新型装配式混凝土梁柱节点抗震性能数值分析★

单奇峰，许 荔

(1.浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312000； 2.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210000)

0 引言

与传统现浇混凝土建筑结构相比，预制混凝土结构具有很多优势：如预制构件质量可控，施工周期短，减少现场湿作业量等[1-2]。然而，其结构的抗震性能不如现浇结构，成为了制约其发展的主要原因。

世构体系是目前较为流行的梁柱节点连接方案[3]，其预制梁采用预应力钢绞线，在梁端键槽内通过U型连接钢筋进行连接，由于其连接方案与传统结构类似，节点通过现场浇筑形成整体，具有较好的抗震性能[4]。本文在世构体系研究的基础上，提出采用普通钢筋代替预应力筋，并进行90°弯曲后，与U型连接钢筋在梁端及节点区域进行后浇连接。该连接方案的优势在于：为了保证钢筋应力传递，采用U型钢筋连接梁底部纵向钢筋，U型钢筋可以减少锚固长度，减少了梁端现场浇筑的工作量。此外，采用ECC(Engineered Cementitious Composites)材料代替传统混凝土材料应用于梁柱节点后浇区域，以提高构件的整体抗震性能[5]。

ECC材料是一种新型的FRC(Fiber Reinforced Concrete)材料，应用FRC材料在预制构件连接区域已经被证明能有效提高构件的抗震性能。相比于普通FRC材料，ECC材料具有更高的延性，具有多裂缝开展机制及应变硬化特性，其最大应变能达到6%，而最大裂缝宽度能控制在80 μm以下[6]。此外，ECC材料与普通钢筋具有更好的变形协调性，可避免钢筋黏结处劈裂破坏[7]。因此，基于ECC材料具有的优势，将ECC材料代替普通混凝土材料应用于梁柱连接节点区域，可提高构件的承载力，刚度以及能量耗散能力[8]。Choi等[9]研究了采用ECC材料代替普通混凝土材料应用于预制构件连接区域，表明装配式ECC连接节点相比现浇混凝土连接节点具有更高的承载力。因此，将ECC材料引入连接节点可提高节点的强度、延性和能量耗散能力，同时，ECC材料用于钢筋锚固区域可确保钢筋应力传递，减少黏结应力退化。

钢筋混凝土梁柱节点是一个受力较为复杂的结构部位，采用有限元软件模拟钢筋混凝土梁柱节点的受力特性较为复杂，目前仍没有一个较好的本构模型能模拟节点区域复杂的受力机理[10]，一般通用有限元软件模拟得到节点的骨架曲线，而滞回捏缩效应模拟始终不理想。本文基于OpenSees平台下BeamColumnJoint宏观单元模型，建立钢筋混凝土梁柱节点单元模型[11]，将模拟结果与试验结果进行对比，并分析了ECC强度和ECC弹模折减对装配式节点受力性能的影响。

1 有限元模型建立

1.1 ECC材料的本构模型

OpenSees单轴材料单元库中包含了工程水泥基复合材料ECC的单轴本构，其模型最早由Billington等[12]提出，该模型能较为准确模拟ECC材料在循环荷载作用下的受力变形特征。

模型受拉骨架曲线采用三折线表示，见图1(a)。εt0为初始开裂时的应变，εtp为峰值拉应变，当应变超过εtp后，材料应力线性软化直至为零，此时的极限应变为εtu。

ECC受压骨架曲线采用二折线表示，如图1(b)所示，受压破坏包络曲线假定在到达峰值点(εcp,σcp)前应力随应变线性增加，随后，进入线性软化过程，直到达到极限应变εcu。

为了准确反映材料在单轴反复荷载作用下的力学特性，Billington等根据文献[13]试验结果引入了滞回法则，其中受拉过程中应变硬化阶段和受压过程中软化阶段采用能量准则，受拉过程软化阶段简化为线性卸载和再加载。为了能更精确的考虑地震作用分析，该法则还考虑了部分卸载和部分再加载下的滞回规则。

1.2 钢筋与混凝土本构模型

钢筋本构模型采用OpenSees单轴材料库中Steel02 Material，该模型基于Pinto钢筋模型，由Menegotto和Pinto提出，该模型计算公式简洁，与钢筋材料试验结果吻合，具有很好的数值稳定性[14]。

混凝土模型采用修正Kent-Park混凝土本构模型，其骨架曲线由Park和Priestley在原来的Kent-Park模型上进行修改，以便考虑箍筋约束作用对混凝土强度和延性的影响。该模型并不考虑其抗拉作用，其受压骨架曲线由上升段、下降段及平台段组成。该模型的滞回法则由Karsan和Jirsa提出，通过卸载段直线的斜率的衰减来考虑混凝土的损伤，其最大的特点是卸载和再加载段是同一直线。

1.3 梁柱节点模型

为能更精确模拟梁柱节点在反复荷载作用的受力破坏机理，由华盛顿大学Laura Lowes教授在OpenSees平台开发了节点模型——梁柱节点单元(Beam Column Joint)[15-16]，该模型主要由三部分组成：核心区剪切分量(Shear panel Component)，用来模拟节点核心区由于剪切破坏引起的节点刚度和强度的退化；钢筋滑移分量(Bar-slip Component)，用来模拟梁柱节点核心区的梁、柱纵筋随着反复荷载作用黏结滑移而引起节点强度和刚度的退化；交界面剪切分量(Interface-shear Component)，用来模拟在荷载作用下节点与梁柱端交界面传递剪力能力的退化(见图2)。

核心区剪切分量采用广义材料模型——Pinching4模型，以模拟荷载位移曲线的“捏缩”现象。该模型骨架曲线定义基于MCFT(修正斜压场理论)，根据节点核心区材料的特性，水平和竖向纵筋的配筋率以及节点区钢筋的材性等参数，计算得到单调荷载作用下节点核心区的剪切应力-应变曲线，来体现节点核心区的剪切反应特征。此外，Pinching4单元还需要定义模型的损伤规则，本文定义的损伤指数的计算均采用Park和Ang提出的广义损伤指标理论[17]。

大量试验表明，节点在反复荷载下，钢筋与混凝土之间会出现黏结失效的现象，从而导致滞回环出现捏缩，对荷载位移曲线具有较大的影响。OpenSees基于Eligehausen和Hawkins提出的钢筋应力-滑移关系的模型[18-19]建立了钢筋滑移模型(Bar-Slip)。该模型能考虑混凝土强度、纵筋材料特性(屈服强度、极限强度、弹性模量、硬化率和钢筋直径)、节点截面尺寸和锚固强弱程度对钢筋应力-滑移的影响，进而分析对整个节点性能的影响。

关于交界面剪切分量的定义，考虑到混凝土刚度及钢筋的销栓作用，本文定义为弹性刚度很大的弹性材料[20-21]。

1.4 梁柱单元模型

OpenSees为用户提供了基于纤维模型的梁柱单元模型。纤维模型的思路是沿单元纵向将各个控制分析截面离散化为若干个小单元，即纤维。纤维模型认为整个截面符合平截面假定，忽略了剪切变形和钢筋黏结滑移的影响，同时假定每根纤维的应变分布均匀并处于单轴应力状态，从而可根据相应纤维材料的单轴应力-应变关系来计算整个截面的力-变形关系。考虑到基于位移的梁柱单元模型更容易收敛，本次模拟选取基于位移的梁柱单元dispBeamColumn。

2 数值模拟结果分析

本文采用上述方法对本课题组完成的新型装配式混凝土梁柱节点[22]的抗震性能进行数值模拟，试件的加载及截面布置简图如图3所示。

其中，JME模型指试件在梁柱节点区域及梁端后浇连接区域采用ECC材料，其余构件采用混凝土预制；JMC模型为对比试件，其梁柱节点区域及梁端后浇连接区域均采用混凝土浇筑。

实测预制梁、柱混凝土强度为39.1 MPa，后浇混凝土和ECC材料的强度分别为44.0 MPa和37.2 MPa，各类钢筋的屈服强度和极限强度见表1。

表1 钢筋强度

试件JMC的模拟结果与试验结果对比见图4，从滞回曲线对比表明滞回环与试验结果很接近，滞回环的捏缩效应模拟较好。分析骨架曲线可以发现，模拟结果的初始刚度比试验结果大，这主要是由于试验加载初期，加载装置与试件之间存在间隙导致试验结果刚度偏小，随着加载位移增加，模拟结果与试验结果趋于一致。

试件JME的模拟对比结果见图5，从滞回曲线对比可以发现，模拟的结果滞回环较试验结果捏拢，滞回环包络的面积较试验结果小，说明该ECC本构关系定义偏于保守，没有充分考虑ECC材料的抗损伤能力，低估了ECC的耗能作用。对比模拟和试验的骨架曲线，可以看到模拟的初始刚度仍较试验结果偏大。

总体来说，采用本文的数值模型对此类装配式梁柱节点模拟与实际试验具有较好的吻合度，能够较准确地模拟装配式梁柱节点的滞回特性，表明本文所采用的材料本构和分析方法适用于新型装配式混凝土梁柱节点在往复荷载作用下抗震性能的数值模拟。

3 参数分析

为进一步评价ECC对新型装配式梁柱节点性能的影响，本节通过OpenSees建立的上述模型进行参数分析。分析ECC强度、ECC弹模折减对节点力学性能的影响。

3.1 ECC强度

本文选取上述2类试件JMC和JME，分别取其后浇基体立方体抗压强度为20 MPa,25 MPa,30 MPa,35 MPa,40 MPa,45 MPa和50 MPa，比较在不同立方体抗压强度下，模型的屈服强度和峰值强度，其结果可参见图6。其中，当后浇混凝土强度达到45 MPa和50 MPa时，计算结果不收敛，故略去分析。

从图6(a)中可以看出，当基体材料立方体抗压强度为20 MPa时，两者的屈服强度相差不大，说明当基体材料强度过低时，不能充分发挥加强钢筋和ECC的作用；随着基体材料抗压强度地增加，屈服荷载出现了不同程度的增长，但增加的效果越来越不明显；对比分析JME和JMC，ECC试件在进入屈服后，钢筋发挥了更大的作用，其屈服荷载较混凝土高。

从图6(b)可知，随着后浇基体材料抗压强度增加，后浇混凝土试件JMC峰值荷载接近线性提高，增长最快；后浇ECC试件JME随着ECC强度提高，峰值荷载提高效果不明显。其主要原因是即使ECC强度较弱时，但其压应变较大，仍能充分发挥钢筋的强化作用，故其峰值荷载仍较大，而随着ECC强度的提高，钢筋却没有增加，故其峰值荷载增加有限。此外，对比分析JME和JMC可知，为了达到相近的峰值荷载，后浇混凝土需比后浇ECC提高一个强度等级。

3.2 ECC弹模折减

由于ECC材料中不含有粗骨料，胶凝材料用量较大，因此在装配式构件中使用ECC作为后浇材料时，干燥收缩较为明显，造成ECC弹性模量的降低。因此，本小节选取了装配式节点模型JME试件，分别考虑了四种不同的弹性模量折减系数(0,5%,10%和15%)对节点刚度比和强度比的影响，如表2所示。

表2 ECC弹模折减对刚度比和强度比影响

从表2可以发现，试件JME的刚度随着ECC弹性模型的减小而缓慢降低，并且降低幅度趋于减小；当ECC弹性模量折减15%时会导致模型JME刚度降低约2.5%；ECC弹性模量折减同样会导致模型JME屈服强度和峰值强度的降低，但降低的幅度并不大，例如，当模型中ECC弹模折减15%时，模型JME13的屈服强度降低了约2.1%，峰值强度降低了约2%。总体上说，ECC弹模减少对新型装配式节点的力学性能影响有限。

4 结论

本文采用OpenSees对新型装配式混凝土梁柱节点的抗震性能进行了数值分析并进行参数分析，其结论如下：

1)模拟结果表明，非线性分析软件OpenSees能够较好的模拟在低周反复荷载作用下装配式混凝土节点的受力特性，较准确的模拟了试件各个循环荷载下滞回路径。

2)从数值模拟和试验所得的骨架曲线对比分析可以看到，模拟的骨架曲线与试验结果能较好的吻合，但模拟结果的初始刚度较试验结果大。

3)OpenSees平台中ECC单轴本构能较好的模拟ECC材料在复杂受力状态下的受力特性。但该模型未能充分考虑ECC材料优越的抗损伤能力，计算结果偏于保守。

4)随着ECC强度增加，节点模型的屈服荷载和峰值荷载均会不同程度增加；基体材料在同一抗压强度下，后浇ECC模型较后浇混凝土模型的屈服荷载和峰值荷载更高。

5)ECC弹模的折减对节点初始刚度和强度均有影响，但影响较小，均未超过2.5%。