四川建筑科学研究投稿论文格式参考:多层端板连接装配式钢筋混凝土框架抗震性能研究

关键词：装配式框架;抗震性能;有限元模拟;多层框架

作者：吴东平;秦城伟;李成玉

作者单位：武汉科技大学

　　摘　要：为研究多层端板连接装配式钢筋混凝土框架（以下简称多层框架）结构的抗震性能，基于 ３ 榀 １／２缩尺框架（ＸＪ、ＺＰ-１、ＺＰ-２）试验，验证了有限元分析的准确性，按照现行规范设计了 １榀 ２跨 ３层的端板连接装配式钢筋混凝土框架，运用 ＡＢＡＱＵＳ有限元软件分析了在低周往复位移作用下 结构的受力特性、刚度退化、耗能性能和延性系数。结果表明：在地震作用下，１榀 ２跨 ３层端板连 接装配式钢筋混凝土框架结构的承载能力、耗能能力等受力性能均优于现浇框架结构，但其中柱受 压损伤发展较快，这使得框架承载力和刚度下降较为迅速。 

　　０　引　言

　　装配式结构具有施工方便、施工效率高、绿色 环保等优点，得到了国家的大力推广和发展［１-２］ 。 装配式框架节点连接形式及受力对结构整体性能 及其抗震性能有较大影响，因此，预制构件的连接 方法是装配式结构研究的重点和难点［３］ 。

　　李进等［４］在一种新型无黏结预应力装配式混凝土梁柱框架节点抗震性能试验基础之上，使 用基于位移的抗震设计方法，对采用新型框架节 点的无黏结预应力装配式钢筋混凝土框架结构进 行了抗震设计研究。谷伟等［５］提出了一种构造 简单、安装方便的新型节点连接形式，并对 ５个足 尺模型试件进行了拟静力试验，结果表明，新型节 点试件的破坏主要发生在后浇区域与预制节点梁 结合处，节点核心区没有明显破坏，符合强节点抗 震设计理念。丁克伟等［６］对预制梁采用了高强 螺栓贯通连接，此连接满足装配式结构灾后修复 和“强柱弱梁”的设计要求。黄炜等［７-１１］ 通过构件 塑性耗能变形，实现了结构损伤集中的耗能方式， 提高了结构的修复性能。石彩华［１２］对钢板螺栓 连接装配式混凝土梁柱节点进行了足尺试验和有 限元分析，研究了构件的各项抗震性能指标。

　　基于上述研究，本文提出一种新型装配式梁 柱节点（使用螺栓通过柱预留孔洞与梁端外包钢 套筒连接），设计并制作 ３榀 １／２缩尺框架（ＸＪ、 ＺＰ-１、ＺＰ-２），开展抗震试验研究。根据试验结果， 验证有限元模拟的准确性，进一步分析多层框架 的抗震性能。

　　１　试验参数

　　１．１　框架设计与制作

　　本文设计并制作 １榀缩尺现浇框架试件和 ２ 榀端板连接装配式钢筋混凝土框架试件。端板连 接装配式钢筋混凝土框架试件尺寸及构造如图 １ 所示。混凝土柱截面尺寸为 ２００ｍｍ×２００ｍｍ，混 凝土梁截面尺寸为２００ｍｍ×１１０ｍｍ，混凝土强度 等级为 Ｃ３０。钢套筒与梁混凝土之间设置直径为 ６ｍｍ的抗剪钉，梁内钢筋与钢套筒内侧面焊接， 梁柱采用 ＨＲＢ４００级钢筋，钢板均采用 Ｑ３５５Ｂ级 钢，取钢套筒的端板厚度和加劲肋厚度为变量。 试件参数见表 １。

　　１．２　材料力学性能

　　采用万能试验机对 ３个立方体混凝土试块 进行混凝土抗压强度试验，结果见表 ２。测得的 混凝土立方体抗压强度平均值为 ３０.３７ＭＰａ。 对钢板、钢筋、螺栓的力学性能进行测试，结果见 表 ３。

　　１．３　试验装置及加载制度

　　本次试验框架柱两侧底部用钢板垫块支撑 并使用螺杆固定。为消除柱顶施加竖向荷载对 节点转动造成的约束，柱顶增加 ３３０ｍｍ悬臂段。 梁端采用位移控制加载。加载方式参考美国抗 震规范 Ｓｅｉｓｍｉｃｐｒｏｖｉｓｉｏｎｓｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌｂｕｉｌｄｉｎｇｓ（ＡＮＳＩ／ＡＩＳＣ３４１-１０）［１３］（简称《抗规》），采 用层间位移角 Δ控制加载，每级位移循环３次，加 载制度如图 ２所示。梁右端施加水平往复轴向荷 载。试验加载装置与现场如图 ３所示。当试件不 能继续稳定承受荷载或承载力低于峰值荷载的 ８５％时，判定试件破坏，终止试验［１４］ 。

　　２　有限元分析

　　２．１　单元选取与材料模型

　　本文采用 ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对框架进行模拟分析。混凝土梁、柱，螺栓及钢套筒均采用 Ｃ３Ｄ８Ｒ单元，钢筋采用 Ｔ３Ｄ２桁架单元［１５］ 。

　　混凝土框架采用混凝土损伤塑性模型，以模 拟卸载时由于损伤增加而变化的特性（参考《混 凝土结构设计标准》（ＧＢ／Ｔ５００１０—２０１０）［１６］）。 钢材采用线性强化弹塑性模型，用两段折线表示 钢筋拉伸曲线，达到屈服极限前，应力 应变为弹 性关系，超过屈服极限后，则为线性强化变化 关系。

　　为保证模拟试验的准确性，设置有限元模型 构件之间的接触方式为“面面接触”，法向为“硬” 接触，切向为“罚”接触，摩擦系数为 ０．４［１７］ ；由于 钢套筒与混凝土之间不会产生较大的滑移，因此 对两者采用“ｔｉｅ”命令；框架内钢筋采用“ｅｍｂｅｄｄｅｄ”的方式嵌入混凝土。

　　对框架模型施加与试验相同的边界条件， 模型柱底端均采用完全固定约束，并限制模型 柱顶的平面外自由度。框架网格划分如图 ４ 所示。

　　２．２　试验与有限元模拟对比

　　为验证有限元模型的合理性，将试验结果与 有限元模拟结果进行对比分析。试验与模拟骨 架曲线对比如图 ５所示。从图 ５可以看出：在混 凝土和钢筋的塑性变形以及锚固滑移、裂缝发展 等因素影响下，试验框架的负向荷载相比正向荷 载略小；由于有限元模拟条件较为理想，因此模拟框架的骨架曲线比较对称。

　　选取正向加载模拟数据与试验结果进行比 较（表 ４）。由表 ４可知：在正向位移加载下，试验 框架与模拟框架的屈服荷载、屈服位移、峰值荷 载和峰值位移误差均在 １５％以内，说明该有限元 建模方法能够准确反映框架的力学性能。 图 ６为试验与模拟破坏形态对比。

　　由图 ６可 知：试验框架柱底、梁端和钢套筒附近混凝土发 生破坏；模拟框架柱底、梁端和钢套筒附近混凝 土受压塑性变形（损伤因子）超过 ０．９６，导致混凝 土失效。试验与模拟的破坏形态基本吻合。

　　３　多层框架抗震性能分析

　　３．１　模型建立

　　跟据上述建模方法，进一步研究多层框架的 抗震性能。依据现行规范和规程［１６-１９］ ，设计 １榀 ２跨 ３层的端板连接装配式钢筋混凝土框架。基 本信息为：抗震设防烈度为 ８度，地震分组为一 组，Ⅱ类场地，框架梁尺寸为４００ｍｍ×２００ｍｍ，跨 距为 ４８００ｍｍ，柱尺寸为 ４００ｍｍ×４００ｍｍ，层高 为 ３０００ｍｍ，梁 柱 纵 向 受 力 钢 筋 和 箍 筋 为 ＨＲＢ４００级钢筋，钢板均采用 Ｑ３５５Ｂ级钢，中柱轴 压比为 ０.４０，边柱轴压比为 ０.３２，柱上端增加 ３００ ｍｍ的悬臂段，螺栓为 １２.９级摩擦型高强螺栓。 分别建立装配式框架模型（ＺＰ）和现浇框架模型 （ＲＣ），采用拟静力试验方法对试件施加低周往复 水平荷载。加载制度参考《抗规》，如图 ７所示。 多层框架网格划分如图 ８所示，其尺寸及构造如 图 ９所示。

　　３．２　多层框架受力特性分析

　　在峰值荷载和破坏荷载时，框架混凝土损伤和钢材应力分别如图 １０、１１所示。

由图 １０、１１可 知：达到峰值荷载时，由于受两侧钢套筒挤压，中 柱混凝土局部应力较大，导致其损伤较为明显， 且受损程度随层高增加而增加，此时，梁端出现 塑性铰，随着位移增加，塑性铰附近钢材发生内 力重分布，加劲肋板未发生屈服，梁 梁连接处钢 套筒应力较小，边柱混凝土受压损伤也随加载位 移的增大而逐渐增大；当达到破坏荷载时，边柱 第 ２层节点处混凝土损伤较为明显，柱底混凝土 也出现损伤破坏，柱底钢筋和梁柱节点钢套筒连 接处钢筋应力较大，发生屈服，梁柱节点钢套筒 加劲肋和端板连接处也发生应力集中，且中柱节 点较边柱节点更为明显，梁 梁连接处钢套筒应力 基本保持不变。

　　现浇框架与装配式框架的滞回曲线、骨架曲 线和刚度退化曲线的对比如图 １２所示。

　　３．３　刚度退化

　　割线刚度计算公式为

　　式中：Ｋｉ为第 ｉ加载级时的割线刚度，Ｆ＋ ｉ 和 Ｆ－ ｉ 分别为第 ｉ加载级时的正向峰值荷载和负向峰值荷载，Δ＋ ｉ 和 Δ－ ｉ 分别为第 ｉ加载级时的正向峰值 荷载和负向峰值荷载对应的水平位移。

　　刚度退化反映了试件在循环荷载作用下的 累计损伤。从图 １２（ｃ）中可以看出：在开裂前的 弹性阶段，由于装配式框架采用钢套筒连接，钢 件本身具有较大的刚度，因此装配式框架和现浇框架 初 始 割 线 刚 度 均 较 大，分 别 约 为 １３.０１ ｋＮ·ｍｍ－１ 和 １１.６１ｋＮ·ｍｍ－１ ，前者比后者提高约 １２.０６％。随着位移增加，框架损伤裂缝不断出现 和发展，导致框架累计损伤加重以及刚度下降速 率加快；达到峰值荷载时，装配式框架、现浇框架 的割线刚度较初始割线刚度分别下降了 ５０.３２％ 和 ６４.６５％，超过峰值荷载后，随着加载位移的不 断增大，两框架残余割线刚度趋向相同，数值约 为 １.４２ｋＮ·ｍｍ－１ 。

　　３．４　耗能性能及延性系数

　　在往复加载过程中，通常以滞回环包围的面 积来衡量所消耗的能量，本文采用等效黏滞阻尼 系数 ｈｅ对框架耗能性能进行分析，其计算如下：

　　式中：ＳＡ 为滞回环面积，ＳＢ 为滞回环上下顶点对 应的三角形面积之和。

　　多层框架骨架曲线特征点对应的荷载和位 移见表 ５。由表 ５可知：装配式框架的等效黏滞 阻尼系数为 ０.３２，且装配式框架的峰值荷载和屈 服荷载高于现浇框架。装配式框架的位移延性 系数为 ５.２１和 ４.５０，现浇框架的位移延性系数 为 ５.２９和 ４.５６，均高于一般延性框架顶点位移 延性系数值（≥３）［１６］ ，表明 ２榀框架均有较好的 延性，满足抗震设计要求。因此，本文所设计的框 架耗能能力能够满足抗震设计的耗能性能要求。

　　４　结　论

　　１）对比了有限元模拟结果与试验结果，模拟 骨架曲线与试验骨架曲线基本一致，各项分析误 差均满足要求，模拟破坏形态和试验破坏形态基 本吻合，验证了数值模型的准确性，为后续研究 提供了数值分析应用基础。

　　２）按照现行规范设计了 １榀 ２跨 ３层的端板 连接装配式钢筋混凝土框架，对其进行了抗震模 拟分析，结果表明，装配式框架梁端钢套筒可以 与混凝土共同受力，使加劲肋和端板协同耗能， 从而提高梁柱节点强度。当达到破坏荷载时，框 架钢套筒与混凝土连接截面和中柱节点核心区 损伤较为明显，但柱脚塑性铰区混凝土压碎剥落 更为严重，这导致了框架的破坏。

　　３）对装配式框架和现浇框架的各项抗震指 标进行了分析，结果表明，装配式框架峰值荷载 显著高于现浇框架峰值荷载，且其初始割线刚度 相较 于 现 浇 框 架 初 始 割 线 刚 度 提 高 了 约 １２.０６％。装配式框架的等效黏滞阻尼系数为 ０.３２，位移延性系数满足标准要求。