陳珊珊，王 磊，劉繼明，吳成龍

(1.青島騰遠設計事務所有限公司，青島 266000；2.青島理工大學土木工程學院，青島 266000)

伴隨著大眾行業(yè)進入智能時代，萬物互聯(lián)，高科技與傳統(tǒng)建筑行業(yè)互相融合，極大促進了國家建筑行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，其中預制裝配式結(jié)構(gòu)建筑的出現(xiàn)為結(jié)構(gòu)調(diào)整開辟了一條新路徑。裝配式框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點良好的抗震性能明顯區(qū)別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，裝配式框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展重點是開發(fā)更為優(yōu)質(zhì)的節(jié)點連接形式。目前，中外對裝配式梁-柱節(jié)點連接方式的研究也取得了一些成果。Chou等[1]通過擬靜力試驗的方法對兩個足尺狗骨式鋼梁-鋼混凝土(steel reinforced concrete，SRC)柱裝配式框架節(jié)點進行研究，并就節(jié)點核心區(qū)采用鋼板箍或縱向加勁板等構(gòu)造措施一并考究。Tankut等[2]通過擬靜力試驗對現(xiàn)澆節(jié)點和焊接(采用頂板、底板和側(cè)板焊)連接的裝配式梁-柱節(jié)點進行深入研究。試驗表明，焊接連接的裝配式梁柱節(jié)點各項抗震性能指標與傳統(tǒng)節(jié)點接近。Parastesh等[3]設計的預制梁柱節(jié)點通過彎鉤狀的梁底筋來提高鍵槽抗剪能力，結(jié)果表明此新型節(jié)點強度高、延性好、耗能性強。潘鵬等[4]、郭海山等[5]對后張無黏結(jié)預應力干式裝配梁柱節(jié)點進行擬靜力研究。結(jié)果表明，相比于現(xiàn)澆節(jié)點，后張無黏結(jié)預應力梁柱節(jié)點更加安全可靠，但其耗能能力略差。李祚華等[6]對一種由鋼質(zhì)節(jié)點，上下柱、梁以及阻尼器組成的裝配式鋼筋混凝土(reinforce concrete, RC)梁柱塑性可控鋼質(zhì)節(jié)點進行抗震性能研究。鄧明科等[7]設計了一種節(jié)點局部填充高延性混凝土材料的裝配式梁柱節(jié)點。崔中敏[8]、李光輝[9]通過試驗和數(shù)值模擬的方法研究有無樓板和樓板寬度對SRC柱-鋼梁節(jié)點抗震性能的影響，結(jié)果表明，有樓板作用的節(jié)點在承載力、延性及耗能等方面更優(yōu)；且承載力與樓板有效寬度成正比。張保濤[10]、吳成龍等[11-12]、陳珊珊等[13]、Wu等[14]提出一種由SRC柱、鋼梁通過節(jié)點核心區(qū)模塊干式連接的新型裝配式節(jié)點，其中節(jié)點模塊運用栓接、焊接及栓焊混合連接3種形式，通過節(jié)點擬靜力試驗與非線性分析相結(jié)合的方法，對此類新型節(jié)點分別進行抗震和受力兩方面的深入研究，結(jié)果表明，此新型裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點具備良好的承載特性和抗震性能，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

上述研究主要為預制裝配式梁-柱節(jié)點的研究，很少將樓板考慮在節(jié)點抗震試驗中，考慮樓板組合效應的裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點的研究更未見報道，樓板與鋼梁的結(jié)合相應地影響了節(jié)點的破壞機理和受力性能?；谘b配式SRC柱-鋼梁節(jié)點擬靜力試驗研究，采用ABAQUS軟件對栓焊混合連接節(jié)點進行有限元驗證，在有效模型的前提下，對裝配式的SRC柱-鋼梁及其考慮樓板組合效應的節(jié)點的抗震性能進行系統(tǒng)地對比分析；進而研究了樓板厚度和寬度兩個參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響，旨在為推廣裝配式SRC框架結(jié)構(gòu)在抗震區(qū)的實際應用發(fā)展提供技術支持。

1 節(jié)點設計

基于擬靜力試驗研究中栓焊混合連接型的裝配式SRC柱-鋼梁邊節(jié)點試件PCBJ3[10-12]，如圖1(a)所示，設計了考慮樓板組合作用的邊節(jié)點試件JD-0，如圖1(b)所示，以JD-0為標準模型，共設計了兩組6個節(jié)點試件，分別研究往復荷載作用下樓板厚度、寬度對節(jié)點抗震性能的影響。為便于對比分析，僅改變其中一組參數(shù)。節(jié)點試件編號及參數(shù)設置如表1所示。

圖1 節(jié)點試件基本尺寸

表1 節(jié)點試件編號及參數(shù)設置

試驗中試件鋼材為Q345B級鋼，混凝土強度C40，SRC柱截面尺寸為350 mm350 mm，柱內(nèi)H型鋼尺寸為150 mm×150 mm×7 mm×10 mm，柱中縱、箍筋的強度等級分別為HRB400、HPB300，直徑分別選用20 mm、8 mm。鋼梁采用280 mm×150 mm×10 mm×10 mm的H型鋼。高強螺栓采用M20、M24的S10.9級摩擦型。試驗加載為先對柱頂豎向施壓并保持恒定，然后對梁端施加低周反復荷載，當試件破壞亦或梁端荷載小于85%峰值荷載時即停試驗。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50017—2017)[15]的規(guī)定，設定樓板有效寬度為 1 000 mm，長為1 560 mm，厚度為100 mm，樓板采用雙層雙向配置直徑為10 mm，間距為100 mm的HRB400級鋼筋，配筋率為1.73%，鋼筋在板內(nèi)的布置如圖2(a)所示。樓板通過雙排抗剪栓釘焊接于鋼梁上翼緣處與鋼梁協(xié)同工作，選用圓柱頭栓釘，直徑取19 mm,高度取80 mm，并符合完全剪力連接。栓釘沿梁跨方向、橫向間距分別為150、80 mm。組合梁橫截面如圖2(b)所示。

圖2 樓板設計詳圖

2 裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點有限元模型建立

2.1 材料本構(gòu)模型

試件選用Q345B級鋼，所用材料屬性均取自材性試驗[10]，彈性模量(E)為2.06×105MPa，密度(ρ)為7.8×103kg/m3，泊松比為0.3，鋼筋型號分別為HPB300、HRB400，高強螺栓采用S10.9級摩擦型。結(jié)合試驗值，鋼材均選用滿足Mises屈服準則和流動法則的兩折線強化模型，其本構(gòu)關系如圖3(a)所示。其中Es為彈性階段鋼材彈性模量，0.01Es為強化階段鋼材彈性模量的近似值。混凝土采用損傷塑性模型，其單軸受壓、拉本構(gòu)依據(jù)文獻[16]所提供的應力-應變關系曲線確定，如圖3(b)、圖3(c)所示。

圖3 材料應力-應變曲線

2.2 單元選取及網(wǎng)格劃分

依據(jù)材料屬性劃分單元類型，模型中的各部件均采用ABAQUS中的C3D8R實體單元，鋼筋選用空間桁架單元T3D2[17]。模型網(wǎng)格選用結(jié)構(gòu)化劃分技術，將各部件切割成規(guī)整形狀，并沿厚度方向均勻劃分為3層網(wǎng)格，其中著重對節(jié)點核心區(qū)部件進行網(wǎng)格加密。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分

2.3 接觸及邊界條件

各部件進行接觸分析時，接觸對之間均采用“面-面”接觸，接觸面存在切向作用時設置為“罰”，法向作用時，設置為“硬”接觸，摩擦因數(shù)取0.35[18]；通過焊接連接的各部件接觸時的相互作用均采用“綁定(Tie)”；柱內(nèi)型鋼、鋼筋組成鋼骨架與混凝土之間采用“嵌入(Embedded)”的接觸關系。

模型的邊界條件參照試驗情況設置：在SRC柱頂中心點、柱底中心點、梁端加載點設置參考點RP-2、RP-3、RP-1，并將所設參考點與加載面“耦合(Couple)”，將其約束及荷載分別施加在3個參考點上。柱頂面、底面約束形式均采用鉸接。依據(jù)試驗加載制度，本文模型具體加載方式為：先按軸壓比0.15在SRC柱頂面施加豎向軸力，然后將往復位移荷載施加在梁端面耦合點處。設置邊界條件的有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元邊界條件

3 有限元模型驗證

3.1 骨架曲線對比

試驗、有限元所得的荷載-位移(P-Δ)骨架曲線如圖6所示，加載過程中，骨架曲線在彈性階段呈現(xiàn)為直線段，有限元計算結(jié)果略超實測值；在強化階段，有限元和試驗曲線的斜率一致減??；試件因梁端位移達到極限狀態(tài)時，有限元所得極限承載力稍高于試驗結(jié)果，近乎同時達到極限承載力且漸漸降低，變化趨勢十分接近?？傮w而言，有限元與試驗骨架曲線的負向比正向擬合好一點。盡管兩者之間存在差異，仍可準確反映節(jié)點的受力特性。

圖6 試驗與有限元模擬骨架曲線對比

3.2 承載力對比

節(jié)點的屈服荷載(Py)、峰值荷載(Pmax)和破壞荷載(Pu)及相應的屈服位移(Δy)、峰值位移(Δmax)及破壞位移(Δu)均依據(jù)梁端加載P-Δ骨架曲線通過Park法確定[19]。節(jié)點試件的屈服、峰值和破壞荷載如表2所示，試驗所得的節(jié)點試件的屈服、極限和破壞荷載與有限元結(jié)果相比誤差在5%以內(nèi)，且數(shù)值模擬的結(jié)果略大，說明就承載力而言與試驗結(jié)果相近。

表2 試驗和有限元模擬承載力對比

3.3 剛度退化

節(jié)點各級位移幅值下，節(jié)點剛度隨循環(huán)加載次數(shù)的遞增而變小。一般采用同等位移情況下環(huán)線剛度Kj評價，即

(1)

試驗與有限元模擬剛度退化曲線對比如圖7所示，初始階段，兩者剛度曲線退化顯著，伴隨加載位移的遞增，相比于試驗值，數(shù)值模擬的剛度退化速率更緩慢，二者剛度退化曲線逐漸貼近。

圖7 試驗與有限元模擬剛度退化曲線對比

4 考慮樓板組合效應的節(jié)點有限元分析

4.1 考慮樓板組合效應的節(jié)點模型的建立

考慮樓板組合效應的邊節(jié)點的各材料屬性、單元類型、網(wǎng)格劃分及加載方式與裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點一致。進行接觸分析時，將樓板縱橫筋通過“Merger”指令合并成鋼筋籠骨架，然后由“嵌入(Embedded)”指令嵌入樓板中。考慮樓板組合效應的節(jié)點由于實際工程中鋼梁上設置足夠的抗剪栓釘，使用“Tie綁定”約束混凝土板底部與鋼梁上翼緣，以模擬栓釘?shù)耐耆辜暨B接。樓板與SRC柱之間的相互作用通過“Tie綁定”約束模擬。進行邊界條件設置時，在梁端施加荷載前，設置耦合約束使梁端處整個截面耦合在力加載點處，保證樓板與梁共同工作，整個過程采用位移控制加載。JD-0節(jié)點模型邊界條件如圖8所示。

圖8 JD-0節(jié)點模型邊界條件

4.2 考慮樓板組合效應的節(jié)點試件有限元分析

4.2.1 破壞形態(tài)分析

PCBJ3與JD-0節(jié)點試件破壞形態(tài)對比如圖9所示，兩者塑性鉸均形成于鋼梁翼緣連接處。相比PCBJ3節(jié)點試件，JD-0節(jié)點試件H型鋼梁上翼緣連接板屈曲現(xiàn)象不明顯，節(jié)點試件的中和軸位置始終處于H型鋼梁截面中心線以上。正向荷載作用下，隨位移級別的增大，H型鋼梁下翼緣連接板應變加大；負向荷載作用下，其屈曲現(xiàn)象更明顯。因樓板中鋼筋與混凝土分別主要參與受拉和受壓，故有效提高了節(jié)點的極限承載力及穩(wěn)定性。

圖9 節(jié)點試件破壞形態(tài)對比

4.2.2 樓板損傷破壞分布

樓板受拉損傷呈現(xiàn)如圖10所示，初始階段，SRC柱附近首先出現(xiàn)受拉損傷，繼續(xù)施加荷載，受拉損傷由節(jié)點核心區(qū)板柱交接區(qū)域向四周擴散，并最終形成沿板寬方向平行分布的態(tài)勢，整個過程應力最大區(qū)域均在節(jié)點核心區(qū)，達到破壞荷載后，損傷程度由節(jié)點核心區(qū)板柱交接處向外遞減。

圖10 樓板受拉損傷發(fā)展

樓板受壓損傷發(fā)展如圖11所示，初始階段，樓板混凝土應力沿寬度方向呈對稱分布，SRC柱右側(cè)與樓板接觸處應力最大；繼續(xù)加載，樓板受壓損傷由節(jié)點核心區(qū)板柱交接區(qū)向四周擴展；隨樓板變形逐漸增大，達到破壞荷載后，柱周邊位置損傷尤為嚴重。

圖11 樓板受壓損傷發(fā)展

4.2.3 骨架曲線對比

PCBJ3與JD-0節(jié)點試件骨架曲線對比如圖12所示。JD-0節(jié)點試件骨架曲線斜率和峰值荷載均更大，說明樓板與鋼梁的結(jié)合顯著提高了節(jié)點試件的承載力和剛度。如表2所示，正向加載時H型鋼梁的中和軸上移，JD-0節(jié)點試件的承載力和剛度均明顯高于PCBJ3節(jié)點試件；負向加載時，因板內(nèi)縱向受拉鋼筋的作用，JD-0節(jié)點試件的承載力和剛度也高于PCBJ3節(jié)點試件。

圖12 骨架曲線對比

4.3 節(jié)點抗震性能分析

4.3.1 節(jié)點延性

節(jié)點延性選用梁端位移延性系數(shù)(μ)來評定，即梁端屈服位移(Δy)除破壞位移(Δu)，計算公式為

(2)

JD-0、PCBJ3節(jié)點試件的延性系數(shù)平均值如表3所示，考慮樓板作用的JD-0節(jié)點試件的承載力顯著增強，但其延性減小，相比PCBJ3節(jié)點試件的延性系數(shù)下降了20.6%。

4.3.2 耗能能力

由《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[20]表3規(guī)定，節(jié)點試件的抗震性能可用等效黏滯阻尼系數(shù)(ζeq)來評定。ζeq計算示意圖如圖13所示，計算公式為

表3 節(jié)點試件抗震性能指標

(3)

式(3)中：S(ABC+CDA)為圖13中最后一級位移第一循環(huán)的滯回曲線包絡面積；S(OBE+ODF)為圖13中正反向極限位移所圍成的△OBE與△ODF的面積之和。

圖13 ζeq的計算示意圖

在同等加載位移下，JD-0節(jié)點試件的等效黏滯阻尼系數(shù)小于PCBJ3節(jié)點試件，說明前者的滯回曲線飽滿度略低。加載至75 mm位移級時，PCBJ3節(jié)點試件滯回耗能量為JD-0節(jié)點試件的1.35倍，說明樓板的存在使鋼梁翼緣連接板塑性變形的發(fā)展受限制。

4.3.3 強度退化

強度退化指位移幅值鎖定時，節(jié)點峰值荷載隨循環(huán)加載次數(shù)的遞增而減小。采用承載力降低系數(shù)(λj)來計算，其表達式為

(4)

式(4)中：Pj為第j次位移加載的峰值荷載；Pmax為加載過程中的最大荷載。

PCBJ3與JD-0節(jié)點試件強度退化曲線如圖14所示，隨位移級別的增大，PCBJ3節(jié)點試件正反向均出現(xiàn)強度退化現(xiàn)象，JD-0節(jié)點試件退化不明顯。持續(xù)加載，JD-0節(jié)點試件達到極限狀態(tài)的時間略晚，兩者強度退化系數(shù)范圍均為0.8～1，表現(xiàn)出良好的強度穩(wěn)定性；達到極限承載力后，JD-0節(jié)點試件強度退化曲線平緩，說明組合梁節(jié)點在往復荷載作用下強度較穩(wěn)定，抗震性能良好。

圖14 強度退化對比

5 抗震性能影響因素分析

5.1 樓板厚度的影響

5.1.1 骨架曲線

不同樓板厚度時各節(jié)點試件的骨架曲線如圖15 所示，由圖15、表4可得，加載的初始階段，4條骨架曲線荷載與位移呈線性變化，繼續(xù)加載節(jié)點達到屈服，曲線的斜率也隨之增大，樓板厚度與節(jié)點試件的承載力和剛度成正比。正向加載時，節(jié)點試件JD-3相比JD-0、JD-1、JD-2承載力分別提高了48.7%、31.3%、19.6%；負向加載時，試件承載力分別提高了46.7%、33.5%、20.1%，說明樓板厚度的增加提高了混凝土的抗壓強度。

圖15 骨架曲線對比

5.1.2 延性及耗能能力

不同樓板厚度時各節(jié)點試件延性系數(shù)平均值和等效黏滯阻尼系數(shù)如表4所示，與JD-0節(jié)點試件相比，節(jié)點試件JD-1、JD-2、JD-3延性分別降低了6.5%、17.5%和31.5%,等效黏滯阻尼系數(shù)分別提高了2.79%、5.57%、6.81%，說明隨樓板厚度的增加，節(jié)點試件的耗能能力不斷增強，而其延性性能持續(xù)下降。

5.1.3 剛度退化曲線

各節(jié)點試件的剛度退化曲線如圖16所示，處于彈性階段，隨樓板厚度的增大，初始環(huán)線剛度提升顯著，同時提高了組合梁截面的抗彎剛度，樓板可有效保護H型鋼梁上翼緣連接板。最后階段，4條節(jié)點試件的剛度退化速率均減緩，JD-3節(jié)點試件的環(huán)線剛度始終大于另外3種板厚。

圖16 剛度退化曲線

5.2 樓板寬度的影響

5.2.1 骨架曲線

不同樓板寬度時各節(jié)點試件的骨架曲線和剛度退化曲線如圖17所示，結(jié)合圖17、表4可知，與JD-0節(jié)點試件相比，JD-4、JD-5節(jié)點試件正向承載力分別提高了7.16%、5.03%，負向承載力分別提高了8.73%、5.47%。板寬從600 mm增加到 1 000 mm 時，參與受力的板筋數(shù)量增加，節(jié)點承載力明顯提高。

圖17 骨架曲線對比

5.2.2 延性及耗能能力

不同樓板寬度時各節(jié)點試件的延性系數(shù)平均值和等效黏滯阻尼系數(shù)如表4所示，與板寬為 1 000 mm 的JD-0節(jié)點試件相比，板寬為600 mm的JD-4和板寬為800 mm的JD-5節(jié)點試件延性分別提高了11.0%和4.9%，等效黏滯阻尼系數(shù)分別降低了1.86%和0.93%，表明樓板寬度與節(jié)點試件的延性成反比，與耗能能力成正比。

表4 節(jié)點試件抗震性能指標

5.2.3 剛度退化曲線

各節(jié)點試件的剛度退化曲線如圖18所示，3個節(jié)點試件在正反向加載過程中剛度退化趨勢一致，均退化明顯。板寬從600～1 000 mm增加時，JD-4節(jié)點試件的環(huán)線剛度始終小于節(jié)點試件JD-5、JD-0。

圖18 剛度退化曲線

6 結(jié)論

(1)裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點的最終破壞位置主要集中于鋼梁連接處，均實現(xiàn)了梁端塑性鉸破壞，抗震性能良好，滿足“強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件”的設計要求。

(2)有限元分析得出的骨架曲線、承載特性及剛度退化均與試驗結(jié)果較吻合，且試驗與有限元分析所得承載力相差在5%以內(nèi)，驗證了有限元分析的合理可靠性。

(3)樓板的組合效應提高了H型鋼梁上翼緣的穩(wěn)定性，但H型鋼梁下翼緣連接板塑性面積變大，屈曲變形嚴重。相比裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點試件，考慮樓板組合效應的節(jié)點的承載力、剛度均明顯提高，但延性系數(shù)和等效黏滯阻尼系數(shù)有所減小，其環(huán)線剛度始終大于裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點，且剛度退化明顯，強度退化不明顯。

(4)增加樓板厚度可提高裝配式SRC柱-鋼梁節(jié)點試件的承載力、剛度以及耗能能力，并使剛度退化速度減緩；在600～1 000 mm范圍內(nèi)增加樓板寬度可提高節(jié)點試件的承載能力、初始剛度和耗能能力，但其延性減弱。故設計時應合理控制各參數(shù)。