吳東平，周心茹

(武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430070)

梁柱節(jié)點是一個工程中整個結構受力的關鍵部位和核心，保證節(jié)點強度極為重要。目前大部分鋼筋混凝土建筑采用節(jié)點部分現澆的方式，但混凝土構件在進行現場拼裝時，存在現場支模耗時、耗力、不經濟等各種問題。裝配式混凝土節(jié)點對于建筑工業(yè)化進程發(fā)展具有重要意義，相比現澆鋼筋混凝土梁柱節(jié)點來說，可以保證工程質量，加強節(jié)點承載力，降低人力成本，節(jié)能環(huán)保[1-3]。鋼結構本身就是一種裝配式結構，具有質量輕、強度高、韌性好、制造方便等特點，相對于混凝土結構來說有更多優(yōu)點。目前我國正在大力提倡發(fā)展裝配式鋼結構體系建筑，所以裝配式鋼結構體系梁柱節(jié)點的研究也十分有意義[4-5]。

國內外已有許多科研人員對裝配式連接節(jié)點進行了相關研究。常雪等[6]通過ABAQUS軟件模擬了一種新型梁柱節(jié)點，這種節(jié)點與傳統節(jié)點有所不同，并利用軟件證明新型梁柱節(jié)點承載能力更高。曹永紅等[7]利用有限元軟件對于一種全預制梁柱節(jié)點進行數值模擬，此節(jié)點屬于混凝土框架結構，發(fā)現軸壓比不變，新型節(jié)點的承載力和延性更高。蘆靜夫等[8]利用ABAQUS有限元軟件模擬一種裝配式鋼-混凝土組合結構梁柱節(jié)點，結果表明，新型梁柱節(jié)點相比于傳統節(jié)點來說受力性能要更加優(yōu)越。程東輝等[9]在試驗基礎上，通過ABAQUS有限元軟件對改進后的17根裝配式混凝土鋼筋套筒灌漿連接柱在軸心壓力下的力學性能進行分析，取得了較好的模擬結果。崔春義[10]用ABAQUS軟件建立一種裝配式梁柱節(jié)點模型，柱采用方鋼管混凝土柱，梁采用鋼梁，通過研究發(fā)現最直接影響節(jié)點滯回性能的因素是軸壓比和鋼管壁厚。張晨堂[11]運用ABAQUS有限元軟件建立鋼結構灌漿錨固節(jié)點，發(fā)現這種連接方式可以減小鋼結構加工制作、安裝運輸過程中的誤差，提高安裝效率。

本文提出一種裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點，以同課題組成員已做的梁柱單調加載試驗為基礎，運用ABAQUS軟件建立模型，并將模擬得到的特征點值與試驗特征值作比較，從而驗證模擬的合理性與可靠性，最后改變不同參數來分析各種因素對節(jié)點力學性能的影響。

1 試驗模型

本文設計的裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點見圖1?；炷林孛娉叽绮捎?00 mm×400 mm，混凝土梁截面尺寸取200 mm×400 mm，混凝土強度為C30，在柱身預留孔洞，孔洞內設置鋼管，在端板與混凝土中間設置一墊板，避免螺栓和混凝土表面接觸造成混凝土破壞，采用10.9級摩擦型高強螺栓端板連接，端板與混凝土之間設置直徑為6 mm的抗剪釘，梁內鋼筋與套筒內側面焊接，鋼筋采用HRB400級，端板厚度為20 mm，螺栓直徑為20 mm，套筒厚度20 mm，加勁肋厚度為14 mm[12-14]。

試驗現場與加載裝置見圖2，其他材料力學性能實測值見表1。將混凝土柱柱底固定，在柱頂端施加豎直向下的軸壓力，混凝土梁端采用位移控制的加載制度進行單向加載，以每次增加4 mm的位移記錄所承受的承載力，以此來研究節(jié)點的力學性能。

表1 材料力學性能實測值 N/mm2

2 有限元模型建立

2.1 單元選取與材料模型

本次模擬的軟件是ABAQUS，混凝土梁、柱以及螺栓，采用C3D8R單元模擬，用T3D2桁架單元模擬鋼筋籠，模型中，混凝土本構模型經過綜合考量，決定使用GB 50010—2010混凝土結構設計規(guī)范[15]中的混凝土單軸受拉受壓應力應變關系曲線，鋼筋采用彈塑性模型,鋼板以及螺栓簡化為兩折線模型，本構關系見圖3。

2.2 網格劃分與加載制度

為了保證網格劃分的準確性，經多次嘗試，節(jié)點網格劃分見圖4。

用“綁定”關系來模擬端板與套筒、鋼筋與套筒等之間的焊接狀態(tài)，用“嵌入”關系來仿真混凝土與鋼筋之間的相互接觸狀態(tài)，設置螺栓和端板、端板和柱以及鋼管群和螺栓為面與面接觸，并將它們兩兩之間切向方向設置為摩擦接觸，另一個法向方向設置為硬接觸。

邊界條件設置情況見圖4。將柱頂耦合于參考點RP1，柱底耦合于參考點RP2,梁側面耦合于參考點RP3,將柱底完全固定，柱頂設置鉸接，在梁端加載的位置施加側向約束。

3 有限元模擬分析

3.1 應力分布云圖分析

在有限元分析中，可以得到梁、柱、鋼筋、端板以及螺栓的應力分布見圖5。從圖5中可以看出，在加載初期，節(jié)點未發(fā)生明顯的現象，隨著荷載增加，受壓區(qū)混凝土開始產生裂痕，隨后鋼筋開始屈服，此時端板最上面一排的孔洞處也出現應力集中現象，當荷載繼續(xù)增加時，上部受拉鋼筋開始彎曲，梁上部靠近套筒處出現明顯的塑性鉸，最上排螺栓承受較大應力，當荷載增大到極限荷載136.52 kN時，上部受拉鋼筋出現明顯彎曲變形，端板屈服，受壓區(qū)混凝土被壓碎。

節(jié)點的破壞模式總結為梁上部受拉縱筋先受力達到屈服強度，混凝土梁與套筒接觸附近區(qū)域的混凝土達到受壓極限，混凝土被壓碎，而端板連接的鋼節(jié)點部分變形很小，塑性鉸外移。

3.2 試驗與有限元結果對比分析

有限元軟件分析的荷載-位移曲線見圖6。從圖6可以看到，曲線從開始到結束一共經歷了三個階段，分別是幾乎線性增長的彈性階段，非線性上升的彈塑性階段以及不斷下降至平緩的破壞階段。在第一階段，荷載增加速度比其他階段快，位移增量很小，隨著位移的增大，荷載達到屈服荷載A點。位移繼續(xù)增加，節(jié)點進入增速變緩的第二階段，此階段曲線不再是線性飛速增長狀態(tài)，形勢逐漸趨于平緩，當達到極限荷載B點時，曲線達到最高點，隨后來到第三階段，曲線形勢一直下降直至趨于平緩，承載能力不斷降低，達到破壞荷載C點后節(jié)點破壞。

梁柱節(jié)點有限元分析與試驗曲線對比圖見圖7，特征點數據比較見表2。通過觀察，發(fā)現模擬所得的荷載-位移曲線形狀與試驗結果相符，模擬得到的特征點值與試驗特征值作比較，誤差小于10%，足以證明該模型有效。模擬值與試驗值存在誤差的主要原因有：1)有限元模擬不能非常準確的仿真出來鋼筋與混凝土二者之間的相互黏結狀態(tài)；2)所使用的本構模型比較簡單，較為理想，比如鋼筋采用彈塑性模型就未考慮鋼筋達到屈服點后的強化階段；3)模型的混凝土塑性損傷與試驗的混凝土損傷情況不完全相同，模型采用的混凝土損傷較為規(guī)律，試驗會由于受力不均或試驗條件等原因影響承載力。

表2 試驗和模擬特征點值

節(jié)點有限元分析與試驗破壞狀態(tài)對比見圖8，觀察得到，有限元模擬和試驗梁的破壞狀態(tài)相同，破壞時混凝土梁與套筒接觸附近區(qū)域的混凝土被壓碎，節(jié)點核心部分變形很小，塑性鉸外移，符合“強節(jié)點，弱構件”的設計準則。

總體來說，采用以上的有限元建立模型有一定的準確性與可參考性，能真實反映此節(jié)點的力學性能。

4 節(jié)點參數化分析

4.1 螺栓直徑

裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點通過高強螺栓將混凝土梁與柱連接，但是螺栓直徑的變化對節(jié)點的力學性能是否有影響還需要進一步研究，因此，在保持其他參數不變的情況下，改變螺栓直徑，得到荷載-位移曲線對比見圖9，從圖9中看出，各個節(jié)點荷載-位移曲線走勢大致相同，從表3中看出，當螺栓直徑為18 mm時，初始剛度最小，極限承載力最低，力學性能同時也是最低的，開始增加螺栓直徑后，增加2 mm～20 mm，節(jié)點的承載力和初始剛度各自提高了4.89%和7.1%，再增加2 mm～22 mm，極限承載力只提高了3.67%，初始剛度增加了4.6%，這表明在本文設計的梁柱節(jié)點中改變直徑對極限承載能力影響不大，而對于抵抗轉動能力有所提高，因此當取到合適的螺栓直徑時，再改變螺栓直徑意義不大，還會浪費材料，故在實際工程可以直接取螺栓直徑為18 mm達到經濟安全，節(jié)省材料的效果。

表3 荷載-位移曲線特征點值

4.2 端板厚度

除了螺栓外，端板厚度作為核心區(qū)的另一種材料，其改變也可能會影響節(jié)點受力性能，因此，保證其他因素不變，改變端板厚度，得到荷載-位移曲線見圖10，三條曲線幾乎重合，極限承載力變化不大，從表3中看出，端板厚度從最初的18 mm開始，緩慢增長2 mm達到20 mm厚，承載力和初始剛度分別提升了0.7%和4%，兩條曲線幾乎重合，端板再增加2 mm～22 mm，承載力和初始剛度提升可以說是微不足道，僅僅為0.2%，整體來看，端板厚度的增大對于節(jié)點的力學性能幾乎沒有改變，原因是端板還沒有達到屈服強度的前提下，其他材料首先達到屈服，節(jié)點核心區(qū)強度很大，所以端板作為核心區(qū)材料之一，厚度增加對節(jié)點力學性能幾乎沒有變化。

4.3 軸壓比

鋼筋混凝土柱軸壓比可以使柱有一定的延性，避免脆性破壞。因此，在其他參數不變的情況下，改變軸壓比，得到荷載-位移曲線對比見圖11，從圖11中看出，三條曲線形狀大體相同，軸壓比越大，節(jié)點承載能力越低，從表3中看出，軸壓比從0.25提升到0.4，極限承載力降低了11.93%，初始剛度降低了7.7%，而軸壓比從0.4提升到0.6，極限承載力降低了12%，初始轉動降低了12.3%，相對來說影響還是很大的，隨著軸壓比的增大，極限荷載明顯降低，節(jié)點的力學性能大幅下降。這是因為在彈性階段軸壓比的增大對于結構的影響不大，在彈塑性階段對于結構的影響更明顯。

4.4 配筋率

鋼筋作為在節(jié)點破壞模式下最先屈服且主要承受拉力的構件來說，配筋率的改變對于節(jié)點力學性能影響的研究不可忽視，因此，其他參數不變，在適筋的范圍內改變配筋率，得到荷載-位移曲線對比見圖12，從圖12可以看出，三條曲線形狀相同，配筋率增加的越多，極限承載力增大的越快，從表3中看出，當節(jié)點的配筋率從0.84%增加到1.06%時，其極限承載能力提高了17.48%，初始轉動能力增加了24.4%，配筋率從1.06%增加到1.31%時，其極限承載能力增加了12.77%，初始轉動能力增加了24.59%。由此可見，配筋率的改變能直接影響節(jié)點的承載力，也會相應提高節(jié)點抵抗轉動的能力，在實際工程中，適當提高配筋率可以提升節(jié)點的承載能力，可以將配筋率穩(wěn)定在1.06%左右，這樣既可達到安全要求，也可避免浪費。

5 結論

1)本文提出一種新型裝配式鋼混梁-柱螺栓連接節(jié)點，利用ABAQUS軟件建立模型，并將模擬得到的特征點值與試驗特征值作比較，兩者誤差不大于10%，證明模擬結果合理，為研究節(jié)點力學性能影響因素提供了參考依據。

2)通過ABAQUS有限元分析節(jié)點在單調荷載作用下的破壞模式，發(fā)現破壞時受拉側鋼筋先屈服，混凝土被壓碎，梁柱節(jié)點核心區(qū)的變形不大，塑性鉸出現端板外套筒附近處，符合“強節(jié)點，弱構件”的原則，證明該節(jié)點設計有效，且安裝方便，能運用于實際工程中。

3)通過改變四個參數，發(fā)現螺栓直徑與端板厚度超過18 mm后，其改變對于節(jié)點的力學性能影響較小；單調加載下，軸壓比的存在不利于結構變形，軸壓比越高，極限承載力和初始轉動能力越低，軸壓比取0.4較為適宜；提高配筋率可以有效增強節(jié)點的極限承載力和初始轉動能力，配筋率為1.06%性價比最高，其極限承載能力和初始轉動能力分別增加了17.48%和24.4%，最直接影響節(jié)點力學性能的因素是軸壓比和配筋率，因此，設計時應當引起重視。