基于有限元的裝配式建筑柱梁疊加預應力節點受力分析

時間：2022-01-18 16:45:49 來源：中國住宅設施

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摘　要：為了驗證新型裝配式端部柱梁節點錨固構造的可靠性和力學性能，采用有限元進行建模，分析采用疊加預應力技術的柱梁節點在重復荷載作用下，混凝土和鋼筋的應力狀態、混凝土開裂損傷情況以及節點滯回性能。通過受力分析，新型節點在增強連接可靠性的同時，能夠有效保證節點抗震性能，為裝配式構件連接提供可靠技術路徑。

引言

裝配式建筑技術應用從初期的疊合板擴展到現在的預支梁、預制注、疊合板和預制墻等，預制構件之間連接方式也有多種，預制柱和預制梁的節點連接尤為重要，其連接強度和可靠性直接影響著整體結構安全和抗震性能。隨著裝配式建筑在體量和高度方向發展，對關鍵連接節點的強度和抗震性能要求更高，傳統的柱梁節點錨固方式應用范圍受限，需要研究開發新型柱梁節點錨固構造和施工工藝。

1 裝配式柱梁節點型鋼疊加預應力技術

傳統的柱梁節點連接方式有牛腿支設上部現澆、梁體模架支設上部現澆、柱體預設側向凸出部分與梁錨固等形式，在規范施工作業前提下能夠滿足強度要求，但負彎矩區受力性能受連接處混凝土界面影響。

為提高柱梁節點連接可靠性和負彎矩區受力性能，設計了針對端部柱梁節點的型鋼疊加預應力連接工藝，總體思路是在常規柱梁節點連接基礎上，在柱內預設型鋼作為預應力筋錨固端，在預制梁體上部區域疊加預應力筋并采用錨板錨固在梁體內，柱體兩端張拉可采用交錯張拉方式，形成新型節點錨固構造。在連接錨固新技術應用前，結合有限元軟件建模分析來驗證新型柱梁節點的受力和滯回性能。

2 節點構造說明

選取裝配建筑端部柱梁節點作為分析對象，框柱和梁體尺寸和配筋如圖 1 所示，梁 A 柱體前端梁體，梁 B 為柱體兩側邊梁，梁體嵌入柱子 50mm 用以在施工中簡易擱置梁體，鋼筋采用 HRB400，柱體的混凝土強度等級為 C50，梁體的混凝土強度等級為C40。對梁 A 上部中間兩根預設預應力鋼筋（沿梁方向為半跨范圍）施加預應力，預應力鋼筋錨在預制柱內的預埋 T 型鋼上，鋼材型號為 Q235。

采用 abaqus 建立三維幾何模型，考察該節點在循環往復荷載作用下，混凝土和鋼筋的應力狀態及混凝土開裂損傷情況以及節點滯回性能。

3 節點有限元建模

在 ABAQUS6.14-4 中建立節點有限元模型，混凝土采用實體單元 C3D8R 模擬、鋼筋采用 TRUSS 單元 T3D2 模擬、型鋼采用殼單元 S4R 模擬；整體建模分析有限元網格劃分如圖 2 所示。邊界條件設置為柱底固定，梁端為鉸支形式。

3.1 材料本構

預應力鋼筋采用線彈性材料模擬，混凝土材料采用彈塑性損傷模型，當混凝土材料進入塑性狀態后，其拉、壓剛度降低，混凝土受拉、受壓損傷系數分別由 dt 和 dc 表示；反復荷載下材料拉、壓剛度的恢復如 3，當荷載從受拉變為受壓時，混凝土材料的裂縫閉合，抗壓剛度恢復至原有的抗壓剛度；當荷載從受壓變為受拉時，混凝土材料的抗拉剛度不恢復；混凝土材料軸心抗壓和軸心抗拉強度標準值按《混凝土結構設計規范》GB50010-2010 表 4.1.3 采用，柱體 C50 混凝土軸心抗壓強度標準值為 32.4MPa，軸心抗拉強度標準值為 1.89MPa，梁體 C40 混凝土軸心抗壓強度標準值為 19.1MPa，軸心抗拉強度標準值為 1.71MPa。

分析中，采用二折線動力硬化模型模擬鋼材在反復荷載作用下的 σ − ε 關系，鋼材的彈性模量為 Es，強化段的彈性模量為 0.01Es。程序中考慮了在反復荷載作用下，鋼材的包辛格（Bauschinger）效應。

3.2 加載制度

主要分析節點在分析循環往復荷載下的受力性能，加載過程如下：（1）施加預應力施加 588Mpa 的預應力。（2）施加軸壓以 0.3 為軸壓比控制值，在柱頂施加軸向壓力 N。N=0.3**fc*A= 0.3*23.1*1000*0.6*0.6=2494.8kN。（3）施加循環往復荷載保持軸壓不變，在柱頂施加 X 向循環往復位移荷載，直至構件破壞，其中每級荷載取 1.5mm，往復 3 次。

4 有限元分析結果

4.1 施加預應力后鋼筋和混凝土受力狀態

對有限元模型施加預應力后，鋼筋和混凝土受力情況如圖4 所示，從應力云圖可見節點前端梁體在上部通過型鋼錨固疊加預應力后局部在自然狀態下得以抗拉性能增強，有利于后期承載受拉。

4.2 滯回曲線和骨架曲線

節點區域疊加預應力后，根據模型分析結果，當柱頂 X 向位移加至 7.5mm 時，反力達到最大，加至 10.5mm 時，混凝土提供的抗力不在增加，反力達到極小值，滯回曲線和骨架曲線如圖5 所示。

4.3 反力最大、最小時鋼筋及混凝土受力狀態

分析反力最大時各構件的受力情況，反力最大時構件中鋼筋總體處于彈性工作階段，柱、梁 A、梁 B 最大鋼筋應力分別為392.5 mPa、446.5 mP a、394.1 mP a。經過反力最大時混凝土受壓損傷、受拉損傷分析，柱和梁 A 均在一定范圍出現了明顯的受壓損傷，梁 B 局部出現了受壓損傷。柱、梁 A、梁 B 均出現了明顯的受拉損傷。

反力達到極小值時節點附近柱鋼筋明顯進入塑性，柱鋼筋中度至重度損壞。梁 A 跨中部分鋼筋進入塑性，輕度損壞。梁 B 總體處于彈性工作狀態。柱、梁 A、梁 B 最大鋼筋應力分別為 415.8mPa、457.7mPa（含預應力筋）、393.7mPa。通過混凝土受壓損傷、受拉損傷分析，柱節點區域上部和梁 A 均出現了明顯的受壓損傷，梁 B 出現了輕度受壓損傷。柱、梁 A、梁 B 均出現了明顯的受拉損傷。由梁柱鋼筋和混凝土損傷情況可以看出，首先破壞的區域出現在梁以及柱節點上部，節點區域損傷相對較輕，構件滿足了強節點弱桿件的設計要求。

結語

選取裝配式建筑端部柱梁節點作為有限元分析對象，該新型節點通過在節點區域采用 T 型型鋼錨固疊合預應力技術，預應力錨固設置在梁端上部負彎矩區域，旨在增強節點連接可靠性和負彎矩區受力性能，同時改善節點區域的抗震性能。通過對新型端部連接節點建模分析，預應力裝配式節點耗能能力和延性強，能夠滿足較高的抗震性能要求，同時了滿足強節點弱桿件的設計要求。

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