梁柱拼接缝紧密贴合) →非线弹性变形 (梁柱拼接缝张开, 刚度下降, 低碳钢筋开始受力耗能) →材料非线性 (低碳钢筋屈服, 弹塑性变形增大, 耗能能力进一步增强) 。当水平荷载卸载时, 在预应力筋的复位作用下, 出现明显的捏拢效应。在滞回环前4环 (最大水平位移40mm) 时, 构件几乎没有残余变形, 到第5环时出现明显的残余变形, 随着滞回环的不断增大, 构件的自复位能力稍有降低, 但施加一个较小的反向荷载, 也可消除残余变形。当到第8环左右时, 出现了明显的“颈胀”现象 (约在节点复位到10mm附近处) , 产生较大的不可恢复残余变形, 这是由于耗能阶段耗能钢筋变形较大所致。此外, 到第7, 8环时, 构件承载力下降略为明显, 但下降幅度不大, 构件依然没有破坏, 体现了低损伤和较小残余变形的性能。整体来说, 该节点形式的自复位性能是十分理想的。

综上所述, 模拟结果较好, 与现浇节点相比, 装配式混合连接节点的自复位能力强, 由于预应力的作用使得整体刚度没有出现过大的下降, 但耗能能力稍弱。

结合数值模拟结果的应力云图分布与变形效果, 分析节点的受力特性与破坏形态, 可以得出: (1) 变形效果HC节点由于是预应力拼接节点, 出现梁柱接缝开合转动变形的现象。与传统的现浇框架节点相比, 该种预制装配式拼接连接具有良好的变形性能, 有利于通过整体转动变形来耗能。 (2) 应力分布HC节点的应力较为集中且局部应力较大, 梁柱转动时, 节点受压区应力较大, 核心区混凝土呈现“斜压杆”受力模式^[20]。 (3) 模型的梁端上下侧设置了角钢, 梁端混凝土由于角钢的保护应力较小, 保证了梁端混凝土受压区不被破坏。 (4) 耗能钢筋的应力最大, 通过梁柱开合及耗能钢筋的变形可以有效耗散地震能量。

自复位混合连接节点的抗震性能影响因素主要是弯矩贡献比 (影响节点的自复位性能和耗能能力) 和轴压比 (产生附加弯矩) , 本节将就这两种影响因素做详细的模拟研究。

对于该自复位混合连接抗震结构体系, 其最大的优点就是自复位兼具耗能能力, 因此, 在设计阶段合理分配耗能钢筋与预应力筋之间的抗弯承载力贡献就显得十分重要, “弯矩贡献比”是指预应力筋或耗能低碳钢筋所承担的节点处的抗弯承载力的比值, 其计算公式如式 (1) ^[9]所示。确定“弯矩贡献比”意图在于明确节点处耗能钢筋和预应力筋所承担的抗弯承载力比例, 通过3组不同弯矩贡献比的模型来进一步研究不同弯矩贡献比对节点抗震性能的影响。

式中:β是耗能钢筋的弯矩贡献比;M_total是节点处梁端承受的全部弯矩;M_s是耗能钢筋承担的弯矩。

为了探究不同弯矩贡献比对节点抗震性能的影响, 定义耗能钢筋的弯矩贡献比为β, 而β值会因为耗能钢筋参数和预应力筋预应力的变化而变化, 3个模型的具体参数设置如表4所示, 模型对应的滞回曲线如图8所示。

由图8可以看出, 耗能钢筋弯矩贡献比β值对自复位混合连接节点的承载力、耗能能力和自复位性能都有着显著的影响, 一方面, 随着β值的增大, 虽然无粘结预应力筋施加的预应力值减小了, 但由于耗能低碳钢筋直径增大, 节点的承载力依然逐渐增大, 因此可知, 耗能低碳钢筋的面积是影响该节点承载力的主要因素。另一方面, 随着β值的增大, 节点的耗能能力不断增强, 残余变形也不断增大。HC-3节点模型几乎在开始阶段就丧失了自复位能力, 而且由于预应力值较小, 节点破坏较早。对于HC-2节点模型来说, 当荷载较大时, 残余变形也增大了, 预应力筋兼具自复位和耗能能力, 适用于允许出现一定残余变形的结构。对于HC-1模型来说, 其整个加载阶段几乎都没有残余变形, 是自复位结构的“理想型”, 且滞回曲线饱满, 自复位性能优越的同时也保证了一定的耗能能力, 适用于严格、不允许出现残余变形的结构。3组模型的对比, 表明不同弯矩贡献比的配置对节点的性能有显著的影响, 为保证节点的整体性能, β值控制在50%以内为宜, 符合美国规范的规定^[21], 基于模型的模拟结果, 给出该模型弯矩贡献比建议值30%~50%, 该弯矩贡献比的取值范围具有一定的合理性和适用性。

轴压比的不同对节点的自复位及耗能能力的影响较小, 但是轴压比较大时, 节点水平变形引起的重力二阶效应对节点的整体受力影响不容忽略。为了分析不同轴压比对节点抗侧力性能的影响, 在HC-2的基础上改变轴压比, 建立了4个模型, 模型参数如表5所示。

通过对4个模型施加单调水平荷载, 得到不同轴压比下的荷载-位移曲线 (见图9) 。

由图9可以看出, 轴压比对初始刚度影响不大, 但是随着轴压比的增大, 节点模型的承载力出现下降趋势。当水平位移较小时, HC-2-1节点模型由于轴向压力为0, 导致初始刚度较小, 其他3个节点模型的初始刚度基本相同, 且大于HC-2-1;当水平位移在15~20mm附近时, HC-2-1节点模型的承载力最大, 4个节点模型的承载力随着轴压比的增大而减小;随着水平位移的继续增大, HC-2-1的曲线出现不稳定的状态, HC-2-4的曲线出现略微下降趋势。这说明一定的轴压比有利于保证节点的初始刚度及加载后期的稳定性, 但是随着轴压比的增大, 在相同的水平荷载作用下, 节点发生的水平位移增大, 混合节点的P-Δ二阶效应显著增大, 因此, 节点承载力下降。设计时需要严格控制轴压比, 基于本文模型的模拟结果及构件设计承载力, 轴压比在0.15~0.2附近较好, 最大不宜超过0.45, 当轴压比>0.45时, 应配合其他抗震措施一起使用, 例如施加耗能器或耗能支撑来增强结构的抗侧力。就结构抗侧向位移来说, 当水平位移为50mm时, 节点承载力没有下降到最大值的85%, 节点没有破坏, 此时的层间位移角>1/50, 远大于规范的层间位移角限制, 说明当轴压比设置合理时, 自复位混合连接节点能适应一个较大的水平位移荷载。

本文通过ABAQUS有限元软件对自复位混合连接框架节点进行了模拟分析, 并与试验结果进行对比, 最后对该节点抗震性能的影响因素进行探究, 得出以下结论。

1) 自复位混合节点的滞回曲线模拟结果呈现饱满的“旗形”, 节点的应力分布及变形与试验相吻合。整体来说, 模拟较为科学合理, 模拟与试验的承载力、初始刚度及滞回环面积基本相同, 耗能能力相差不大, 但在加载后期滞回曲线的拟合度较差。应适当考虑钢筋与混凝土的黏结滑移变形 (如设置黏结滑移单元:考虑黏结强度随荷载循环次数增大而退化的情况) 或增大混凝土本构的损伤因子, 以使得模拟结果更加精准可靠。

2) 自复位混合节点不同弯矩贡献比的配置, 对控制该节点自复位和耗能的平衡有较为重要的意义。随着耗能钢筋弯矩贡献比的增大, 承载力逐渐增大, 耗能能力增强, 残余变形增大。不同弯矩贡献比有着自己适用的结构形式, 根据建筑的不同需求, 可通过改变弯矩贡献比来实现结构性能上的改变并应用到实际工程上。例如:建筑的首层宜增大弯矩贡献比, 来增强耗能能力, 而顶层对耗能能力要求不高, 可减小弯矩贡献比的配置, 来增强自复位性能, 减小建筑水平位移量。

3) 轴压比对自复位混合节点的承载力有较大影响:随着轴压比的提高, 混合节点的承载力下降, 轴压比要严格控制, 不能太大也不能太小, 本文给出适用于本模型的轴压比范围0.15~0.2, 最大不宜超过0.45。