李韻通

（云南省煙草煙葉公司，云南 昆明 650218）

目前國(guó)內(nèi)外研究的預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)可以分為濕節(jié)點(diǎn)和干連接節(jié)點(diǎn).濕連接節(jié)點(diǎn)抗震性能與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)差別不大，符合現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”要求[1-3].干連接節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)塑性變形通常發(fā)生在裝配拼接處，梁柱主體構(gòu)件可以保持彈性，具有一定的恢復(fù)能力，震后對(duì)拼接處進(jìn)行修復(fù)即可繼續(xù)使用[4,5].

干連接節(jié)點(diǎn)又可以分為剛性連接節(jié)點(diǎn)和柔性連接節(jié)點(diǎn).剛性連接節(jié)點(diǎn)主要采用預(yù)埋型螺栓連接來(lái)實(shí)現(xiàn)；柔性連接節(jié)點(diǎn)則主要通過(guò)外置拼接構(gòu)件，有粘結(jié)或無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋來(lái)實(shí)現(xiàn).French 等人研究了多個(gè)梁柱干連接節(jié)點(diǎn)在地震荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)一些節(jié)點(diǎn)在梁柱連接區(qū)域之外形成了塑性鉸[6].Mast R F 提出在預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中，螺栓連接或延性連接是成本最佳的施工方式[7].Stone 對(duì)含有耗能普通鋼筋的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明混合節(jié)點(diǎn)的承載力與普通現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相同，延性更高，但是耗能能力有所降低[8,9].潘振華和蔡小寧均提出在梁柱相交處設(shè)置角鋼的節(jié)點(diǎn)，并沿梁長(zhǎng)布置無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，研究表明節(jié)點(diǎn)具備良好的變形和自復(fù)位能力[10,11].

將原本在梁柱節(jié)點(diǎn)處的塑性鉸外移至預(yù)制柱懸臂梁端是一種提高節(jié)點(diǎn)延性和耗能能力的構(gòu)造措施[12]，在鋼結(jié)構(gòu)中受到工程界的廣泛運(yùn)用.通過(guò)削弱鋼框架梁內(nèi)的特定截面，將塑性變形控制在梁內(nèi)并使其充分發(fā)展，避免節(jié)點(diǎn)過(guò)早出現(xiàn)裂縫和脆性破壞，從而達(dá)到延性設(shè)計(jì)和抗震耗能的目的.

在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，同樣可以參考鋼結(jié)構(gòu)中將塑性鉸外移的思路[13]，為了解決節(jié)點(diǎn)震后無(wú)法修復(fù)的問(wèn)題，提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，在預(yù)制柱上設(shè)置懸臂梁，將拼接位置由柱端移動(dòng)到懸臂梁端，使用高強(qiáng)螺栓將跨越拼接處的型鋼固定在預(yù)制柱懸臂梁和預(yù)制結(jié)構(gòu)梁的側(cè)面，將預(yù)制柱懸臂梁和預(yù)制框架梁裝配到一起，在設(shè)計(jì)上保證懸臂梁拼接處先于梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土屈服，保護(hù)了節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土，從而達(dá)到塑性鉸外移的目的.通過(guò)張拉通長(zhǎng)無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋來(lái)彌補(bǔ)塑性鉸外移對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響，從而提高節(jié)點(diǎn)的承載力和恢復(fù)力.高強(qiáng)螺栓和預(yù)應(yīng)力筋相結(jié)合給拼裝處混凝土提供了雙向受壓的預(yù)應(yīng)力，控制結(jié)構(gòu)的塑性變形，給節(jié)點(diǎn)提供良好的剛度發(fā)展和耗能能力.拼接型鋼震后可以更換，使得節(jié)點(diǎn)還具有震后修復(fù)能力.

本文采用ABAQUS 有限元軟件，針對(duì)型鋼的拼接位置、型號(hào)和螺栓布置位置對(duì)型鋼拼接預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行了分析和研究，給出了型鋼合理的拼接位置，并對(duì)型鋼的選取給出了建議.

1 模擬方法驗(yàn)證

本文采用有限元軟件Abaqus 建立了節(jié)點(diǎn)模型.由于實(shí)體螺栓連接需要定義多個(gè)面的接觸，且網(wǎng)格劃分較為復(fù)雜，當(dāng)高強(qiáng)螺栓使用數(shù)量較多時(shí)，建模過(guò)程會(huì)變得極其繁瑣.而當(dāng)高強(qiáng)摩擦螺栓不發(fā)生消壓、不受剪時(shí)，模擬高強(qiáng)摩擦型螺栓可以不關(guān)注螺栓本身的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，故可以選擇Connector 單元來(lái)簡(jiǎn)化高強(qiáng)摩擦螺栓的連接.

為驗(yàn)證Connector 單元模擬高強(qiáng)螺栓與型鋼摩擦連接的有效性，本文選取了Garlock 等人使用螺栓固定角鋼連接梁柱的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)[14]，對(duì)試件L8-58-7 進(jìn)行了有限元模擬，分別使用實(shí)體螺栓和Connector 單元進(jìn)行建模分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖1、圖2.

圖1 實(shí)體螺栓模型

圖2 Connector 單元模型

其中，圖1 為在梁、柱、角鋼上預(yù)留螺栓孔洞，并用實(shí)體螺栓建立的模型，螺栓的預(yù)緊力采用Abaqus 內(nèi)置的Bolt Load，施加于螺栓桿內(nèi).圖2 為用Connector單元代替高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力的模型，通過(guò)Coupling 命令和定義Connector Force 向角鋼方形面積內(nèi)傳遞壓力來(lái)模擬高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力.

模型內(nèi)的約束和加載方式參考Garlock[14]的試驗(yàn)，計(jì)算得到的荷載位移曲線對(duì)比，如圖3 所示.可以看出，相比于實(shí)體螺栓，使用Connector 單元模擬的模型的初始剛度較小，但彈性承載力略大，這是因?yàn)槭褂肅onnector 單元模擬忽略了螺帽對(duì)角鋼的約束作用，使得初始剛度有所下降，進(jìn)入塑性的狀態(tài)變慢，導(dǎo)致最終的彈性承載力略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果.整體來(lái)看，采用實(shí)體螺栓和Connector 單元的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.由此可見(jiàn)，使用Connector 單元來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖3 荷載位移曲線對(duì)比圖

2 塑性鉸位置的選取

本文采用一個(gè)雙層單跨框架模型來(lái)研究塑性鉸位置的影響，框架結(jié)構(gòu)尺寸如圖4 所示.考慮梁的跨高比為1/10，梁截面取為矩形300 mm×500 mm，柱截面取為矩形400 mm×400 mm.FEMA-350 規(guī)范[15]指出在普通整澆結(jié)構(gòu)中，塑性鉸自身長(zhǎng)度一般為梁高的一半，因此假定拼接處的塑性鉸長(zhǎng)度為250 mm.

在正常使用狀態(tài)下，不希望拼接處塑性鉸因承擔(dān)過(guò)大的彎矩而出現(xiàn)塑性變形，這要求拼接處塑性鉸的彎矩盡可能小.用層框架梁上的均布單位豎向力來(lái)表示正常使用狀態(tài)下的荷載，Lph 表示塑性鉸中點(diǎn)到柱邊的距離，β為塑性鉸中點(diǎn)到柱邊的距離與梁跨度的比值，γ為不同塑性鉸位置下柱邊彎矩與塑性鉸中點(diǎn)彎矩的差值與柱邊彎矩之比.不同塑性鉸位置下的γ如表1 所示.由表1 的計(jì)算結(jié)果可以得出：當(dāng)β∈（0.10，0.14）時(shí)，γ在15%以內(nèi)，是較為合理的范圍，當(dāng)β=0.12 時(shí)，即塑性鉸中點(diǎn)到梁端的距離為600 mm 時(shí)，拼接處的彎矩最小，故選取β=0.12 為合理的塑性鉸位置.

3 槽鋼拼接預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)點(diǎn)

3.1 有限元模型及承載力

槽鋼拼接預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)點(diǎn)如圖5 所示，由帶有懸臂梁的預(yù)制柱、懸臂梁、預(yù)制梁、槽鋼、高強(qiáng)摩擦螺栓群和預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，在梁中預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋孔道，在節(jié)點(diǎn)處預(yù)留高強(qiáng)螺栓孔洞，在槽鋼和高強(qiáng)螺栓螺帽之間設(shè)置高強(qiáng)螺栓墊板，用高強(qiáng)螺栓將槽鋼分別將懸臂梁和預(yù)制梁進(jìn)行拼接.

所有槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)有限元模型均采用相同的梁、柱尺寸，配筋率和材料.以C-36 算例為例，節(jié)點(diǎn)梁、柱采用C40 混凝土，縱筋采用HRB400 級(jí)鋼筋，箍筋采用HPB400 級(jí)鋼筋，槽鋼采用熱軋輕型鋼[36].拼接槽鋼、螺栓墊板均采用Q345 鋼，螺栓墊板厚度為5 mm.槽鋼一側(cè)采用6 個(gè)M22，10.9 級(jí)的高強(qiáng)螺栓，預(yù)緊力為P=190 kN.張拉通長(zhǎng)7×15.2 mm 鋼絞線的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，預(yù)應(yīng)力度設(shè)為0.5.螺栓墊板與槽鋼的接觸面之間摩擦系數(shù)取0.45，均采用噴砂處理；耗能角鋼與梁、柱混凝土接觸面之前摩擦系數(shù)根據(jù)蘇慶田等[16]對(duì)鋼與混凝土界面摩擦系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，不同涂裝鋼板與混凝土界面的靜摩擦系數(shù)為0.7～1.0，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5～0.7，本文保守取0.5.

柱上下兩端設(shè)置為鉸接約束，在梁端施加往復(fù)位移加載.往復(fù)加載在每級(jí)位移值下反復(fù)循環(huán)兩次，如圖6 所示，層間位移角△（%）為梁端加載點(diǎn)位移與梁端加載點(diǎn)至柱形心距離之比，加載端到梁端的距離為2 500 mm，為梁跨度的一半.

圖6 加載制度

本文設(shè)計(jì)了整澆節(jié)點(diǎn)K5-CIP為對(duì)比算例，K5-CIP節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與C-36相同，在懸臂梁處無(wú)型鋼拼接.通過(guò)有限元模型算得K5-CIP 節(jié)點(diǎn)的極限承載力為Fu=122 kN.

為研究不同槽鋼的型號(hào)、尺寸以及螺栓布置對(duì)槽鋼的約束情況及節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，共設(shè)計(jì)了20 個(gè)節(jié)點(diǎn)算例，見(jiàn)本文3.3 節(jié)表2.其中，L表示輕型型鋼，N表示普通型鋼，F(xiàn)max為節(jié)點(diǎn)模型的荷載極值.C-36-L 與C-36-S 節(jié)點(diǎn)調(diào)整了槽鋼的長(zhǎng)度；C-36a-BUP 節(jié)點(diǎn)將高強(qiáng)螺栓向槽鋼的上下翼緣移動(dòng).

表2 槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)算例及承載力

從表2 中可以看出，隨著槽鋼型號(hào)的增大，節(jié)點(diǎn)的承載力逐步上升，但是上升的幅度很小，并且所有槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)的承載力均低于整澆節(jié)點(diǎn)K5-CIP.對(duì)比C-36，C-36-S，C-36-L 三個(gè)節(jié)點(diǎn)可以看出，槽鋼的長(zhǎng)度越大，節(jié)點(diǎn)的承載力越高.從C-36a-P節(jié)點(diǎn)可以看出，當(dāng)高強(qiáng)螺栓向槽鋼翼緣移動(dòng)，可以使得節(jié)點(diǎn)承載力得到顯著的提高.采用普通槽鋼的節(jié)點(diǎn)承載力比采用輕型槽鋼的節(jié)點(diǎn)高，但提高幅度很小.

3.2 滯回特性、變形分析與破壞形態(tài)

經(jīng)算例計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽鋼的型號(hào)以及高強(qiáng)螺栓的布置位置對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力模式?jīng)]有影響，所有節(jié)點(diǎn)滯回曲線均相似.以C-36 算例為例，節(jié)點(diǎn)的梁端滯回曲線如圖7 所示，所有槽鋼拼接的節(jié)點(diǎn)均體現(xiàn)出較好的包絡(luò)特征，具有較好的耗能能力.

圖7 C-36 節(jié)點(diǎn)梁端滯回曲線

在所有節(jié)點(diǎn)中，槽鋼的塑性變形都相似，以節(jié)點(diǎn)C-36-S 為例，槽鋼的塑性變形分布如圖8.為了讓槽鋼的變形更加明顯，將實(shí)際的變形放大了一倍.可以看出槽鋼的塑性變形都是集中在高強(qiáng)螺栓附近，并且高強(qiáng)螺栓外側(cè)的變形更大，而翼緣部分幾乎沒(méi)有變形.觀察翼緣可以發(fā)現(xiàn)，在拼接處轉(zhuǎn)動(dòng)變形時(shí)，上下端的翼緣向內(nèi)彎曲，使得腹板發(fā)生翹曲變形，這就導(dǎo)致混凝土與腹板的接觸面積減小，造成高強(qiáng)螺栓附近的混凝土出現(xiàn)較大的塑性應(yīng)變，如圖9 所示.對(duì)于小型號(hào)的型鋼，由于高度較小，腹板發(fā)生翹曲變形后，腹板與混凝土摩擦接觸面積更小，混凝土梁側(cè)面的塑性應(yīng)變集中更明顯，使得拼接處過(guò)早屈服，節(jié)點(diǎn)承載力大幅下降；由于槽鋼腹板與混凝土摩擦接觸的面積靠近梁中部，在拼接處轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)力矩較小，使得梁側(cè)面混凝土摩擦接觸產(chǎn)生的剪應(yīng)力變大，可能會(huì)造成梁側(cè)面的混凝土脫落.

圖8 C-36-S 節(jié)點(diǎn)槽鋼塑性變形分布

圖9 混凝土節(jié)點(diǎn)的塑性累積應(yīng)變

從彎矩傳遞的角度來(lái)看，槽鋼翼緣應(yīng)盡量接近混凝土梁的頂、底面，并增大腹板與混凝土的摩擦接觸面積，所以應(yīng)選擇較大型號(hào)的槽鋼.而使用大型號(hào)型鋼時(shí)，雖然能提升節(jié)點(diǎn)承載力，但由于翼緣自身剛度增加得更快，加大了腹板翹曲變形的趨勢(shì)，翼緣幾乎不受力，鋼材利用效率較低，造成了材料的浪費(fèi).

3.3 抗彎強(qiáng)度分析

使用槽鋼拼接方式的初衷是讓槽鋼繞自身的強(qiáng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)變形以抵抗拼接處傳遞的彎矩并且通過(guò)變形耗能.但從有限元分析的結(jié)果來(lái)看，由于槽鋼上下翼緣沿平面外的約束較小，槽鋼的腹板最先翹曲屈服，而翼緣部分幾乎沒(méi)有變形，降低了鋼材的使用效率.

將拼接槽鋼的理論抗彎強(qiáng)度與實(shí)際節(jié)點(diǎn)拼接處的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示.其中Mpx是槽鋼的全截面塑性理論抗彎強(qiáng)度，Mmax是節(jié)點(diǎn)模型拼接處的最大彎矩.從表2 可以看出，腹板的翹曲屈服使槽鋼的抗彎強(qiáng)度大幅下降，僅為強(qiáng)軸抗彎強(qiáng)度的45%左右.從C-36a-P 節(jié)點(diǎn)可以看出，將高強(qiáng)螺栓布置向槽鋼的翼緣方向移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)拼接處彎矩增加了10%，一定程度上抑制了腹板的翹曲變形，但是由于翼緣的抗彎剛度過(guò)高，腹板還是發(fā)生了部分翹曲變形，屈服荷載僅為強(qiáng)軸抗彎承載力的48%.

因此，從以上分析中可以看出，雖然采用槽鋼拼接的節(jié)點(diǎn)能表現(xiàn)出良好的耗能能力，但并不是一種理想的拼接方式.

4 頂?shù)捉卿撈唇宇A(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)點(diǎn)

由前述槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)的結(jié)果分析可知，拼接處型鋼與混凝土梁側(cè)面的接觸面積應(yīng)該盡量靠近梁的頂、底端.使用小型號(hào)槽鋼時(shí)觸面積靠近梁的中軸線，承載力較低；而使用大型號(hào)槽鋼解決摩擦接觸范圍時(shí)，則造成了材料浪費(fèi).槽鋼并不是一種理想的拼接方式.因此，使用布置在梁側(cè)面跨越拼接處的頂?shù)捉卿摽梢越鉀Q槽鋼拼接存在的問(wèn)題，其布置位置可以靈活調(diào)節(jié)，不受到腹板高度的限制，可實(shí)現(xiàn)拼接鋼材的高效利用.

4.1 有限元模型及承載力

所有頂?shù)捉卿撈唇庸?jié)點(diǎn)有限元模型均采用相同的梁、柱尺寸，配筋率和材料.以J3-6 節(jié)點(diǎn)為例，采用75×50×5 熱軋不等邊角鋼，梁、柱的尺寸和配筋，拼接槽鋼和墊板的尺寸，高強(qiáng)摩擦螺栓布置位置如圖10 所示.混凝土、普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋、墊板及高強(qiáng)螺栓等材料參數(shù)以及加載方式均與槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)模型相同.

圖10 頂?shù)捉卿摽缭绞竭B接預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)

為研究不同頂?shù)捉卿撔吞?hào)、尺寸以及預(yù)應(yīng)力對(duì)頂?shù)捉卿撈唇庸?jié)點(diǎn)的抗震性能影響，共設(shè)計(jì)了13 個(gè)節(jié)點(diǎn)算例，如表3 所示.表中Lbm 指頂?shù)捉卿撈唇觾蓚?cè)最靠近拼接縫的兩個(gè)高強(qiáng)螺栓之間的距離；角鋼邊距為角鋼翼緣邊緣至梁頂、底端邊緣的距離；Fmax為各節(jié)點(diǎn)模型的荷載極值.節(jié)點(diǎn)J2-6-BUP 與J2-6-BD 調(diào)整了頂?shù)捉卿摼嚯x梁邊緣的距離，J3-6-AS 與J3-6-AL 節(jié)點(diǎn)調(diào)整了角鋼的長(zhǎng)度；J3-6-E 在梁兩側(cè)增設(shè)了單根φ28 鋼筋.

表3 頂?shù)捉卿撈唇宇A(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)點(diǎn)算例

從表3 中可以看出，角鋼的長(zhǎng)短肢尺寸越大，厚度越厚，節(jié)點(diǎn)的承載力越高.并且在較小的鋼材用量的情況下，節(jié)點(diǎn)承載力就超過(guò)了K5-CIP 整澆節(jié)點(diǎn)的極限荷載Fu，可見(jiàn)使用頂?shù)捉卿撟鳛榭缭焦?jié)點(diǎn)的拼接構(gòu)件，充分發(fā)揮了鋼材的強(qiáng)度和延性.對(duì)比J2-6 與J2-6-P，J2-6-D 節(jié)點(diǎn)可以看出，頂?shù)捉卿摼嚯x梁頂?shù)锥嗽浇?，?jié)點(diǎn)承載力越高.從J3-6-E、J3-6-S 和J3-6-L 節(jié)點(diǎn)可以看出，拼接處角鋼長(zhǎng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響不大.

為了保證梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土在地震作用下保持彈性，拼接處頂?shù)捉卿摰那奢d應(yīng)小于整澆節(jié)點(diǎn)K5-CIP 的極限承載力Fu=122 kN.J2-8，J-8，J4-7 節(jié)點(diǎn)由于承載力過(guò)大，導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)先出現(xiàn)塑形變形，不適用于當(dāng)前結(jié)構(gòu).其余節(jié)點(diǎn)的荷載極值均未超過(guò)Fu，拼接處先屈服形成塑性鉸，將塑性鉸外移后，可以達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的.

4.2 滯回特性及耗能能力

圖11 為典型的頂?shù)捉卿撈唇庸?jié)點(diǎn)的梁端滯回曲線.

圖11 部分頂?shù)捉卿撈唇庸?jié)點(diǎn)梁端滯回曲線

從圖11 可以看出，角鋼的型號(hào)、尺寸和布置位置對(duì)節(jié)點(diǎn)的受力模式?jīng)]有影響，僅影響節(jié)點(diǎn)的承載能力.所有節(jié)點(diǎn)都是在層間位移角達(dá)到1%附近時(shí)達(dá)到極值，隨后逐漸下降.隨著位移加載的不斷增大，在層間位移角達(dá)到1.5%附近時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)了一小段屈服平臺(tái)，這是由受壓角鋼開(kāi)始出現(xiàn)平面外翹曲屈服導(dǎo)致的.隨著滯回循環(huán)的增加，頂?shù)捉卿摰乃苄螝堄嘧冃沃饾u增大，降低了節(jié)點(diǎn)在反向加載時(shí)的剛度，導(dǎo)致在加載后期，滯回曲線在豎向體現(xiàn)出捏縮效應(yīng).

對(duì)比J3-6，J3-7 和J3-8 節(jié)點(diǎn)可以看出，角鋼厚度越大，殘余變形對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度的影響越小，滯回曲線越飽滿.對(duì)比J2-6，J2-6-P 和J2-6-D 可以看出，角鋼的布置越靠近梁頂、底端，節(jié)點(diǎn)的承載力越大，滯回曲線越飽滿，因此在考慮到混凝土保護(hù)層厚度與梁內(nèi)縱筋的前提下，角鋼布置應(yīng)盡量靠近梁的頂、底端.

圖12 為部分節(jié)點(diǎn)在整個(gè)加載過(guò)程中，塑形變形耗能的變化.可以看出，在加載初期，塑性變形較小，耗能也較小.隨著位移的增大，角鋼的塑形變形變大，耗能能力得到提升.角鋼的尺寸、厚度越大，節(jié)點(diǎn)的耗能能力越強(qiáng).各節(jié)點(diǎn)的塑形變形發(fā)展趨勢(shì)相同，說(shuō)明各節(jié)點(diǎn)的變形耗能的模式相同.

圖12 部分節(jié)點(diǎn)能耗對(duì)比

4.3 變形分析與破壞形態(tài)

對(duì)于頂?shù)捉卿?，在拼接處轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到張拉和擠壓變形.當(dāng)位移加載剛開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)下側(cè)的角鋼與混凝土共同受到擠壓，此時(shí)混凝土主要承擔(dān)彎矩傳遞帶來(lái)的壓應(yīng)力，而轉(zhuǎn)動(dòng)下側(cè)的角鋼受力較小，如圖13 所示.

圖13 加載開(kāi)始時(shí)頂?shù)捉卿搼?yīng)力云圖

當(dāng)位移荷載逐漸增大，轉(zhuǎn)動(dòng)上側(cè)的受拉角鋼開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，轉(zhuǎn)動(dòng)上側(cè)的懸臂梁與預(yù)制梁不再接觸.當(dāng)角鋼的受拉塑性應(yīng)變積累到一定的程度時(shí)，在角鋼由受拉轉(zhuǎn)化到受壓的過(guò)程中，產(chǎn)生塑性拉應(yīng)變的部分重新受壓，角鋼的梁肢邊緣會(huì)達(dá)到屈服，并開(kāi)始出現(xiàn)翹曲屈服.繼續(xù)位移加載后，角鋼的短肢也會(huì)隨著梁肢一同在梁平面外發(fā)生屈服，造成節(jié)點(diǎn)的承載能力進(jìn)一步降低.當(dāng)層間位移角△=1%時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)上側(cè)的角鋼開(kāi)始受拉屈服并產(chǎn)生殘余變形，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的承載力達(dá)到極值.在后續(xù)加載中，由于殘余變形的積累導(dǎo)致拼接處存在縫隙，在較小的位移荷載下無(wú)法接觸，拼接縫處混凝土應(yīng)力較小，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度、承載力隨著加載進(jìn)度而逐漸下降.此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)上、下側(cè)角鋼應(yīng)力均較大，如圖14 所示.

圖14 位移角為1%時(shí)頂?shù)捉卿搼?yīng)力云圖

4.4 預(yù)應(yīng)力參數(shù)分析

為研究無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，以J2-6 節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，只改變預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)，其他參數(shù)均不變，設(shè)計(jì)了J2-6-P0 和J2-6-P2 兩組對(duì)照模型進(jìn)行分析. J2-6 節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的布置見(jiàn)圖11，以此為基礎(chǔ)，J2-6-P0 節(jié)點(diǎn)不設(shè)置無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，J2-6-P2 設(shè)置兩根7×15.2 mm 的無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，兩根預(yù)應(yīng)力鋼絞線分別距梁頂、底端150 mm.預(yù)應(yīng)力筋對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響如表4.從計(jì)算結(jié)果可以看出，施加單根無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的提升為17%，張拉兩根無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線可以抵消塑性鉸外移而帶來(lái)的節(jié)點(diǎn)承載力的降低.

表4 應(yīng)力筋對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響

圖15 為J2-6-P0 和J2-6-P2 節(jié)點(diǎn)的滯回曲線圖.可以看出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形模式存在顯著的不同，J2-6-P0 節(jié)點(diǎn)的剛度明顯小于J2-6-P2.

圖15 節(jié)點(diǎn)滯回曲線對(duì)比

圖16 為拼接外側(cè)的預(yù)制梁與拼接內(nèi)側(cè)的懸臂梁在沿梁高度方向上的相對(duì)豎向位移.可見(jiàn)J2-6-P0 節(jié)點(diǎn)預(yù)制梁的相對(duì)豎向位移要遠(yuǎn)大于J2-6-P2 節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明J2-6-P0 角鋼在豎向發(fā)生了較大的剪切變形.

圖16 預(yù)制梁相對(duì)于懸臂梁的豎向位移

可以發(fā)現(xiàn)，在不施加預(yù)應(yīng)力的情況下，節(jié)點(diǎn)在拼接處的剪力傳遞主要是依靠梁外側(cè)的頂?shù)捉卿?，頂?shù)捉卿撊菀装l(fā)生剪切屈服破壞；而施加了預(yù)應(yīng)力后，預(yù)應(yīng)力筋提供的預(yù)緊力可以讓拼接處的混凝土梁之間的擠壓作用增大，通過(guò)摩擦接觸傳遞一部分剪力，從而保護(hù)頂?shù)捉卿摬怀霈F(xiàn)剪切屈服.因此在頂?shù)捉卿撈唇庸?jié)點(diǎn)中，張拉無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線是防止頂?shù)捉卿摮霈F(xiàn)剪切屈服的必要措施，同時(shí)也能提高節(jié)點(diǎn)的承載力和恢復(fù)力.

5 結(jié) 論

本文提出了一種將塑性鉸外移到預(yù)制柱懸臂梁端后，用槽鋼和頂?shù)捉卿撈唇拥念A(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土干式節(jié)點(diǎn).建立了有限元模型，并考慮了角鋼型號(hào)、厚度和螺栓布置位置的影響，對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

（1）拼接位置在與柱邊距離為0.12 倍的跨度時(shí)較為合理.

（2）槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)中槽鋼的翼緣越靠近梁頂、底端，承載力越高.當(dāng)使用小型號(hào)槽鋼時(shí)，承載力較低，易造成梁側(cè)面混凝土脫落；而使用大型號(hào)型鋼時(shí)，材料利用率較低.因此槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)不是一種理想的拼接方式.

（3）相比于槽鋼拼接節(jié)點(diǎn)，頂?shù)捉卿撈唇臃绞礁鼮楹侠?角鋼的尺寸、厚度越大，布置越靠近梁頂、底端，節(jié)點(diǎn)的承載能力和耗能能力越強(qiáng)，且能實(shí)現(xiàn)鋼材的高效利用.

（4）通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力可以彌補(bǔ)頂?shù)捉卿摽辜裟芰Φ牟蛔?，能有效提高?jié)點(diǎn)的承載力.