拼接缝对装配式RC结构节点抗震性能的影响

阎西康，谢函霖，梁琳霄，郭博深

(1. 河北工业大学土木与交通学院，天津 300401； 2. 河北工业大学河北省土木工程技术研究中心，天津 300401； 3. 北华航天工业学院建筑工程学院，河北廊坊 065000； 4. 中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000)

0 引 言

近年来，装配式RC框架结构因绿色、高效的优势被大力推广，然而其暴露出的安全问题也不容忽视。多次事故表明[1]结构在地震作用下往往会因整体性问题发生破坏。整体性问题的重点在于拼接部分，拼接部分为方便工程施工往往设置在节点附近。节点拼接方式主要分为两种：干式[2]和湿式连接。考虑装配构件连接时的质量、效率、成本等问题，目前应用较多的还是技术成熟的后浇式套筒灌浆的连接方法[3]。后浇式的方法在拼接位置处会产生拼接缝，故研究拼接缝对后浇式装配RC节点抗震性能的影响具有重要意义。

当前国内外学者对后浇式节点和拼接缝已经进行了一定深度的研究。部分学者[4-5]对单一类型的整浇节点和装配式RC框架结构的后浇节点进行静力试验，结果表明装配节点的抗震性能较好，虽然后浇节点比现浇节点抗震性能低，但相差不大，安全性可以保证。Popa等[6]将后浇式连接运用在装配式柱-柱节点上，并与现浇试件进行比较，结果表明装配试件具有与现浇试件相似的滞回曲线和耗能能力。Khoo等[7-8]采用理论加模拟的方式改变装配节点梁端的拼接位置，测量节点的抗震性能，结果显示节点拼接位置改变会影响拼接处的变形和节点的抗震性能，但结论缺少试验数据的支撑且有限元模型数量过少。随着施工技术的发展，杨辉等[9-10]改进工艺，将后浇式连接方法和其他连接方法结合，推出新型节点，结果表明新型节点达到了设计要求，在某些性能参数的数值上略优于整浇节点，但新型节点成本和对施工技术要求过高，不能在实际工程中大量应用。阎西康等[11]对装配节点的拼接缝进行研究，结果表明拼接缝是节点的薄弱部位，存在拼接缝会对节点抗震性能产生不利影响，且拼接缝使带缝框架的P-Δ(荷载-位移)效应加剧。

可以看出，目前针对后浇式装配RC节点的安全性和拼接缝的弱化效应的研究已经较为成熟，而在拼接缝对不同类型节点的抗震性能影响程度、装配式RC框架节点梁上的拼接缝最优位置等领域的研究尚不深入。为此，本文设计了6个试件，通过静力试验检测节点的破坏方式和滞回曲线，并用ABAQUS有限元软件增设模型，研究拼接缝对边、中节点的抗震性能影响程度，讨论拼接缝在节点梁上的最优位置。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

节点分为2组，一组为边节点，一组为中节点，取自一榀框架标准层中的梁柱节点，共计6个1/2缩尺试件，试件基本信息[12-13]如表1所示。试件所用材料相同，采用的混凝土强度等级为C30；钢筋为HRB400级钢筋；套筒材质为球墨铸铁；灌浆料以水泥为基础，配以添加剂和矿物掺合料组成。试件轴压比为0.4，梁、柱保护层厚度分别为15 mm和20 mm；材料的力学性能通过实测得出。为减小连接处钢筋与灌浆料的滑移，防止钢筋被拔出，试验测得套筒的安全锚固长度为65 cm。节点尺寸如图1所示。

表1 试件基本信息Table 1 Basic information of specimen

1.2 试验加载方案

采用拟静力加载试验研究节点的抗震性能[14-15]。试验加载装置如图2(a)所示。轴压力设为240 kN，在柱顶截面中心线上稳定加载。试件屈服前，采用荷载加载。每次荷载增加4 kN，每级荷载循环一次。试件屈服后改用位移控制加载。位移以屈服位移Δy值的20%为级差分级加载。当试件承载力首次下降到峰值荷载的85%时，停止加载，构件达到破坏状态。加载方案如图2(b)所示。

1.3 试验破坏现象

将节点的主裂缝位置和发展方向、最终破坏情况进行统计，如表2所示。试验现象如图3所示。可以看出：节点主裂缝多在节点屈服后产生；最终破坏是由于主裂缝的开裂扩展所致。试件最终破坏分为两种形态：X-1、H-1、X-2、H-2为梁端弯曲破坏；X-3、H-3为梁端剪切破坏。

整浇节点X-1、H-1首裂缝会逐渐变为主裂缝，破坏时核心区会出现“X”形裂缝；节点梁上裂缝多为竖直向。装配节点主裂缝在拼接缝附近，破坏时核心区“X”形裂缝的宽度比整浇节点小，节点梁上 斜裂缝较多，混凝土脱落量多于整浇节点。拼接缝

表2 试件裂缝破坏情况Table 2 Specimen crack damage condition

在梁上时，边、中节点的主裂缝存在差异。边节点主裂缝出现后，主裂缝宽度不断扩大，其他裂缝发展较慢。中节点先在一侧梁上出现主裂缝，继续加载至即将破坏阶段，另外一侧梁也会出现一条裂缝，且宽度迅速增长到与主裂缝宽度一致，最终双侧梁上裂缝扩展至试件破坏。同类型节点的拼接缝在梁上不同位置的破坏形态不同。拼接缝距核心区100 mm的节点破坏时梁端混凝土被压溃，梁纵筋发生屈服，属于弯曲破坏。拼接缝距核心区320 mm的节点破坏时出现主斜裂缝并伴有其他斜裂缝，属于剪切破坏。

1.4 试验滞回曲线分析

试件滞回曲线[16-17]如图4所示。可以看出，相同工况和加载条件下，边、中节点屈服后的滞回曲线差异较大。中节点的承载力比边节点高约30%,位移变形比边节点高约35%。荷载加载阶段中节点承载力上升幅度高于边节点。试件屈服后，由于中节点的核心区约束和整体刚度强于边节点，故中节点主裂缝发展较慢，新增裂缝少，曲线承载上升较快。在试件即将破坏的阶段，边节点由于核心区约束弱，裂缝扩展和变形更严重，强度下降快。

同类型节点中，整浇节点比装配节点的峰值荷载和破坏荷载高，曲线对称性好，塑性变形能力强。X-1双向峰值荷载高于X-2、X-3约23%，破坏荷载高约21%。H-1比H-2正向峰值荷载高2.51%，负向峰值荷载高8.3%，破坏荷载相差不大。H-1比H-3正向峰值荷载高11.4%，负向峰值荷载高8.5%，正向破坏荷载高6.1%，负向破坏荷载高4.7%。

装配节点的拼接缝在梁上不同位置时的滞回曲线变化幅度不同。拼接缝位于核心区梁端时，节点主裂缝出现较慢，峰值荷载和位移、破坏荷载和位移高于拼接缝位于距核心区320 mm的节点，如X-3比X-2先达到峰值承载状态，峰值荷载比X-2低4%，破坏荷载与X-2基本相同。继续加载时，由于X-3主裂缝发展较快，新增裂缝较多，极限位移小。X-3比X-2双向平均极限位移低4%。

2 节点有限元模拟

2.1 有限元模型建立

由于试验样本数量偏少，故采用数值模拟[18-19]的方式增设试件，进一步探究拼接缝对不同类型节点抗震性能的影响，讨论拼接缝在节点梁上的最优位置。

有限元模型采用实体建模方式，尺寸与试验节点尺寸一致。钢筋和套筒本构关系采用双折线弹性强化模型，混凝土、灌浆料本构模型采用损伤塑性模型。钢筋采用T3D2单元，套筒采用S4R壳单元，混凝土和灌浆料采用C3D8R单元。根据相关文献试验结果[12]，本文将拼接缝周围30 mm厚度的后浇混凝土段强度下降65%用于体现拼接缝的弱化作用。由于钢筋与新旧混凝土交界面处、钢筋与灌浆料间会产生环向应力，出现黏结滑移现象。为模拟该现象，采用非线性弹簧单元，将后浇区拼接缝前后60 mm、套筒前后160 mm的钢筋作为区段端点连接，弹簧属性自由度为1，弹簧刚度为1 000 N·mm-1。初次计算完成后，将得到的文件修改弹簧部分的内容，并代入重新运算。灌浆料和套筒之间约束比较稳定，采用“Tie”约束方式连接。新旧混凝土交界面采用面-面接触的方式,接触属性的法相方向设为“硬接触”；切向方向上设置“罚”函数，摩擦因数为0.6。为使荷载加载均匀，在柱顶、柱底设置耦合点，耦合截面为柱顶面和底面。轴向压力和水平荷载作用在柱顶耦合点上，柱底设置为铰接；梁上设置耦合点，耦合截面为梁上最边侧截面。

2.2 有限元模型验证

2.2.1 破坏结果对比

为验证模型的准确性，选取4个典型节点，以X-1、X-3、H-1、H-3为例，对其数值分析结果与试验结果进行对比。

模型用等效塑性应变(PEEQ)云图反映节点破坏状态。PEEQ数值由大到小的发展方向近似为试验主裂缝发展方向。模拟破坏结果如图5所示。X-1、H-1应变较大区域为梁柱交界面处，并向核心区斜向发展；X-3、H-3在拼接缝处发生破坏，产生了斜向裂缝，说明拼接缝界面处是试件抗剪和抗弯的薄弱部位。通过对比发现数值分析云图的主裂缝位置、破坏情况、破坏形式和试验结果基本一致。

2.2.2 模型荷载-位移滞回曲线

为检验模拟数据与试验数据的一致性，将两者滞回曲线绘出并对比，如图6所示。可以看出：模拟滞回曲线与试验滞回曲线轮廓线基本一致；模拟滞回曲线中部比较饱满，是由于定义预制部分的钢筋与混凝土一起参与受力，忽略滑移；模拟节点由于没有混凝土压溃脱落，故滞回曲线正反方向比较对称。通过比较可以看出，模型滞回曲线在峰值和破坏位置的荷载、位移值与试验数据误差较小，建立的模型比较准确。

3 拼接缝对节点的抗震性能影响

3.1 模型设计

拼接缝会降低节点刚度，使节点的强度和延性小于整浇节点，其在梁上的位置变化会改变节点性能。为研究拼接缝在同一位置对不同类型节点的影响程度和拼接缝在节点梁上的最优位置，以拼接缝距核心区梁端距离为变量，用软件增设模型[20-21]，试件编号如表3所示。比较拼接缝位置不同时节点的承载力、刚度退化曲线、延性、耗能能力，分析拼接缝对节点抗震性能的影响。

表3 模拟节点试件编号Table 3 Number of simulated node specimen

3.2 承载力分析

通过数值模拟得到试件的骨架曲线，根据骨架曲线分析节点承载力变化。节点的屈服荷载、峰值荷载、破坏荷载见图7。边节点试件组中，整浇节点比装配节点屈服荷载高0.5%～13.3%，峰值荷载高17.9%～27.3%，破坏荷载高16.3%～22.8%；装配节点间曲线差值不大，MX-5承载能力最佳，MX-4较差，MX-5比MX-4峰值荷载高4.2%，破坏荷载高4.2%。中节点试件组中，整浇中节点比装配中节点峰值荷载高4.8%～14.5%，极限荷载高0.9%～6.1%。装配中节点间曲线波动较大，MH-5承载显著优于其他装配节点，MH-3与MH-6曲线相近，承载均较差。MH-5比MH-3峰值荷载高9.3%，极限荷载高7.1%。

通过数据对比得出，设立拼接缝对边节点承载影响大，拼接缝在梁上的位置对中节点的承载影响大。拼接缝存在时，边节点荷载变化幅度比中节点高约13%，原因为边节点和中节点相比，核心区约束弱，受拼接缝影响较大。当拼接缝位置变换时，中节点承载变化率高于边节点。原因是中节点先在一侧梁出现主裂缝，加载后期会在另一侧梁上出现宽度较大裂缝，由于出现的时间和扩展程度不同，节点间承载力相差较大。装配式边、中节点套筒距核心区梁端200 mm时，试件承载力较好。

3.3 刚度退化曲线分析

采用等效刚度ki分析试件组的刚度退化程度，ki计算公式为

(1)

式中：Fi为每一次循环荷载作用下第一滞回环的荷载极值；Δi为每一次循环荷载作用下第一滞回环的荷载极值点对应的位移。

正向位移下试件的节点刚度退化曲线模拟结果如图8所示。可以看出，对于同类型节点，整浇节点与装配节点刚度相差不大。在0～10 mm位移区间内，整浇节点刚度下降速率快于装配节点。原因是装配节点此时主裂缝宽度尚小，套筒、灌浆料可分担部分荷载，减缓拼接缝处破坏程度，使刚度下降慢于整浇节点。

相同工况下，中节点初始相对刚度比边节点高约21%。由于节点材料、加载方式、接触条件和破坏机理相似，试件加载至屈服后，刚度退化曲线重合度高。边节点模型组中，整浇节点初始刚度最大。模型在荷载加载下刚度下降较快，位移加载下曲线差异不明显。中节点模型组中，在位移达到20 mm后，模型曲线间差值较小。

3.4 延性和变形能力分析

延性是衡量节点抗震性能的重要参数，拟采用位移延性系数来体现节点延性性能。位移延性系数计算公式为

(2)

式中：μ为位移延性系数；Δu为试验的极限位移。

将节点的正向位移列出并运算，见表4。相同工况下，中节点延性系数高于边节点。边节点试件组中，MX-1由于没有拼接缝，延性较强，位移延性系数比装配节点高2.5%～4.9%；装配边节点中，位移延性系数相差不大；MX-5位移延性系数较高，MX-2与MX-4位移延性系数相近，MX-3位移延性系数最低。中节点试件组中，MH-1位移延性系数高于装配节点2.75%～8.38%，说明中节点间位移延性系数波动幅度大于边节点，拼接缝位置对其影响程度更大。MH-3位移延性系数最低，MH-5变形能力最强。

表4 试件位移Table 4 Displacement of specimen

通过数据对比看出：装配式边、中节点拼接缝距核心区梁端200 mm时，模型延性和变形能力较好；拼接缝的存在对边节点延性影响大，拼接缝的位置对中节点的延性影响大。

3.5 耗能能力分析

耗能能力是衡量节点在地震作用下承担能量大小的重要指标。采用等效黏滞阻尼系数heq和功比系数Iw来体现模型的耗能能力。等效黏滞阻尼系数计算示意图如图9所示，计算公式为

(3)

式中：SADCB为曲线ADCB围成的面积；SOAF、SOCE为△OAF、△OCE的面积。

等效黏滞阻尼系数反映的是一次加载周期的试件耗能能力。为更好表达节点总耗能强度，引入功比系数Iw，计算公式为

(4)

式中：n为循环总次数；i为当前循环次数；Pi为峰值荷载；Py为屈服荷载；Δi为峰值位移。

模型加载过程中，从弹性阶段到破坏阶段，耗能能力不断增加，列出特征位置的heq进行比较，如图10所示。中节点和边节点的heq均在0.1左右；从峰值点到极限点，整浇节点比装配节点heq下降更快，主要是装配节点在试件屈服后，套筒和灌浆料仍可以分担能量，增大结构耗能。装配节点中，MX-5、MH-5的heq高于其他装配节点，MX-3、MH-3的heq最低。

节点的功比系数如图11所示。可以看出：相同工况下，同类型节点的整浇节点总耗能能力优于装配节点；中节点功比系数比边节点高5%～40%；拼接缝位置不同时，装配式边节点功比系数差值在0.3～3之间，MX-5功比系数高，耗能能力强；装配式中节点功比系数差值在1.1～9.5之间，波动幅度较大，MH-5功比系数最高。通过比较，MX-5、MH-5的耗能能力较好，MX-3、MH-3耗能能力较差；拼接缝的存在对边节点耗能能力影响大，拼接缝的位置对中节点的耗能能力影响大。

4 结语

(1)拼接缝的存在对边节点抗震性能影响大，梁端拼接缝位置的变化对中节点的抗震性能影响大。拼接缝界面处是试件抗剪和抗弯的薄弱部位，装配式节点会因拼接缝而降低试件的抗震性能。

(2)相同工况下，中节点的承载力比边节点高约30%，破坏时的变形能力高约32%，耗能能力优于边节点，刚度退化程度两者相差不大。

(3)装配式节点梁上拼接缝最优位置是拼接缝距核心区2/9梁跨长，最不利位置为1/3梁跨长。装配式节点上的梁端拼接缝随着距离节点核心区长度的增加，节点主裂缝的位置逐步由核心区梁端变成拼接缝界面处。