地震作用下现浇与预制梁柱连接的差异分析

阚和顺 （中国建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

1 引言

近年来，预制混凝土（PC）建筑在我国蓬勃发展，并已成为传统现浇混凝土建筑的替代品[1]。政府部门也出台了一系列政策，强制预制混凝土建筑在新建结构中达到一定比例，从而促进预制混凝土建筑发展和建筑业转型。目前预制混凝土主要用于建造一些低层工业厂房和临时房屋，这类建筑物的抗震等级通常较低，因此对抗震性能的要求也较低[2]。预制方法满足了此类建筑快速施工和节约成本的初衷，因此具有良好的适用性。但随着我国近些年地震的发生，因此需要提高预制混凝土建筑的抗震等级[3]。预制混凝土建筑的抗震性能会受到预制部件连接行为的影响。在各种连接中，梁柱连接对框架结构最为关键，这也是目前众多研究人员研究的重点方向。目前，预制梁柱连接呈现出多元化的发展趋势，新的结构形式不断涌现。学者们经常使用实验研究来评估新的连接方法是否有潜力推广到实际中运用[4]。相关的仿真方法和参数分析主要集中在预制结构本身。然而，仿真节点中的非线性特性与现浇混凝土接头不同，且这些差异对整个结构的影响尚不清楚。

基于此，重点研究了预制节点和钢筋混凝土节点非线性行为的差异，提出了两种节点的无量纲滞回模型。并通过非线性静力分析和动力时程分析，研究了不同结构的抗震性能差异。根据分析结果，对预制框架的应用提出了合理化建议。

2 结构模型与非线性静力分析

2.1 框架模型概述

为进一步了解强震作用下预制框架结构与现浇框架结构在抗震性能上的差异，设计了具有代表性的框架结构模型[5]。根据规范标准要求[6]，抗震设防烈度为8 度，设计加速度为0.2g，特征场地周期为0.4s。框架的立面图如图1 所示，结构设定为八层，每层高度为3.0m，梁跨度为6.0m。梁上的均布荷载来自梁上的填充墙荷载以及半跨（3.9m）楼板的恒荷载和活荷载，而接缝上的集中荷载来自纵向墙荷载。梁柱混凝土等级为C40，抗压强度为26.8N/mm2。钢筋类型为HRB400，屈服强度为400N/mm2，极限强度为540N/mm2。截面尺寸和配筋信息如表1 所示。在非线性模型中，梁铰链和柱铰链都设置在杆件末端。梁铰链的承载力骨架通过分段加固计算，以定义弯曲弹簧并分配相应的滞后规则，而柱铰链采用P-M2-M3 铰链。

表1 框架截面钢筋

图1 框架荷载和铰链布置位置

如表2 所示，考虑了三种结构形式的七种非线性行为。作为参考，钢筋混凝土节点具有良好的性能指标。对于PCE接头，若屈服早，则承载力下降会更早。考虑到PCE 节点的承载能力不足，应将其骨架曲线的弯矩减少20%，从而获得PCE-S 节点。同时考虑到PCE 节点的延性不足，应将旋转角度减小到0.025，从而获得PCE-D 接头。PCH 接头设计为当接头屈服时，耗能钢筋的弯矩比例约为30%。且考虑到钢筋的脆性断裂，认为当转角达到0.02 时，PCH 节点的耗能钢筋将全部失效，失效后节点将失去耗能能力，只有预应力筋工作。由于PCH 节点耗能钢筋配置率不足，因此设计了一种非线性弹性PCH-T 节点，其参数与PCH 节点相同，但不具有耗能能力。

表2 结构连接形式

2.2 静力弹塑性分析

为了掌握结构的整体力-位移行为，首先对每个框架进行Pushover 分析。采用倒三角形分布的侧向荷载，并考虑了结构的P-Δ 效应。当结构的总位移角（顶部位移与总高度的比值）达到1/25时，停止加载。

为了比较不同结构的静力弹塑性结果，引入了四个特征点。①屈服点。当达到屈服点时，表明整个结构开始屈服[7]。同时本文采纳了其他学者的建议，并使用最远点法确定结构的屈服点。②极限点。当结构中任何楼层的位移角达到1/50（规范标准中的变形极限）时，极限点为静力弹塑曲线上的对应点。③坍塌点。即承载力降至极限点80%时的对应点，用于评估结构的延性能力。④柱屈服点。当塑性铰首次出现在柱上时，它是推覆曲线上的对应点。各种结构的推覆曲线和特征点如图2所示。

图2 框架静力弹塑曲线

根据屈服前刚度，模拟框架在受设计地震作用后会出现较低的二次刚度，在连接强度不足的情况下尤其明显。这是由于模拟连接中梁端界面的过早开裂。因此，在设计这类预制框架时，必须使结构提前达到一定强度[8]，否则，在设计地震作用下，结构会发生破坏，增加地震后的修复成本。计算PCE-S 框架的超强系数Rs(如式1 所示)，其中Vp为峰值承载力，Vd为设计地震力，设定为2.16，因此，建议仿真框架的超强系数至少为2。

通过观察各种结构的屈服点，可以发现仿真框架在现浇框架之前屈服，而PCE-S 框架的节点强度降低导致结构屈服较早。因此，在根据强柱和弱梁原理进行设计时，框架结构的屈服由梁控制，而梁在仿真框架中的早期屈服会延迟结构柱的屈服。对于极限点，每个框架的位移值相对接近[9]。模拟框架极限点处的承载力不同程度的降低，这是由于框架梁的强度不断退化造成的。非仿真框架的承载力在极限点略高，但此时，由于钢筋的脆性断裂，PCH-F 框架的承载力降低。当断裂发生时，结构的整体位移角约为1.5%，远低于设定的断裂关节旋转角（2.0%）。因此，在设计非仿真框架时应注意能量耗散钢筋的延展性。通过比较结构的倒塌点，可以发现模拟框架的延性储备能力大大降低。当节点的延展性小于2.5%时，结构将在极限点后迅速倒塌。因此，建议整体预制接缝至少能够达到2.5%的旋转角度。

2.3 结构的位移响应

为了解不同预制框架的动态响应特征，采用直接积分法进行了罕遇地震（PGA 为400gal）和极罕见地震（PGA 为600gal）下的动态时程分析。如果某一楼层的层间位移超过上述特征点C 的转角值，则该结构将被视为倒塌。在罕见的地震中，只有PCE-D 框架在第1 次地震作用下倒塌，因此节点延性的降低将对结构造成最不利的影响。图3（a）、（c）绘制了罕见地震中2～8 次地震作用下每个框架的平均最大楼层位移。与钢筋混凝土框架相比，仿真框架上层的变形显著增加，而非仿真框架各层的变形普遍增加，其峰值位移响应高于仿真框架。在极为罕见的地震中，PCE-D 框架在1～3 次地震作用下倒塌，PCH-F 框架在1 次和2 次下倒塌。所有预制框架在第1 次下的位移超过规范规定的1/50。图3（b）、（d）显示了极为罕见地震中4～8次地震作用下每个框架的平均最大楼层位移，各结构的最大层间位移呈现出相似的规律。因此，对于模拟框架，应注意上部结构的位移响应，对于非模拟框架，则应注意结构构件和非结构构件在楼板变形下的损坏。

图3 罕见和极罕见地震下的最大楼板位移分布

2.4 讨论

本文提出的两类典型现浇混凝土节点的非线性分析模型是大量实验工作的结果，因此具有普遍的代表性。在非线性分析中，充分考虑了现浇混凝土节点的退化效应。虽然部分参数是经验定义的，但本文的分析方法和结果仍具有重要的参考价值。工程设计人员可以将这种方法扩展到实际三维现浇混凝土结构的非线性分析。

3 结论

本文研究了典型预制节点和现浇混凝土节点两种非线性行为的差异，并分析了这些差异对结构抗震性能的影响。通过研究和分析得出以下主要结论。

①仿真连接节点与现浇节点的主要区别是会较早开裂，导致承载力过早退化，这主要是由于预制节点的梁柱节点处存在新老混凝土界面。采用无量纲骨架模型可以很好地描述仿真连接节点与钢筋混凝土节点之间的非线性行为差异。

②从力-变形关系的角度来看，预制框架与现浇混凝土框架的主要区别在于峰值承载力的大小和超出极限点承载力的下降速度，建议在设计中模拟框架的最小超强系数应为2。

③与现浇混凝土框架相比，仿真框架上层的位移响应显著增加，非仿真框架各楼层的位移响应普遍增加。与承载力不足相比，节点延展性不足会对结构的抗塌陷性造成最不利的影响。