基于干式节点连接的装配式混凝土框架结构抗震性能评估

潘 峰 时春霞 何 强

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

现浇混凝土结构具有施工工程量大、结构耗能多、施工环境差和环境不友好等缺点[1-3]，难以满足我国高水平城市化发展的需要。为此，我国近年来大力发展装配式混凝土结构。相比现浇混凝土结构，装配式混凝土结构具有对施工场地依赖性低、施工效率高且环境较为友好等优点。

装配式结构在欧美等发达国家的应用较广[4]。其中，较为典型的装配式结构形式包括：意大利地区应用广泛的BSAIS工业化建筑体系、美国应用较为广泛的LSFB轻型钢框架建筑体系和Conxtech钢框架体系[5]，以及日本积水住宅株式会社研发的Sekisui和Toyota Homes住宅体系[6]。随着我国政府和相关部门对装配式结构的不断关注和大力推广，我国近年来在装配式新结构的研发和应用方面取得了一系列成果。例如：低层冷弯薄壁型钢龙骨式住宅[7]和北新集团提出的薄板钢骨建筑体系[8]。

在混凝土结构中较常采用的现存结构体系中，装配式混凝土框架结构近年来得到了广泛关注。对于装配式混凝土框架结构而言，如何解决混凝土梁柱节点的预制和装配问题十分重要。目前，装配式混凝土结构要求“等同现浇”。因此，确保装配式混凝土梁柱节点的刚度和强度意义重大。装配式混凝土框架结构的节点可分为干式连接和湿式连接2种。其中，干式连接是指预制混凝土梁、柱在节点区通过预埋连接件，采用焊接和螺栓等方式进行连接。湿式连接是在预制构件中预留钢筋，施工时将这些钢筋相互绑扎或焊接并浇筑混凝土相连。干式连接具有施工简洁、施工条件简单、后期维护方便等特点，得到了研究和工程人员的广泛青睐。

1 预制混凝土梁柱干式节点的快速连接技术

借鉴文献[9]，本文提出了一种预制混凝土梁柱干式混合节点，如图1所示。其中，图1（a）为一个典型梁柱干式连接节点的几何尺寸，图1（b）为梁柱干式连接节点的连接处详细构造，图1（c）为连接板的尺寸。

由图1可见：本项目提出的装配式混凝土框架结构梁柱干式节点是一种阶梯形式的节点，预制部分主要由带外伸阶梯梁的预制混凝土柱和预制阶梯形混凝土梁两部分组成。为确保节点连接处具有足够的刚度和强度，梁柱节点采用S10.9级M18型高强螺栓连接。

图1 梁柱干式节点设计与尺寸

为方便后续数值模拟，该节点的施工步骤如下：

1）搭接定位：将预制式阶梯状梁柱节点的阶梯式梁端与已预制好的柱的阶梯式梁端进行搭接。

2）螺栓安装：将柱的外伸阶梯梁端和阶梯形梁进行螺栓连接，其中螺栓通过预留孔洞进行安装。

3）防水处理：在阶梯装配的竖直缝隙位置填充密封材料用以防水。密封材料可采用发泡聚乙烯棒和建筑结构防水胶，发泡聚乙烯棒位于内侧，外侧为建筑结构防水胶。

2 预制混凝土梁柱干式节点的滞回性能研究

2.1 基于Abaqus软件的有限元建模

本文采用Abaqus软件平台[10]进行数值模拟研究。在Abaqus建模中，将本文提出的干式节点分为以下几部分：梁-柱节点核心区、边梁、纵向钢筋、横向钢筋、连接钢板和螺栓。其中，梁-柱节点核心区、边梁、连接钢板和螺栓均采用实体（Solid）建模方式；横向钢筋和纵向钢筋均选择线（Wire）建模方式。混凝土本构关系采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》提出的混凝土单轴受压和受拉本构模型。钢筋、钢板和螺栓的本构关系均采用双折线随动强化模型，该强化模型采用了Von Mises屈服准则、随动强化准则、关联流动法则。边梁，螺栓和连接钢板均采用C3D8R减缩积分单元，该单元采用8节点线性减缩积分。钢筋选择T3D2桁架实体单元。边梁与梁柱核心区的网格尺寸采用50 mm，采用结构化网格划分方法。螺栓采用扫掠中性轴网格划分办法，网格尺寸为5 mm。连接钢板分为2种方法划分网格，在螺栓孔和钢筋孔附近，采用扫掠中性轴网格划分办法，而在其余部位，采用结构化网格划分办法，网格尺寸为5 mm。对于钢筋，纵向钢筋网格尺寸为100 mm，箍筋网格尺寸为30 mm。在节点装配中，螺栓轴与连接板孔共轴，且螺帽与连接板面共面。钢筋穿过连接板，认为其在连接板位置断开，即钢筋穿过连接板后将钢筋与连接板焊接。

对接触行为的模拟方式为：钢筋与混凝土之间嵌固约束；连接钢板与混凝土之间嵌固约束；螺栓与连接钢板接触面采用绑定接触；螺栓头和螺帽与混凝土之间嵌固约束；装配连接处的阶梯表面之间的相互作用设置为表面与表面接触，其中，接触属性中的切向行为摩擦公式采用“罚”。通过模型试算及结合已有研究结果，保证精度与收敛性的平衡，确定本文采用的摩擦因数为0.3；钢筋与连接钢板之间采用嵌固约束。

在初始分析步中，柱顶设置为铰接。在柱顶约束住X和Y两个方向的位移和Y和Z两个方向转角。柱顶可在Z方向发生压缩变形，柱底也设置为铰接。在柱底的参考点施加边界条件，约束住X、Y、Z三个方向位移和X和Y两个方向的转角。梁端视为自由端，分别对梁端参考点施加反对称往复位移。在分析第一步中施加轴向荷载，取轴压比为0.2，施加荷载为1 029.6 kN。在分析的第二步施加往复荷载。在左边梁端施加正向荷载，在边梁端施加负向荷载，荷载施加过程为位移控制。

2.2 滞回性能分析

图2为预制节点和现浇节点的应力云图。对比发现：预制节点和现浇节点的Mises应力分布大体一致。对于钢筋应力，预制节点和现浇节点存在一定差异。具体而言，预制节点的钢筋应力最大值主要分布在节点核心区的梁纵筋上以及与连接钢板相焊接附近的外加装配梁的纵筋上。

图2 现浇和装配式节点的应力云图

滞回曲线能够反映试件在往复加载过程中的变形、刚度及耗能情况，是研究试件抗震性能的基础。图3给出了现浇和装配式节点滞回曲线。

图3 装配式和现浇节点的滞回曲线对比

基于数值模拟获得的装配式和现浇节点滞回曲线，本文从以下8个方面分析和对比现浇和装配式节点的滞回性能，包括：屈服位移Δy、屈服荷载Fy（对应Δy的荷载）、峰值荷载Fmax、峰值变形Δmax（对应Fmax）、延性系数μ、累积耗能Esum、平均耗能系数λc（构件屈服后一个滞回环平均耗能）、等效黏滞阻尼系数he，如表1所示。由表1可知，当现浇节点与预制节点的加载位移分别达到35.712 mm与39.188 mm时，此时两类节点分别进入屈服阶段。随着位移的增大，荷载-位移曲线不再呈现塑形特性，两类节点的滞回曲线均发生弯折，曲线斜率也随之减小，滞回曲线包围的面积逐渐增大。现浇节点与预制节点的耗能参数比较接近，且各耗能参数均表现良好。综上所述，本文提出的干式装配式节点与现浇节点的滞回性能十分接近，实现了“等同现浇”的设计要求。

表1 装配式和现浇节点的滞回性能参数对比

3 基于干性节点连接的装配式混凝土框架结构抗震性能评估

3.1 结构设计

某工程为5层3跨钢筋混凝土框架结构，平面和立面布置如图4、图5所示。结构底层层高为3.9 m，其余层高为3.3 m，总高17.1 m。选取一榀平面框架作为研究对象。该结构的基本设计资料包括：基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙度为C类，基本雪压为0.3 kN/m2，标准层活荷载为2.0 kN/m2，标准层恒荷载为4.5 kN/m2。采用不上人屋面，板厚为120 mm，屋面恒荷载为7.0 kN/m2。抗震设防烈度为7度（0.15g），地震分组为第1组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35 s。梁、柱主筋等级为HRB335，箍筋等级为HPB235，混凝土等级为C30。典型截面配筋如图6所示。

图4 结构平面布置

图5 结构立面布置

图6 梁柱截面配筋

3.2 基于Pushover软件的结构抗震性能分析

本节参照2.1节的建模方式，采用Abaqus软件建立装配式钢筋混凝土框架结构的有限元模型。基于Pushover分析方法，利用倒三角侧向加载模式，采用位移控制加载，分别进行了现浇和装配式混凝土框架结构的Pushover分析，得到现浇与装配式框架结构的Pushover曲线对比结果，如图7所示。由图7可知：2种结构在弹性阶段差别不大，新型装配式结构的极限承载力略低于现浇式框架结构。在极限承载力后的退化阶段，装配式结构性能退化比现浇框架结构明显。基于装配式与现浇框架结构的Pushover曲线，依据等能量原则计算得到的结构屈服点、峰值点与85%峰值点的坐标如图8与图9所示，并列于表2。由表2可知，现浇结构的屈服点承载力比装配式结构要高12 kN，现浇结构的极限承载力比装配式结构多出4.9%。综上所述，装配式混凝土框架结构的抗震性能表现良好，与现浇结构相比，屈服承载力与峰值承载力削弱不多，但是装配式框架结构的延性低于现浇式。

表2 框架结构的抗震性能系数

图7 现浇和装配式框架结构的Pushover曲线

图8 装配式框架结构Pushover曲线

图9 现浇框架结构Pushover曲线

3.3 基于时程分析的结构抗震性能分析

本文选取EI-Centro地震波作为输入地震波，最大地面峰值加速度PGA为0.29g，时间间隔取0.02 s，作用时间为128 s。

以EI-Centro地震波作为输入，基于Abaqus有限元分析平台，分别对5层的现浇与装配式结构进行非线性时程反应分析，得到结构的顶点位移、顶点加速度和顶点速度时程曲线，如图10～图12所示。

图10 装配式和现浇结构顶点位移时程

由图10可知：现浇结构顶点位移最大值为53.39 mm，发生时刻为31.44 s；装配式结构顶点位移最大值为65.88 mm，发生时刻为54.64 s。这一结果表明在相同地震动输入作用下，装配式结构的顶点位移要略高于现浇结构，位移峰值相差23.39%。

由图11可知：现浇框架结构顶层最大加速度为0.143 5g，发生时刻为31.5 s。然而，装配式结构顶层最大加速度为0.115 8g，发生时刻为53.84 s。这一结果表明在相同地震动输入作用下，装配式结构的峰值顶层加速度小于现浇结构，加速度峰值相差23.92%。此外，装配式框架结构在30～65 s区间的顶层加速度处于较高水平且波动不明显，此区间装配式结构的顶层加速度普遍大于现浇结构。

图11 装配式和现浇顶点加速度时程

由图12可知：现浇框架结构顶层最大速度为255.60 mm/s，发生时刻为31.68 s；装配式结构顶层最大速度为244.93 mm/s，发生时刻为54.16 s。这一结果表明在相同地震动输入作用下，装配式结构的顶层峰值速度小于现浇结构，相差4.35%。此外，装配式结构在35～65 s区间的顶层速度较高且波动不明显，此区间装配式结构的顶层速度大于现浇结构。

图12 装配式和现浇结构顶点速度时程

图13给出了现浇与装配式结构在EI-Centro地震波作用下的弹塑性层间位移角随楼层变化曲线。由图13可知，装配式框架结构的层间位移角普遍高于现浇结构。其中，装配式结构的最大层间位移角为0.48%，发生在第1层。然而，现浇结构的最大层间位移角为0.38%，发生在第2层，且其楼层刚度突变现象与装配式结构相比并不明显。

图13 装配式和现浇结构最大层间位移角分布

4 结语

本文提出了一种混凝土梁柱干式连接节点，对其滞回性能进行了分析，并进一步针对采用干式梁柱连接节点的装配式混凝土框架结构的抗震性能进行了数值模拟研究。通过与现浇混凝土梁柱节点和现浇混凝土框架结构的分析对比，结果表明：本文采用的混凝土梁柱干式连接节点的滞回性能与现浇节点的滞回性能几乎一致，满足“等同现浇”的要求；采用干式梁柱连接节点的装配式结构的抗震性能良好，干式连接对结构整体抗震承载力和延性的削弱程度有限，满足抗震要求。