陳柯臻，李秀領，李 言，丁經偉，郭 強，孫 廣

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101； 2.建筑結構加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，山東 濟南 250101； 3.天津大學建筑工程學院，天津 300350； 4.中建八局第二建設有限公司，山東 濟南 250014；5.中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

0 引言

裝配式混凝土框架結構因其具有生產效率高、節(jié)能環(huán)保、耗費人工少等優(yōu)點，目前已成為我國應用最廣的裝配式結構體系之一[1]。在裝配式框架結構中，節(jié)點設計形式和施工質量往往決定著整個框架結構的強度和抗震性能。多次地震震害調查結果表明，節(jié)點破壞通常會導致與其相連的梁柱構件失效，甚至會引起建筑物整體倒塌[2-5]。因此，對裝配式梁柱節(jié)點抗震性能展開深入研究，既是保證裝配式建筑安全性的關鍵，也是我國大力推廣裝配式建筑的必然要求。

基于本課題組關于工程水泥基復合材料已有研究成果，采用大摻量粉煤灰替代部分水泥，制得自密實綠色高性能纖維增強水泥基復合材料(green high-performance fiber-reinforced cementitious composites，GHPFRCC)。該材料具有卓越的抗拉韌性和裂縫控制能力，兼具免振搗和工作性好等優(yōu)點[6-7]。將該材料應用于裝配式梁柱節(jié)點中可顯著提高節(jié)點抗剪承載力，改善核心區(qū)破壞情況，增加構件延性和耗能能力。本文在文獻[8]的試驗基礎上，利用OpenSees，ABAQUS軟件對2個GHPFRCC裝配式梁柱節(jié)點進行有限元模擬分析，對比數值模擬結果與試驗結果，以驗證模型的有效性。以柱軸壓比、柱GHPFRCC澆筑長度和柱縱筋配筋率為影響參數，探究其對GHPFRCC裝配式節(jié)點抗震性能的影響。通過結構變形云圖和損傷云圖對節(jié)點破壞形態(tài)進行分析，以期為工程實際應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 構件設計

按照“強柱弱梁、強剪弱彎”原則設計2個足尺GHPFRCC裝配式梁柱節(jié)點試件，編號為PGJ1，PGJ2。柱截面尺寸為300mm×300mm(寬×高)，梁截面尺寸為250mm×300mm(寬×高)，在梁端后澆區(qū)采用灌漿套筒連接預制梁和預制柱，預制梁混凝土強度等級為C30，預制柱核心區(qū)及向上、下延伸600mm范圍采用GHPFRCC澆筑，其余范圍采用C30混凝土澆筑，后澆區(qū)采用工字型設計，長500mm。為保證節(jié)點核心區(qū)的可靠性，避免其過早進入塑性階段，對2個裝配式梁柱節(jié)點分別采取不同的構造措施，即PGJ1試件采用帶有核心區(qū)及向兩側外伸300mm的GHPFRCC懸臂梁端，使預制與現澆的薄弱界面遠離形成塑性鉸的梁柱交界區(qū)；PGJ2試件在核心區(qū)設置4根φ20mm附加鋼筋，提高梁端抗力，將塑性鉸轉移至遠離節(jié)點核心區(qū)的部位，起到“強節(jié)點”的作用。GHPFRCC裝配式梁柱節(jié)點構造及配筋如圖1所示。自密實GHPFRCC水膠比為0.24，砂膠比為0.36，聚乙烯醇纖維體積摻量為1.7%，粉煤灰替代率為60%，減水劑摻量為0.2%。試驗實測C30混凝土和GHPFRCC立方體抗壓強度分別為38.1，43.7MPa，鋼筋屈服強度fy=430MPa，極限強度fu=620MPa。

圖1 GHPFRCC裝配式梁柱節(jié)點構造及配筋

1.2 加載方案

本試驗采用梁端加載方式，通過MTS液壓伺服加載系統在兩側梁端施加反對稱低周往復荷載。將柱上端與鋼桁架相連，實現鉸接，柱頂采用千斤頂施加豎向荷載，并通過伺服穩(wěn)壓系統控制柱軸壓比為0.3。柱下端固定在單向鉸支座上，以保證試件僅在平面內轉動。采用位移控制逐級施加往復荷載，節(jié)點屈服前步長增量為2mm，每級單循環(huán)加載，節(jié)點屈服后步長增量為8mm，每級循環(huán)3次，加載至極限荷載降為峰值荷載的85%時，停止加載。試驗加載裝置如圖2所示。

圖2 試驗加載裝置

1.3 試驗現象與分析

PGJ1節(jié)點核心區(qū)兩側附有300mm外伸GHPFRCC梁段，裝配區(qū)位于距柱邊300～800mm處。當荷載達14kN時，左梁端部產生第1條豎向裂縫；當荷載達28kN時，核心區(qū)首次出現斜向裂縫；此后，核心區(qū)和梁端300mm范圍內不斷出現細密裂縫并延伸；當節(jié)點達屈服狀態(tài)時，梁根部裂縫變寬，并伴隨纖維拔出拉斷聲；隨著試驗的進行，梁根部區(qū)形成塑性鉸，貫通主裂縫寬度增大，而核心區(qū)裂縫仍為密布的細長裂縫，無變寬跡象；當梁端位移增至132mm時，荷載未出現明顯的下降趨勢，因節(jié)點變形過大而停止加載，最終破壞形態(tài)為梁端彎曲破壞，表現出等同現澆的特點，如圖3所示。

圖3 PGJ1節(jié)點破壞形態(tài)

PGJ2節(jié)點核心區(qū)和梁端配有起局部加強作用的附加鋼筋，裝配區(qū)位于距柱邊500mm范圍內。當荷載達7.4kN時，在距柱邊600mm處的預制梁上產生第1條豎向裂縫，隨后在距柱邊500～900mm的梁上相繼出現裂縫；當荷載達21kN時，核心區(qū)出現第1條細裂縫；節(jié)點達屈服狀態(tài)，核心區(qū)有大量細密裂縫延伸，GHPFRCC與混凝土交界面裂縫寬度明顯增加；隨著試驗的進行，GHPFRCC與混凝土交界面外側的斜向剪切裂縫逐漸發(fā)展為主裂縫，節(jié)點塑性鉸外移，核心區(qū)得到較好的保護；當梁端位移達86mm時，距柱邊600～900mm的預制梁剪切破壞嚴重，梁底混凝土剝落，終止加載。由于附加鋼筋和灌漿套筒分別對核心區(qū)和梁端承載力、剛度有明顯的增強作用，PGJ2節(jié)點破壞區(qū)外移至剛度相對較弱的材料交界面處，由于后澆區(qū)外側預制梁箍筋未進行加密處理，使該區(qū)的抗剪承載力弱于抗彎承載力，最終發(fā)生剪切破壞，如圖4所示。

圖4 PGJ2節(jié)點破壞形態(tài)

與普通混凝土相比，GHPFRCC具有優(yōu)異的裂縫控制能力和明顯的延性特征，由于摻入的纖維與基體之間能夠產生較強的橋聯作用，試驗過程中節(jié)點核心區(qū)雖出現大量細密裂縫，但未發(fā)生剪切破壞和材料剝落現象，塑性鉸在梁上產生并充分發(fā)展，節(jié)點試件呈典型的延性破壞特征。此外，GHPFRCC具有較高的拉伸應變，能夠與鋼筋保持良好的協同變形，二者間的滑移現象減弱，更有利于結構耗能。

2 OpenSees模擬分析

2.1 材料本構與節(jié)點模型

混凝土本構關系模型采用concrete01模型，鋼筋和套筒本構關系模型采用steel02模型，GHPFRCC本構關系模型采用ECC01模型。梁柱單元選用基于位移的非線性梁柱單元定義，對于受力最復雜的節(jié)點核心區(qū)，選用Beam Column Joint模型反映其在地震作用下的受力機理[9]。

2.2 試驗與模擬結果對比分析

擬靜力試驗與數值模擬計算得到的PGJ1，PGJ2節(jié)點滯回曲線和骨架曲線分別如圖5，6所示，性能參數對比如表1所示。由圖5，6可知，加載初期，節(jié)點滯回曲線基本呈線性循環(huán)，殘余變形較小，節(jié)點尚處于彈性狀態(tài)；隨著位移的不斷增加，節(jié)點逐漸進入塑性階段，滯回環(huán)面積增大，耗能能力增強；當節(jié)點達屈服位移時，鋼筋與水泥基材料之間出現滑移，滯回環(huán)表現出一定的捏縮現象，由梭形逐漸過渡為弓形，但灌漿套筒的存在在一定程度上限制了鋼筋的移動，因此捏縮現象并不明顯；加載后期，梁根部鋼筋與水泥基材料之間的滑移位移增大，滯回環(huán)呈反S形，節(jié)點耗能能力減弱。

圖5 OpenSees模擬得到的PGJ1節(jié)點滯回曲線和骨架曲線

PGJ1節(jié)點設有核心區(qū)外伸的懸臂梁端，可轉移后澆薄弱區(qū)，實現等同現澆的破壞形式。此外，因GHPFRCC材料力學性能優(yōu)越，且設置了灌漿套筒，使PGJ1節(jié)點具有較高的延性，骨架曲線下降段相對平緩。PGJ2節(jié)點配置的附加鋼筋和灌漿套筒對核心區(qū)和梁端有明顯的增強作用，可實現梁端塑性鉸外移，并提高節(jié)點抗剪強度，因此其屈服荷載和峰值承載力均高于PGJ1節(jié)點，但在試驗過程中，PGJ2節(jié)點在梁后澆區(qū)外側發(fā)生了剪切破壞，因此其延性低于PGJ1節(jié)點。

圖6 OpenSees模擬得到的PGJ2節(jié)點滯回曲線和骨架曲線

由表1可知，各節(jié)點性能參數誤差均<10%，試驗值與模擬值吻合較好，表明計算模型可有效反映節(jié)點抗震性能。

表1 OpenSees模擬得到的節(jié)點性能參數對比

2.3 節(jié)點抗震性能影響參數分析

在保證模擬結果可靠的基礎上，以PGJ1節(jié)點為分析對象，研究考慮P-Δ二階效應下柱軸壓比、柱GHPFRCC澆筑長度和柱縱筋配筋率對節(jié)點抗震性能的影響。

2.3.1柱軸壓比

軸力是影響梁柱節(jié)點抗剪強度的主要因素之一。一定范圍內的壓力可增大柱截面受壓區(qū)面積，使核心區(qū)內斜壓桿作用加強，從而提高節(jié)點抗剪強度。但過大的柱軸壓比會造成受壓區(qū)混凝土開裂，使節(jié)點抗剪強度降低，對構件延性造成影響[10]。為研究柱軸壓比對節(jié)點抗震性能的影響，分別對柱軸壓比為0.30，0.45，0.60，0.75的節(jié)點進行低周往復加載數值模擬，得到的節(jié)點骨架曲線如圖7所示，性能參數如表2所示。

圖7 不同柱軸壓比下PGJ1節(jié)點骨架曲線

表2 不同柱軸壓比下PGJ1節(jié)點性能參數

由圖7可知，當柱軸壓比為0.30時，PGJ1節(jié)點骨架曲線下降段相對平緩，說明低柱軸壓比下節(jié)點破壞前有良好的變形能力，屬于延性破壞；當柱軸壓比為0.75時，PGJ1節(jié)點骨架曲線下降段陡峭，后期節(jié)點承載力和剛度發(fā)生明顯退化，此時節(jié)點變形能力減弱，延性較差。

由表2可知，隨著柱軸壓比的增大，節(jié)點抗剪承載力先上升后下降，但變化幅度較小，這是由于GHPFRCC本身具有較強的裂縫控制能力和抗剪能力，即使在較大的壓力作用下也不易開裂，因此柱軸壓比對節(jié)點抗剪承載力的影響較小。此外，隨著柱軸壓比的增大，節(jié)點延性系數顯著降低，當柱軸壓比由0.30增至0.75時，節(jié)點延性系數由4.67降至2.63。

為保證地震作用下節(jié)點破壞具有明顯延性特征，建議實際應用過程中將柱軸壓比控制在0.60以下。

2.3.2柱GHPFRCC澆筑長度

GHPFRCC具有高韌性、高耗能等特點，將其應用于裝配式梁柱節(jié)點可顯著提升節(jié)點抗震性能。然而，GHPFRCC成本普遍較高，在全節(jié)點范圍使用該材料是不經濟且不必要的，因此需對GHPFRCC在柱端的澆筑長度進行研究。取柱軸壓比為0.40，分別模擬柱GHPFRCC澆筑長度為400，600，800，1 000mm時的節(jié)點抗震性能，結果如圖8和表3所示。

圖8 不同柱GHPFRCC澆筑長度下PGJ1節(jié)點骨架曲線

表3 不同柱GHPFRCC澆筑長度下PGJ1節(jié)點性能參數

由圖8可知，當位移較小時，柱GHPFRCC澆筑長度對節(jié)點抗震性能的影響不明顯；達屈服位移后，隨著澆筑長度的增加，節(jié)點承載力不斷提高，變形能力不斷增強。

由表3可知，隨著柱GHPFRCC澆筑長度的增加，節(jié)點耗能能力顯著增強，這說明GHPFRCC具有較高的強度、優(yōu)異的延性和耗能能力；隨著柱GHPFRCC澆筑長度的增加，節(jié)點位移延性系數先增大后減小，這是由于節(jié)點極限位移增加幅度小于屈服位移增加幅度，因此澆筑長度為1 000mm的節(jié)點延性系數小于澆筑長度為800mm的節(jié)點；當澆筑長度由800mm增至1 000mm時，節(jié)點極限位移增量已不明顯。

綜合考慮節(jié)點承載力、耗能能力、延性和經濟性，建議柱GHPFRCC澆筑長度為600～800mm。

2.3.3柱縱筋配筋率

柱軸壓比取為0.40，通過取不同縱筋直徑改變柱縱筋配筋率，分析配筋率對節(jié)點抗震性能的影響，結果如圖9和表4所示。

圖9 不同柱縱筋配筋率下PGJ1節(jié)點骨架曲線

表4 不同柱縱筋配筋率下PGJ1節(jié)點性能參數

由圖9可知，不同柱縱筋配筋率下節(jié)點骨架曲線變化趨勢相同，配筋率較大的節(jié)點承載力明顯較高，初始剛度略大。對于框架結構而言，應遵循“強柱弱梁”的設計原則，在地震作用下，為防止結構倒塌，要求框架節(jié)點處的塑性鉸首先出現在梁上，避免在柱上產生塑性鉸，為此，需保證與節(jié)點相連的柱端抗彎強度大于梁端抗彎強度。適當增加柱縱筋配筋率可有效提高柱抗彎強度，進而避免在柱上產生塑性鉸。然而，當柱縱筋配置過多時，可能會出現柱受壓區(qū)混凝土壓碎引起的脆性破壞，對抗震不利[8]。因此，建議柱縱筋配筋率在梁縱筋配筋率的基礎上提高0.5%～1%。

3 ABAQUS模擬分析

3.1 材料本構關系模型

采用混凝土損傷塑性模型模擬循環(huán)荷載作用下混凝土力學性能?；炷羻屋S受壓和受拉應力-應變關系曲線根據GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結構設計規(guī)范》[11]確定，鋼筋本構關系模型采用帶有強化段的雙折線模型，GHPFRCC受壓和受拉本構關系模型分別選用考慮殘余抗壓強度和考慮軟化段的三折線模型[12]。

3.2 單元類型與網格劃分

混凝土采用C3D8R三維實體單元模擬，鋼筋采用T3D2三維桁架單元模擬，灌漿套筒采用S4R殼單元模擬。劃分網格時，對節(jié)點核心區(qū)和后澆區(qū)等關鍵部位取細密網格，其他部位網格尺寸適當放大。

3.3 相互作用與邊界條件

各部件之間的相互作用通過設置不同約束實現。鋼筋與混凝土之間采用內置區(qū)域的約束方式實現嵌入連接，不考慮二者間的相對滑移。預制構件與現澆水泥基材料的接觸面采用庫侖-摩擦模型模擬，法向定義為硬接觸，切向采用罰函數計算剪應力，摩擦系數為0.9[13]。為便于施加荷載和邊界條件，建立參考點與梁柱端面的耦合關系。模型邊界條件與實際試驗保持一致，即節(jié)點柱底為完全鉸接，僅允許在平面內轉動；柱頂除允許在平面內轉動外，還允許發(fā)生軸向壓縮位移；節(jié)點梁端限制其平面外位移。

3.4 試驗與模擬結果對比分析

3.4.1滯回曲線與骨架曲線

采用ABAQUS軟件模擬得到的PGJ1節(jié)點滯回曲線與骨架曲線如圖10，11所示。由圖10，11可知，節(jié)點承載力和剛度均與試驗結果吻合較好，可得到較理想的骨架曲線，說明計算模型能夠較準確地反映節(jié)點滯回性能。然而，本研究計算模型未能考慮因混凝土開裂引起的鋼筋與混凝土間的黏結滑移現象，因此得到的滯回曲線捏攏現象不明顯，較難準確反映節(jié)點耗能能力。在不要求得到準確的節(jié)點耗能能力分析中，本研究模擬結果是合理的。

圖10 ABAQUS模擬得到的PGJ1節(jié)點滯回曲線與骨架曲線

圖11 ABAQUS模擬得到的PGJ1節(jié)點滯回曲線與骨架曲線

3.4.2節(jié)點破壞形態(tài)

為分析節(jié)點破壞形態(tài)，提取節(jié)點極限狀態(tài)下的等效塑性應變和受拉損傷云圖，如圖12，13所示。其中，等效塑性應變反映了整個加載過程中混凝土和水泥基材料塑性應變的累積，受拉損傷反映了混凝土和水泥基材料因受拉引起的強度和剛度損傷情況。

圖12 PGJ1節(jié)點等效塑性應變與受拉損傷云圖

由圖12可知，PGJ1節(jié)點塑性變形和受拉損傷主要發(fā)生在核心區(qū)和兩側外伸300mm的懸臂梁端，核心區(qū)略有外鼓，損傷因子已接近0.9，但由于GHPFRCC具有優(yōu)越的抗拉性能和裂縫控制能力，且核心區(qū)配置了適宜數量的箍筋，試驗過程中節(jié)點達極限位移時核心區(qū)和懸臂梁端僅產生了大量細密裂縫，而未出現明顯破壞現象。

圖13 PGJ2節(jié)點等效塑性應變與受拉損傷云圖

由圖13可知，PGJ2節(jié)點由于配置了附加鋼筋，核心區(qū)塑性變形相應減小，同時，灌漿套筒的存在大大提高了后澆區(qū)剛度，因此梁端鋼筋連接處無明顯塑性變形和損傷現象，實現了裝配式節(jié)點的可靠連接；節(jié)點受拉損傷集中出現在后澆區(qū)外側的混凝土預制梁上，破壞位置在GHPFRCC與混凝土交界面處，與試驗現象基本一致。

綜上所述，采用設置外伸懸臂梁端和附加鋼筋的措施均可有效保護節(jié)點核心區(qū)，使變形分別向外伸梁端和后澆區(qū)與預制梁交界處轉移，從而減小核心區(qū)的內力和變形。但設置附加鋼筋會使破壞區(qū)轉移至剛度相對薄弱的材料交界面處，應注意控制梁剪跨比并采取增強措施，如加密箍筋或使用GHPFRCC澆筑預制梁等。

4 結語

1)采用OpenSees軟件分析得到的節(jié)點滯回曲線和骨架曲線與試驗結果吻合較好，能夠較真實地反映節(jié)點抗震性能。

2)采用ABAQUS軟件可得到較理想的骨架曲線，受拉損傷云圖反映的節(jié)點破壞形態(tài)與試驗現象基本一致。

3)節(jié)點延性隨著柱軸壓比的增大而降低，為保證地震作用下節(jié)點具有較好的變形能力，應將柱軸壓比控制在0.60以下。

4)節(jié)點核心區(qū)和柱端澆筑GHPFRCC可顯著提高節(jié)點延性和耗能能力，建議柱端GHPFRCC澆筑長度為600～800mm。

5)增大柱縱筋配筋率能夠有效提高節(jié)點抗剪承載力和柱抗彎剛度，有利于實現“強柱弱梁”“強節(jié)點弱構件”的設計目標。

6)在GHPFRCC裝配式梁柱節(jié)點中采取外伸懸臂梁端和附加鋼筋的措施均可起到保護節(jié)點核心區(qū)的作用，但配置附加鋼筋時易在后澆區(qū)外側梁上形成薄弱區(qū)，應注意采取增強措施，防止發(fā)生剪切破壞。