预制装配式混凝土结构与现浇混凝土结构相比,具有施工周期短、产品质量高、能源损耗低、环境污染小等优点,是实现建筑产业可持续发展的必然选择;由于预制混凝土结构是将预制构件进行现场拼接,连接的可靠性成为控制整个结构体系抗震性能的关键因素,如何能保障预制构件的良好连接从而使结构具有较好的整体性,是目前有待解决的一个难题。1992年,美国密西根大学Victor Li和麻省理工大学Christopher Leung首次提出了高韧性水泥基复合材料,即engineered cementitious composites(简称为ECC^[1] ),在此之后,美国、日本等国家对该材料的性能和力学原理进行了大量研究,结果表明,ECC材料不仅具有超高的韧性,而且有较强的能量吸收能力,其极限拉应变值大约为普通混凝土材料的100~300倍^[2] ,若将其应用在预制混凝土结构中,则可能会有效地改善结构的性能。

本文以文献[3] 中的试验为基础,采用ABAQUS有限元软件并考虑了材料的非线性,对后浇高韧性工程水泥基复合材料ECC的新型预制混凝土节点进行了数值模拟,节点形式如图1所示,在柱节点位置预埋方钢管,并从其侧边伸出钢板,与预制梁端预埋钢板通过螺栓连接,最后浇筑ECC而成。将模拟结果与试验结果进行对比验证,在此基础上,分析了后浇普通高强混凝土节点的性能,为该新型预制混凝土框架节点的设计和工程应用奠定了基础。

本文以文献[3] 为基础,选取其中后浇长度为500mm的外部连接节点试件PC-OH-50作为模拟对象,试件取自某座框架结构底层中节点,按照约1∶2的缩尺比例进行设计,尺寸以及配筋如图1所示,试件的材料参数如表1所示。

ABAQUS中提供了3种混凝土模型,即脆性开裂模型、弥散开裂模型以及塑性损伤模型。脆性开裂模型仅考虑了混凝土的受拉非线性,没有考虑受压非线性,因而仅适用于素混凝土结构或少筋混凝土结构的模拟;弥散开裂模型则是将实际构件中离散的混凝土裂缝均匀化,并对混凝土受拉应力-应变曲线软化段进行修正,以此来模拟混凝土开裂后的行为;塑性损伤模型考虑了材料拉、压性能之间的差异性,通过拉、压等效塑性应变来控制屈服面的演化,并引入损伤系数,从而对混凝土的弹性刚度矩阵进行折减,因此本文选用塑性损伤模型来模拟混凝土在循环往复荷载作用下的性能。

对于柱中方钢管内的核心混凝土,本文采用韩林海^[4] 提出的高强混凝土单轴受压应力-应变曲线来描述管内约束混凝土的塑性性能,其约束性主要体现在约束特征系数ξ上;钢管外的混凝土,由于试验采用的箍筋强度较高,且间距较小,需考虑箍筋的约束作用,因而选用Mander模型^[5] 来模拟钢管外混凝土的受压性能;混凝土的受拉本构模型则是采用《混凝土结构设计规范》GB50010—2010^[6] 给出的应力应变关系。

ABAQUS中没有给出专门用来模拟钢筋在循环加载条件下性能的本构模型,为了更好地模拟出节点的受力行为,本文参考了由清华大学基于ABAQUS开发出的用于模拟材料单轴滞回行为的本构模型集合pq-fiber^[7] ,并利用其中的USteel02作为本文中钢筋的本构关系模型。

USteel02是在clough提出的最大点指向型双线性模型基础上进行了修改,考虑了循环加载引起钢筋强度的退化,能够更好地模拟出钢筋的受力性能。

考虑包辛格效应对钢材加载、卸载过程的影响,本文采用二折线随动强化模型来模拟预埋件钢板在循环加载作用下的受力性能,该模型由式(1)确定:

式中:σ_y为钢材屈服应力;E_s为钢材初始弹性模量;E'_s为钢材强化阶段弹性模量,可按0.01倍的E_s计算。

ECC材料与普通混凝土虽然在组成成分上不同,但两者均是非匀质材料,并且在体现弹性和塑性特性上ECC和普通混凝土是类似的,因而本文同样采用ABAQUS提供的塑性损伤模型来模拟ECC材料的性能,其受拉和受压本构曲线^[8] 可由式(2)和式(3)确定:

式中:

式中:y=σ/f_c,x=ε/ε₀;f_c,ε₀分别为ECC材料的抗压强度和峰值应变,以上各式中参数的取值可参见文献[8] 。

根据图1中试件的尺寸和配筋,利用ABAQUS建立该新型预制混凝土节点的模型。采用分离式建模,混凝土柱中预埋钢管以及梁端预埋钢板均采用8节点六面体线性减缩积分单元C3D8R来模拟,该单元能够以较小的代价得到较为精确的结果,并且可以缓解完全积分单元可能导致的模型过于刚硬和计算挠度偏小的问题;钢筋采用三维2节点桁架单元T3D2。

建模时,将钢筋合并成钢筋骨架,同时将钢板连接件进行剖分,除螺栓连接部分以外的其他部分与钢筋骨架一同嵌入混凝土或ECC中,螺栓连接处分2步处理:第1步施加螺栓预应力,第2步通过接触与周围ECC进行连接,对于后浇ECC与预制混凝土之间的黏结,本文采用接触单元来模拟其性能,有限元模型如图2所示,并将其命名为ZP。参照试验加载,首先对节点施加轴压比为0.1的轴力,之后在柱端施加水平循环荷载,为防止应力集中,采用定义参考点并与加载处垫片进行耦合的方式,将荷载施加在参考点上,加载制度如图3所示。

利用有限元软件ABAQUS,对后浇区采用超韧性工程水泥基复合材料ECC浇筑的新型预制混凝土框架节点ZP,进行了非线性有限元模拟分析,并将其与整体现浇节点XJ的受力性能及现有试验结果^[5] 进行对比。

对于有限元模拟,试件模型的破坏情况可通过查看混凝土受拉、受压的损伤因子的变化和分布来获得,图4为现浇节点以及预制节点模拟的受拉损伤因子分布。

对比两种节点模型的损伤分布可知,与试验中两类节点的破坏情况相类似,现浇节点在循环荷载作用下,最终破坏处为节点核心区域,而装配式节点的破坏则集中在梁中钢板末端以及螺栓连接部位,与现浇节点相比,破坏位置得到外移,符合“强柱弱梁”的原则。

滞回曲线是指结构在循环往复荷载作用下的荷载-变形曲线,将滞回曲线上同向(拉或压)各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线称为骨架曲线,滞回曲线和骨架曲线反映了结构在受力过程中的承载力、刚度、延性、耗能性等特性,是确定恢复力模型和进行地震反应分析的依据,体现了结构的抗震性。

图5为有限元模拟得出的预制混凝土框架节点以及现浇框架节点的滞回曲线,与试验^[3] 滞回曲线相比,模拟的滞回曲线要饱满得多,并且试验滞回曲线在卸载过程中出现了明显的捏缩现象,而模拟的曲线中没有出现,这是由于:(1)试验中,试件在制作、安装以及加载过程中会产生各种缺陷,而有限元模拟则是在完全理想的条件下进行加载;(2)试验时钢筋与混凝土之间会发生相对滑移,而在模拟时,钢筋和钢板采用的是嵌入约束,忽略了滑移。

图6为模拟与试验条件下模型的位移-荷载骨架曲线对比,由于试验时试件底部支座会出现一定滑移,因而试验曲线并不对称,但宏观来讲,两者吻合较好,模型在循环加载下骨架曲线的极值荷载值如表2所示,通过对比,发现有限元模拟的节点承载力在正负2个方向下,与试验结果之间的误差均不超过5%,考虑到材料的缺陷以及加载形式的区别,可认为本文建立的有限元模型能够较为准确地模拟出节点的各项性能。

与现浇节点相比,该新型预制装配式节点的承载力提高了28.22%,等效阻尼系数提高了58.86%,并且两者位移延性系数平均值均>3,符合钢筋混凝土结构位移延性系数大于2.57的要求^[9] ,说明这种装配式节点在提高承载力的同时,保持了较好的延性,并且在节点后浇区采用超韧性工程水泥基复合材料ECC进行浇筑,同时预埋了方钢管,对节点区域进行了加强,提高了节点的耗能性,符合“强节点、弱构件”的设计原则。

前文对后浇ECC的新型预制装配式框架节点进行了模拟分析,结果显示其性能较好,然而目前在我国,对于超韧性工程水泥基复合材料ECC的研究和应用还较少,实际工程用的最多的依旧是普通混凝土,为了进一步研究ECC对节点性能的影响,在试验^[3] 基础上,将后浇材料改为普通混凝土并进行分析,将其结果与第3节中模拟结果进行对比,分析两者之间差异。

仍然选用第2节中建立的模型,只是将后浇材料由ECC改为C60混凝土,利用ABAQUS进行模拟计算,为了方便下文叙述,对后浇ECC的预制节点简称为ECC节点,对后浇普通高性能混凝土C60节点简称为高性能混凝土节点,两者的受拉损伤分布对比如图7所示。

由图7可知,ECC节点和普通高性能混凝土节点的破坏模式相近,损伤均主要集中在螺栓连接位置、后浇面以及梁中钢板末端,只是当后浇材料采用普通高性能混凝土时,节点损伤程度明显要比后浇高性能纤维增强水泥基复合材料ECC的节点严重。

对后浇普通高性能混凝土C60的新型预制装配式混凝土节点进行非线性分析,得出节点的荷载-位移骨架曲线,并与ECC节点对比,结果如图8所示。

通过有限元计算得出了后浇两种不同材料节点在低周反复加载条件下的荷载-位移曲线,可以发现,同高性能混凝土节点的滞回曲线相比,ECC节点模拟出的曲线要更加饱满,表明其消耗的能量要比普通高性能混凝土节点大,提取出两种情况下节点的骨架曲线并进行对比,如图8所示,从中可以看出,高性能混凝土节点骨架曲线的初始刚度要比ECC节点稍大,这是因为超韧性工程水泥基复合材料ECC的基体中并不包含粗骨料,同时为了保证能够充分发挥材料的受拉应变-硬化效应,其基体中砂子的粒径和含量也受到了限制,这在一定程度上降低了ECC的刚度,此外,由于掺入了PVA纤维,使基体的孔隙率增大,匀质性降低,这也造成了ECC的弹性模量要比普通混凝土低,因而ECC节点骨架曲线的初始刚度要比普通高性能混凝土节点低。

此外,对比ECC节点与高性能混凝土节点的骨架曲线可知,虽然两种节点所能承担的最大荷载相差不大,但是变形能力有着明显的差异,表3列出了两种后浇材料下节点的主要特征量,从中可以看出ECC节点的屈服位移和极限位移均比普通高性能混凝土节点大,其平均位移延性系数同高性能混凝土节点相比,提高了8.16%,并且在达到峰值荷载后,ECC节点骨架曲线下降更缓慢,这是由于当节点曲线进入下降段后,随着裂缝不断扩展,ECC中的PVA纤维发挥的阻裂作用开始明显,造成荷载曲线下降缓慢,根据以往实测ECC单轴受压和受拉的应力-应变全曲线可知,其峰值应变均明显大于普通混凝土,其中高强度的ECC极限拉应变可达3%左右,这表明PVA纤维能够明显提高ECC基体的塑性变形能力,并且由于塑形变形能力的增加,节点的耗能性能也相应的有所提高,由表3可知,同高性能混凝土节点相比,ECC节点的等效阻尼系数提高了21.26%。

综上所述,当该新型预制装配式混凝土节点后浇区采用超韧性工程水泥基复合材料ECC时,节点的抗震性能和耐损伤能力均有所提高,进而减小了震后用来修复节点的费用,并且配制ECC时,可利用工业废料粉煤灰代替约50%的水泥熟料,实现废物再循环利用,此外,ECC的密实性很好,在正常使用条件下,构件表面能够长期不开裂,有效阻止了有害物质向构件材料内部的渗透,提高了构件的耐久性,继而延长了结构的使用年限,综合社会、经济、环境三要素进行考虑,采用ECC材料比采用普通高性能混凝土约有37%的成本优势^{[10,11,12,13]} ,因而对于本文中的节点形式,采用ECC作为后浇材料完全符合安全性、适用性、耐久性以及经济性的结构设计功能要求。

本文对后浇超韧性工程水泥基复合材料的新型预制装配式混凝土框架节点进行了非线性数值分析,并与后浇普通高性能混凝土的该类节点进行对比,主要结论如下。

1)利用有限元软件ABAQUS,建立节点有限元模型并进行数值仿真模拟,其模拟结果与试验结果相比,吻合较好,本文采用的本构模型,能够较好地模拟各种材料的力学性能。

2)预制装配式节点最终的破坏模式为梁破坏,同现浇节点相比,破坏位置得到外移,符合“强柱弱梁”的设计原则;节点核心区内预埋的方钢管以及后浇ECC,提高了节点的承载力、延性以及耗能能力等,符合“强节点、弱构件”的设计原则。

3)同后浇普通高性能混凝土的新型预制装配式节点相比,节点后浇区采用ECC浇筑,能够明显提高节点的抗震性能和耐损伤能力,减小震后修复费用,符合安全、适用、经济、耐久的设计功能要求。