倪 靜 秦皇島金洋建設(shè)集團(tuán)有限公司

1 相關(guān)概念和研究?jī)?nèi)容

1.1 概念介紹

（1）裝配式結(jié)構(gòu)。裝配式結(jié)構(gòu)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)稱，是以預(yù)制構(gòu)件為主要受力構(gòu)件經(jīng)裝配、連接而成的混凝土結(jié)構(gòu)。按照類別可劃分為：全裝配式和半裝配式兩種。

裝配式結(jié)構(gòu)可以連續(xù)地按順序完成工程的多個(gè)或全部工序，從而減少進(jìn)場(chǎng)的工程機(jī)械種類和數(shù)量，消除工序銜接的停閑時(shí)間，實(shí)現(xiàn)立體交叉作業(yè)，減少施工人員，從而提高工效、降低物料消耗、減少環(huán)境污染，為綠色施工提供保障。另外，裝配式結(jié)構(gòu)在較大程度上減少建筑垃圾，約占城市垃圾總量的30%～40%，如廢鋼筋、廢鐵絲、廢竹木材、廢棄混凝土等。

（2）梁柱節(jié)點(diǎn)。梁柱節(jié)點(diǎn)主要指梁柱構(gòu)件重疊的區(qū)域，是梁柱交匯的節(jié)點(diǎn)區(qū)域，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力有特殊規(guī)定與限值，以保證節(jié)點(diǎn)的可靠性。

具體框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面高度可取驗(yàn)算方向的柱截面高度，框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面有效寬度，梁柱中線重合時(shí)，當(dāng)梁寬不小于答柱寬的一半時(shí)即為柱寬，當(dāng)梁寬小于柱寬的一半時(shí)，可取梁寬加二分之一的柱寬，梁專柱中線不重合時(shí)另有特殊規(guī)定。

（3）抗剪力。所謂剪力（Shear Force）就是：作用于同一物體上的兩個(gè)距離很近（但不為零），大小相等，方向相反的平行力。而本文中研究的柱構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的抗剪力有其相應(yīng)的驗(yàn)算公式。

1.2 研究?jī)?nèi)容

本文針對(duì)裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行力學(xué)性能的研究，具體內(nèi)容包括：首先，運(yùn)用有限單元法建立新型的裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)模型；然后針對(duì)裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)有限元分析模型進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)的自振特性分析，研究模型型的軸壓比、混凝土強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力等參數(shù)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的基頻和振型的影響。

2 有限元模型的建立

2.1 建立有限元模型

（1）有限單元的選取。本文選取SOLID65作為混凝土單元、以SOLID185作為梁端處的鋼板箍單元，鋼筋單元和梁柱連接處的鋼板方面，分別選擇的LINK180與SHELL181單元，在栓桿上添加預(yù)應(yīng)力時(shí)，選取的是 PRETS179單元。

（2）有限元模型的尺寸。模型中，采用預(yù)應(yīng)力螺栓的方式對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。在梁端應(yīng)用工字形的鋼板箍，其厚度為4mm。選擇強(qiáng)度為C40的混凝土，且工字型梁的截面尺寸為：高450mm，寬bf=380mm，腹板的厚度為b=110mm，翼緣的厚度為hf=150mm，梁端端板的長(zhǎng)寬高分別為30mm、710mm和400mm。

（3）建立裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型。根據(jù)上述模型中數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型的力學(xué)簡(jiǎn)化和建立有限元計(jì)算模型和鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋。

（4）網(wǎng)格的劃分。在對(duì)裝配式模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，主要是在對(duì)整體進(jìn)行鋼筋和混凝土劃分之后，對(duì)螺栓進(jìn)行局部劃分。

2.2 模型計(jì)算

在模型計(jì)算之前，需要進(jìn)行邊界條件加載，我們參考實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，將梁長(zhǎng)度、高度和垂直于柱且朝外的方向分別設(shè)置為X軸、Y軸和Z軸。在模擬加載過(guò)程中，選擇在柱端施加豎向荷載；在水平方向，用力的函數(shù)的方式進(jìn)行加載，加載過(guò)程中設(shè)計(jì)的數(shù)值，參考試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，最終得到裝配式鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模型。

3 梁柱節(jié)點(diǎn)模型的模態(tài)分析

3.1 模型結(jié)構(gòu)的自振特性

模型中的混凝土強(qiáng)度為C40，重力加速度取9.8N/kg。選取結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的前二十階頻率，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表和前二十階自振頻率的統(tǒng)計(jì)圖，如表1所示。

表1 裝配式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)前20階的自振頻率 f/Hz

通過(guò)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析過(guò)程可以得知：裝配式節(jié)點(diǎn)的振型主要是以平動(dòng)為主，彎曲振型、扭轉(zhuǎn)振型分別出現(xiàn)在第七階、第十八階，而破壞振型相對(duì)滯后。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自振頻率的變化分析

（1）軸壓比的影響。軸壓比可以通過(guò)改變斜壓桿的主壓應(yīng)力的大小等條件，對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能及核心區(qū)的力的傳遞產(chǎn)生比較大的影響。我們也可以通過(guò)限制軸壓比的方式，對(duì)結(jié)構(gòu)延性的變化進(jìn)行控制。

式中：

u——軸壓比，對(duì)非抗震地區(qū)，u=0.9；

N——軸力設(shè)計(jì)值；

A——截面面積；

本文主要通過(guò)分別取軸壓比為 0.2、0.4、0.6，分析在不同軸壓比的情況下構(gòu)件的振型頻率，通過(guò)結(jié)構(gòu)的前20階振型頻率統(tǒng)計(jì)可知：當(dāng)結(jié)構(gòu)只改變軸壓比時(shí)，結(jié)構(gòu)的模態(tài)變化很小。

（2）混凝土強(qiáng)度的影響。本文選取強(qiáng)度為C30、C40、C60的混凝土，分析在不同混凝土強(qiáng)度下的構(gòu)件的自振頻率。其結(jié)構(gòu)基頻分別為37.509/Hz、27.351/Hz和20.126/Hz，通過(guò)得出對(duì)不同混凝土強(qiáng)度前20階頻率可得：結(jié)構(gòu)的基頻隨與混凝土強(qiáng)度成反比，而當(dāng)混凝土強(qiáng)度發(fā)生遞增變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體頻率會(huì)有所降低，也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度與整體結(jié)構(gòu)的剛度成正比。

（3）預(yù)應(yīng)力的影響。當(dāng)有預(yù)應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)基頻為27.351/Hz，沒(méi)有預(yù)應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)基頻為為118.64/Hz。通過(guò)對(duì)有、無(wú)預(yù)應(yīng)力時(shí)前20階頻率分析可得：施加預(yù)應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的基頻成正比，而與結(jié)構(gòu)的整體頻率成反比，這說(shuō)明添加預(yù)應(yīng)力在一定程度上會(huì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度和梁柱節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度。

4 裝配式鋼筋混凝土梁抗剪承載力分析

4.1 混凝土強(qiáng)度對(duì)梁抗剪性能的影響

在軸壓比為0.4的裝配式模型下，依次改變混凝土的強(qiáng)度值為 C30、C40、C60，通過(guò)對(duì)裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果得到裝配式模型在不同混凝土強(qiáng)度時(shí)的極限抗剪強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)裝配式鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)，在不同混凝土強(qiáng)度下的有限元模擬可知，當(dāng)模型受到循環(huán)荷載的作用下，梁發(fā)生的破壞主要是斜截面的剪切作用。

4.2 箍筋強(qiáng)度對(duì)梁抗剪性能的影響

在軸壓比為0.4的裝配式模型下，改變模型的箍筋強(qiáng)度值，分別為600MPa、800MPa、1100MPa。通過(guò)對(duì)裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行的有限元分析，通過(guò)分析結(jié)果可得到裝配式模型在不同箍筋強(qiáng)度時(shí)的極限荷載曲線。

由模擬所得的不同箍筋強(qiáng)度下的極限抗剪強(qiáng)度曲線可知：當(dāng)箍筋強(qiáng)度增大時(shí)，箍筋能夠承擔(dān)一部分剪力的作用，并能夠有效地抑制裂縫的開(kāi)展和延伸。箍筋強(qiáng)度越高，梁的抗剪承載力越大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立有限元模型，對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的自振特性和自頻率進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在不同混凝土強(qiáng)度和不同箍筋強(qiáng)度的情況下，對(duì)裝配式鋼筋混凝土梁的抗剪性能進(jìn)行了有限元分析。