包 偉，于建兵

(1.鎮(zhèn)江市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212004；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

在我國(guó)，每年因建筑物拆除而產(chǎn)生大量廢棄混凝土，對(duì)環(huán)境造成巨大影響。因此，實(shí)現(xiàn)混凝土的可循環(huán)使用對(duì)解決日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和緩解自然資源枯竭至關(guān)重要。在過(guò)去的幾十年中，廢棄混凝土的回收技術(shù)和利用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這主要得益于學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)再生混凝土力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識(shí)[1]，及有關(guān)實(shí)現(xiàn)混凝土構(gòu)件再利用的一系列研究。對(duì)建筑物來(lái)說(shuō)，一些受損構(gòu)件的可更換，是提高建筑構(gòu)件可重復(fù)利用以節(jié)約自然資源的最直接方法。如果一棟建筑物采用了可更換構(gòu)件的技術(shù)，那么這棟建筑物可能會(huì)在它達(dá)到第一次使用壽命后，對(duì)其一些受力構(gòu)件進(jìn)行更換，使其能夠被繼續(xù)使用。通過(guò)CIB(國(guó)際建筑施工研究與創(chuàng)新理事會(huì))報(bào)告可以發(fā)現(xiàn)，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有進(jìn)行可更換建筑物構(gòu)件的案例[2]。

本文對(duì)可更換新型混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了仿真研究，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了非線(xiàn)性有限元分析，以期為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)介紹

1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于可更換建筑，不同結(jié)構(gòu)單元的連接節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)可更換建筑構(gòu)件可重復(fù)利用的關(guān)鍵部位。在此基礎(chǔ)之上，提出了一種新型可更換連接框架梁柱節(jié)點(diǎn)。為了能夠讓構(gòu)件更好地抵抗彎矩作用，設(shè)計(jì)中采用了木結(jié)構(gòu)榫連接來(lái)實(shí)現(xiàn)可更換梁和柱之間的連接，如圖1～3所示。該新型可更換連接節(jié)點(diǎn)包括2個(gè)可更換梁體及1個(gè)預(yù)制柱，在梁柱結(jié)合面處伸出一小段梁體作為可更換梁體之間的連接區(qū)域，梁體受力鋼筋焊接連接。在可更換梁的薄弱區(qū)域配置I型鋼和T型鋼，以保證梁體不發(fā)生局部剪切破壞，并防止高剪力作用下縱向鋼筋的屈曲。待中間部分的預(yù)制梁及受力筋均固定好，即可澆筑混凝土，完成梁體之間的連接。

圖1 新型裝配式可更換梁柱節(jié)點(diǎn)

圖2 可更換預(yù)制梁

圖3 連接區(qū)域

可更換混凝土框架接頭可輕松拆卸，且不會(huì)損壞接頭核心區(qū)域。進(jìn)行預(yù)制梁更換時(shí)，可將連接段后澆混凝土剔除，利用機(jī)械將焊接連接的鋼筋切斷，更換預(yù)制梁，原有的預(yù)制柱還可繼續(xù)使用，從而實(shí)現(xiàn)建筑物構(gòu)件的可持續(xù)利用。

本次試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)為2個(gè)足尺中節(jié)點(diǎn)，其中，一個(gè)為現(xiàn)澆整體節(jié)點(diǎn)(MNJ)，另一個(gè)為新型可更換裝配式節(jié)點(diǎn)(DNJ)。柱截面尺寸為350mm×350mm，高 3 200mm； 預(yù)制梁截面尺寸為200mm×400mm，節(jié)點(diǎn)兩端預(yù)制梁的2個(gè)鉸鏈間距為3 200mm。

1.2 材料特性

所有試件的混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為30MPa，后澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。采用普通硅酸鹽水泥和中砂作為膠凝材料及細(xì)骨料，制作6個(gè)邊長(zhǎng)為150mm的立方體試塊，與節(jié)點(diǎn)同條件養(yǎng)護(hù)，以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，通過(guò)混凝土立方體試塊得出混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為36MPa。采用拉拔試驗(yàn)測(cè)出節(jié)點(diǎn)中鋼筋的屈服強(qiáng)度及彈性模量如表1所示。

表1 鋼筋的力學(xué)性能

1.3 試驗(yàn)設(shè)置和加載過(guò)程

節(jié)點(diǎn)的加載裝置如圖4所示，框架梁和柱的端部都鉸接于加載裝置上，梁和柱端部只能轉(zhuǎn)動(dòng)或沿水平方向移動(dòng)，采用千斤頂在柱頂部施加400kN的軸力，并保持該軸力固定不變，使軸壓比保持在0.15。在水平方向采用作動(dòng)器施加低周反復(fù)荷載以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的抗震性能，通過(guò)位移控制水平方向低周反復(fù)荷載施加，每級(jí)位移荷載循環(huán)3次，直至荷載值下降到峰值的85%，停止加載。

圖4 加載裝置

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可更換構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂特征與現(xiàn)澆整體節(jié)點(diǎn)有明顯不同，可更換構(gòu)件的預(yù)制節(jié)點(diǎn)裂縫沿新老混凝土交界面處在預(yù)制梁連接區(qū)域不斷擴(kuò)展。隨著梁的受力鋼筋屈服，2個(gè)節(jié)點(diǎn)破壞特征均表現(xiàn)為梁柱結(jié)合面處梁底混凝土剝落，破壞特征符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，Py，Pmax，Pu分別表示屈服荷載、最大荷載和極限荷載，其中，Pu為最大荷載值的85%；δy，δmax，δu分別為對(duì)應(yīng)于Py，Pmax，Pu荷載下的位移角。由表2可知，可更換構(gòu)件節(jié)點(diǎn)DNJ承載力略低于現(xiàn)澆整體節(jié)點(diǎn)MNJ，這也表明裝配式可更換構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的抗震性能與現(xiàn)澆整體節(jié)點(diǎn)的抗震性能存在一定差異。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2 有限元模型的建立

采用ABAQUS軟件建立結(jié)點(diǎn)模型，二維模型可不考慮平面外影響因素，三維模型可提高仿真準(zhǔn)確性。在本次試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格控制平面外影響，且根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究，如果梁、柱及黏結(jié)面的截面尺寸相同，采用二維建模就能很精確模擬結(jié)構(gòu)的受力性能。為了提高計(jì)算效率，建立新型節(jié)點(diǎn)二維模型。

2.1 混凝土材料模型

根據(jù)混凝土預(yù)留試塊試驗(yàn)可知本次混凝土的抗壓強(qiáng)度為36MPa，ABAQUS提供的可塑性損傷模型可用來(lái)模擬混凝土的非線(xiàn)性行為，并結(jié)合裂縫帶模型來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂特征。Lubliner和Lee等提出的屈服面和破壞面及相關(guān)的流動(dòng)規(guī)則在本次建模中都得到了應(yīng)用，以反映混凝土在拉伸和壓縮過(guò)程中的不同響應(yīng)[3-4]。

2.2 建模所用單元及網(wǎng)格劃分

采用縮減積分的4結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)力單元(CPS4R)模擬混凝土，2結(jié)點(diǎn)桁架單元(T2D2)模擬鋼筋，4結(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元(S4R)模擬型鋼。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這種特殊連接的性能由彎矩而非剪切力決定，這意味著嵌入式型鋼對(duì)結(jié)構(gòu)性能無(wú)顯著影響。因此，忽略混凝土的約束效應(yīng)不會(huì)對(duì)有限元結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。混凝土與混凝土界面間的相互作用使用4節(jié)點(diǎn)接觸單元(COH2D4)進(jìn)行模擬，采用彈簧元件(SPRINGA)模擬鋼在界面上的銷(xiāo)釘作用。新老混凝土接觸面建模如圖5所示，實(shí)體單元網(wǎng)格尺寸為25mm×25mm，可在計(jì)算效率和計(jì)算精度上都得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果[4]。

圖5 混凝土與混凝土接觸面

2.3 邊界和加載條件

柱底限制x方向和y方向的位移，柱兩邊的梁端限制其y向位移，邊界條件與試驗(yàn)邊界條件相對(duì)應(yīng)。加載過(guò)程中，首先在柱頂施加一固定的軸向荷載，然后根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程在柱頂施加水平方向荷載，采用耦合方法進(jìn)行恒定的軸向載荷和橫向載荷施加，以避免應(yīng)力集中。有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型

3 有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)MNJ和DNJ節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，提取骨架曲線(xiàn)并與試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 骨架曲線(xiàn)對(duì)比

由圖可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，相差5%～10%。當(dāng)水平荷載加載到最大值后，節(jié)點(diǎn)的抗震性能會(huì)因節(jié)點(diǎn)類(lèi)型不同而存在差異，相對(duì)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，裝配式可更換節(jié)點(diǎn)的骨架曲線(xiàn)下降段逐漸變陡，這也進(jìn)一步說(shuō)明了裝配式可更換節(jié)點(diǎn)的變形能力及延性變差。在加載到最大荷載之后，由于裝配式可更換節(jié)點(diǎn)存在拼接，其協(xié)同工作的性能下降，從而導(dǎo)致整個(gè)節(jié)點(diǎn)的承載力下降。通過(guò)比較側(cè)向荷載與位移角骨架曲線(xiàn)，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果可有效反映節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

4 參數(shù)化分析

4.1 混凝土-混凝土界面的影響

對(duì)于可更換裝配式節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，需考慮構(gòu)件之間混凝土與混凝土接觸情況，即接觸面是光滑的還是粗糙的。在此有限元模型中，混凝土與混凝土界面的剪切特性將受到界面粗糙度的影響。影響因子m對(duì)應(yīng)于混凝土與混凝土界面的粗糙度。將m設(shè)置為0.4，0.6，0.8，分別表示光滑界面，部分粗糙界面和完全粗糙界面?；炷琉そY(jié)界面對(duì)節(jié)點(diǎn)影響如圖8所示。

圖8 混凝土黏結(jié)界面對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響

由圖8可知，將混凝土與混凝土之間表面由光滑變到粗糙，節(jié)點(diǎn)的承載能力變化不超過(guò)1%。通過(guò)預(yù)埋型鋼的應(yīng)力可得，所有預(yù)埋型鋼均處于彈性變形階段。當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大荷載，混凝土與混凝土之間粗糙度可提高節(jié)點(diǎn)承載能力，該結(jié)果表明，混凝土與混凝土界面對(duì)裝配式可更換混凝土框架節(jié)點(diǎn)整體承載力的影響非常有限，但對(duì)節(jié)點(diǎn)延性的影響最大可達(dá)到5%。

4.2 型鋼厚度的影響

設(shè)計(jì)時(shí)，在可更換預(yù)制梁內(nèi)部預(yù)埋了I型鋼和T型鋼，以增強(qiáng)預(yù)制梁的抗剪能力，從而防止節(jié)點(diǎn)在高荷載作用下發(fā)生剪切破壞或鋼筋屈曲。試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)型鋼厚5mm，為了得到型鋼厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，計(jì)算了8，16mm厚型鋼對(duì)節(jié)點(diǎn)變形及承載力的影響，如圖9所示。

圖9 型鋼厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響

由圖9可知，型鋼厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)極限荷載的影響不是很大，且隨著型鋼壁厚的增加，節(jié)點(diǎn)的剪切能力并沒(méi)有發(fā)生特別大的變化。同時(shí)通過(guò)加載到最大值時(shí)埋在連接區(qū)域型鋼的應(yīng)力圖，可發(fā)現(xiàn)型鋼仍處于彈性變形階段，說(shuō)明梁體發(fā)生的是彎曲破壞，可為今后該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供參考。

4.3 鋼筋連續(xù)性的影響

在試驗(yàn)中，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的鋼筋連續(xù)，而可更換節(jié)點(diǎn)梁上部和下部受力筋與預(yù)制構(gòu)件焊接連接。鋼筋焊接長(zhǎng)度為100mm，為研究鋼筋連續(xù)性對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，計(jì)算了連接區(qū)域內(nèi)考慮鋼筋焊接與不焊接2種情況下節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 鋼筋連續(xù)性對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響

由圖10可知，連接區(qū)域鋼筋不連續(xù)的節(jié)點(diǎn)，其峰值荷載較鋼筋連續(xù)節(jié)點(diǎn)下降了約75%，鋼筋不連續(xù)節(jié)點(diǎn)在連接區(qū)域內(nèi)混凝土的應(yīng)力值也較大。在較大的位移加載階段，在有限元分析結(jié)果中可發(fā)現(xiàn)混凝土梁具有較大局部變形。此外，由于鋼筋不連續(xù)節(jié)點(diǎn)終止加載時(shí)間較早，在梁柱結(jié)合面處未發(fā)現(xiàn)混凝土剝落現(xiàn)象。鋼筋連續(xù)性對(duì)節(jié)點(diǎn)的側(cè)向承載力和延性都有較大影響。

5 結(jié)語(yǔ)

1)建立的二維有限元模型能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)新型節(jié)點(diǎn)的抗震性能，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)通過(guò)有限元計(jì)算可提前了解節(jié)點(diǎn)裂縫的開(kāi)展趨勢(shì)，同時(shí)可得到水平荷載與位移角之間及內(nèi)部預(yù)埋型鋼應(yīng)力情況。

2)在梁中預(yù)埋型鋼，能提高梁的總體抗剪強(qiáng)度，即加載到節(jié)點(diǎn)的極限荷載，預(yù)制梁的型鋼仍保持在線(xiàn)彈性范圍內(nèi)。對(duì)于可更換式裝配式節(jié)點(diǎn)，因存在新舊混凝土結(jié)合面，其開(kāi)裂模式與現(xiàn)澆整體節(jié)點(diǎn)存在一定差異?；炷林土旱膽?yīng)力行為也表明，可更換混凝土框架節(jié)點(diǎn)具有良好的完整性，可在不連續(xù)的梁和柱之間傳遞應(yīng)力。

3)通過(guò)參數(shù)化分析發(fā)現(xiàn)，新老混凝土之間的界面狀態(tài)對(duì)節(jié)點(diǎn)影響非常有限，但對(duì)節(jié)點(diǎn)的延性有一定影響。梁鋼筋的連續(xù)性對(duì)節(jié)點(diǎn)的側(cè)向承載力影響較大，而型鋼厚度對(duì)混凝土框架節(jié)點(diǎn)的整體抗震性能影響較小。