新型纤维改性混凝土装配式框架节点抗震性能分析_杨晓华.pdf

102 Industrial Construction Vol.53,No.4,2023工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期 新型纤维改性混凝土装配式框架节点抗震性能分析 杨晓华1张骞2吴森坤2冯健2蔡建国2(1.中国铁建投资集团有限公司,广东珠海519000;2.东南大学国家预应力工程技术研究中心,南京210096)摘要:为研究在节点核心区及键槽区等后浇区部分采用纤维改性混凝土对梁柱节点抗震性能的影响,基于此概念设计了改进的预制预应力装配式梁柱节点。以试件 SJ1 和 SJ4 为研究对象,系统分析梁柱节点设计参数对节点性能的影响,包括后浇区混凝土强度及延性、梁纵筋强度和后浇区箍筋间距。结果表明:后浇区混凝土受压延性的降低会加剧高配筋率节点试件强度退化及位移延性降低;提高梁纵筋强度等级可以显著提高装配式框架梁柱节点的承载能力,同时会降低其位移延性;增大后浇区的箍筋间距会降低节点试件的位移延性,并且高配筋率梁柱节点的抗震性能对后浇区箍筋间距的调整更敏感。关键词:预制预应力梁柱节点;纤维改性混凝土;抗震性能;参数分析;非线性有限元 DOI:10.13204/j.gyjzG20122208Seismic Performance Analysis of Beam-Column Connections ofPrefabricated Fiber Modified Concrete FramesYANG Xiaohua1ZHANG Qian2WU Senkun2FENG Jian2CAI Jianguo2(1.China Railway Construction Investment Group Corporation Limited,Zhuhai 519000,China;2.National Prestress Engineering Research Center,Southeast University,Nanjing 210096,China)Abstract:The influence of concrete reinforced with fibers in the post-cast region,including the connection region and beam service holes,was studied.An improved precast prestressed beam-column connection was designed by using fiber modified concrete in the connection area.For specimen SJ1 and SJ4,the influence of design parameters on the mechanical properties of connections was investigated systematically,which including the ductility and strength of concrete in the post-cast region,beam longitudinal rebar strength,and stirrup spacing in the post-cast region.The results showed that the reduction of compressive ductility of post-cast concrete had a more obvious promoting effect on the accelerated degradation of the connection strength and the reduction of displacement ductility of connections with a high reinforcement ratio.By increasing the strength grade of beam longitudinal rebars,the bearing capacity of connections would be improved significantly,while there was a drop in the displacement ductility.The displacement ductility of connections decreased with enlarging the stirrup spacing in the post-cast region.Moreover,the seismic performance of the connections with a high reinforcement ratio were more sensitive to the increase of the stirrup spacing of post-cast region.Keywords:precast prestressed beam-column connections;fiber modified concrete;seismic performance;parameter analysis;nonlinear finite element 省 政 策 引 导 类 计 划-重 点 国 别 产 业 技 术 研 发 合 作 项 目(BZ2021036)。第一作者:杨晓华,男,1976 年出生,正高级工程师。通信作者:蔡建国,教授,j.cai 。收稿日期:2020-12-220引言与传统现浇混凝土相比,装配式混凝土结构具有施工简易、生产效率高、对环境影响小等优点。而梁柱节点是其关键受力位置,通常作为装配式混凝土结构的重要内容被广泛研究1-2。Gao 等对带板和不带板的型钢混凝土梁柱节点进行了循环荷载试验,并采用预制梁端3,结果表明带板型钢混凝土梁柱 预 制 节 点 的 抗 震 性 能 优 于 无 板 预 制 节 点。Ghayeb 等分别使用钢板、钢管和钢扣件连接梁和柱,形成混合节点4,结果可以满足相关抗震规范要求。蔡建国等提出了一种带键槽梁柱节点,使用U 形钢筋实现预制预应力梁在节点区的搭接5。Liu 等进一步分析了不同长度键槽对节点性能的影响6。任政结合梁下部纵向钢筋和机械套管的连接方式,提出了适应于高烈度区的装配式梁柱节点7。虽然目前对梁柱节点的研究比较丰富,但大新型纤维改性混凝土装配式框架节点抗震性能分析 杨晓华,等103 多研究主要集中于钢筋构造,对后浇区混凝土使用的研究仍然较少。考虑到在节点核心区采用后浇混凝土与传统现浇整体结构产生的强度差异,因此可以通过使用高性能混凝土进行弥补。纤维混凝土属于高性能混凝土,通过在混凝土中掺入不同类型和含量的纤维以改善混凝土的性能,从而提高其承载力、变形以及裂缝控制能力8。此外,目前对节点核心区主要采用二维非弹性有限元法对节点核心区的受力状态进行数值 模 拟9,如 BeamColumnJoint 模 型10、Joint2D模型11等。曹徐阳等基于 OpenSEES 软件系统研究了其数值方法,提出适用于湿式连接节点与干式连接节点的两类数值分析模型,并考虑了键槽和预应力等局部构造措施的影响12。结果表明,模型可以准确反映节点的宏观力学行为,并验证了该软件的计算精度,可以为装配式混凝土节点建模分析提供参考。本研究主要基于纤维改性混凝土在节点后浇区的使用,提出了高性能的预制装配梁柱节点形式。并利用 OpenSEES 程序中的节点宏观模型进行模拟分析,在数值模拟与试验结果对比分析基础上,还分析了后浇区部分混凝土强度及延性、梁纵筋强度和后浇区箍筋间距等节点关键设计参数对梁柱节点抗震性能的影响,为该新型梁柱节点的设计和推广提供了建议和参考。1节点设计与模拟分析1.1节点设计试件取自框架梁跨中和柱跨中的十字节点,作为试验的基本单元。传统的预制预应力装配式梁柱节点部分采用世构体系13,即预应力钢绞线从梁端键槽伸出,向上弯起形成 90弯钩,锚固在节点核心区,再通过 U 形钢筋搭接后,将现浇混凝土浇筑在梁柱节点连接区域,如图 1a 所示。为了解决节点尺寸过大或箍筋较多的问题,对传统的世构体系节点的形式进行了改进,纤维改性混凝土浇筑在梁柱节点连接区域,梁下部纵筋采用机械套筒连接的方式,如图 1b 所示。a传统装配式梁柱节点设计;b改进的梁柱节点设计。图 1梁柱节点设计Fig.1Details of beam-column connections设计两种形式的改进梁柱节点(SJ1 和 SJ4),梁端键槽 中 的 U 形 筋、框 架 梁 柱 纵 向 钢 筋 等 级 为HRB400。柱的截面尺寸采用 600 mm600 mm,试验轴压 比 为 0.2,梁 的 截 面 尺 寸 采 用 300 mm 500 mm。梁柱构件的钢筋保护层厚度为 20 mm,预制梁柱混凝土强度为 C40,键槽节点核心区(除现浇混凝土外)采用 C40 纤维改性细石混凝土,其中 SJ1纤维含量为 0,SJ4 纤维含量为 3 kg/m3,SJ4 的梁纵筋配筋率高于 SJ1,SJ1 的相对受压区高度为 0.18,SJ4 的相对受压区高度为 0.25(对应于一级抗震等级的上限)。试件的尺寸和配筋情况如表 1 和图 2所示。表 1试件设计参数Table 1Design parameters of specimens试件编号梁纵筋底部顶部U 形钢筋柱纵筋核心区混凝土强度纤维含量/(kg m-3)相对受压区高度SJ18203182141220C4000.18SJ4422+4253252141220C4030.251.2OpenSEES 模拟分析本次分析采用的混凝土本构为 Concrete 01,该本构不考虑混凝土受拉,因此现浇与预制混凝土界面之间的新旧混凝土结合问题不在本次模拟中考虑。采用棱柱体试块测量混凝土试块应力、应变全过程曲线以反映出不同纤维掺量对混凝土试块受压延性的影响,试块加载采用位移控制,加载速率为0.06 mm/min,结果如图 3 所示。钢筋本构材料采用 Steel 02。OpenSEES 中采用 Beam Column Joint 来模拟节点的主要受力破坏104 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期图 2柱节点配筋设计mmFig.2The reinforcement design of column connectiona混凝土试块试验;b应力-应变曲线。图 3混凝土试验测试与本构曲线Fig.3The test for a concrete cube and its constitutive curves机制,并采用广义的一维荷载变形滞回模型。根据后浇节点区混凝土和钢筋设计,基于修正斜压场理论(MCFT)14,计算得到后浇节点区剪切应力与应变间的关系,特征点 P1 P4的坐标如表 2所示。1.3分析对比试件 SJ1、SJ4 计算模拟与试验得到的滞回曲线对比分别如图 4a、图 4b 所示。可见两者的模拟曲线与试验曲线差异均较小15;各加载阶段下试件的滞回曲线与形态较为接近,对应的峰值荷载在一定程度上可以相互验证。因此,通过数值模拟手段,梁柱节点在低周反复荷载作用下的滞回性能,如强度退化、卸载和再加载刚度退化等,能够得到较为准确的预测。表 2剪切应力与应变关系曲线特征点Table 2Characteristic points on the relation curvesof shear stress and shear strain试件编号P1P2P3P4剪应变/10-6剪应力/MPa剪应变/10-6剪应力/MPa剪应变/10-6剪应力/MPa剪应变/10-6剪应力/MPaSJ11602.067 0109.0135 0409.1645 1100.78SJ42501.593 8009.5268 3009.7186 6000.89aSJ1;bSJ4。图 4数值模拟与试验滞回曲线对比Fig.4Comparisons of hysteresis curves betweennumerical simulation results and test data新型纤维改性混凝土装配式框架节点抗震性能分析 杨晓华,等105 2影响因素分析由于试件数量限制,试验数据不足以影响参数分析,因此补充节点数值模型,分别研究各关键设计参数对框架十字节点滞回性能的影响。以试件 SJ1和 SJ4 作为设计基准模型,抗震设计等级为一级,加载制度同试验过程,并另外补充 128 mm 位移幅值下的循环加载次数。使用 OpenSEES 建立节点不同关键设计参数的数值模型,主要包括后浇区混凝土受压延性(默认值为 0.5)、后浇区混凝土强度(默认值为 C40)、梁纵筋强度(默认值为 HRB400)以及后浇区箍筋间距(默认值为 50 mm)。2.1后浇区混凝土受压延性为分析梁后浇区混凝土受压延性对框架节点滞回性能的影响,将混凝土本构模型的下降段斜率作为变量以调节混凝土延性参数。纤维改性混凝土的应变软化段斜率系数 ZF表示如下:ZF=Zf3+0.29f c145f c-1 000+0.75shsh-0.002K(1)式中:f c 为混凝土圆柱体抗压强度;K 为混凝土强度提高系数;s为箍筋的体积配筋率;h为箍筋肢距;sh为箍筋间距;Zf为纤维改性混凝土修正参数,Zf一般通过同批养护试块轴压应 力-应变全曲线确定,在修 正 Kent-Park 约 束 混 凝 土 材 料 本 构 中 取0.5。选 取 不 同 取 值 代 入 混 凝 土 本 构 子 程 序ProcMKPC 进行模拟计算,得到的滞回曲线如图 5所示,图中 Zf取值分别为 0.05、0.25、0.5、1.0、3.0和 5.0。为更清晰地表示各参数下滞回曲线的差异,将位移与荷载幅值列于表 3。aSJ1;bSJ4。图 5混凝土受压延性分析Fig.5Ductility analysis of concrete under compression 表 3混凝土受压延性参数Table 3Ductility parameters of concreteunder compression模型Zf加载阶段荷载峰值/kN加载阶段 1(32 mm)加载阶段 2(64 mm)加载阶段 3(96 mm)加载阶段 4(128 mm)加载阶段 4荷载峰值降幅/%SJ10.050.250.501.003.005.00192.0277.2257.9242.90.0256.9239.21.5254.7228.84.4246.9218.04.7234.0209.53.9234.0208.40.5SJ40.050.250.501.003.005.00283.6405.1393.3334.80.0393.1332.70.7392.8327.81.5392.2310.95.1375.5281.49.5364.3279.40.7根据上述分析可知,加载阶段 1、2 时,参数 Zf对 SJ1、SJ4 的滞回特性影响几乎可以忽略,其滞回环的峰值荷载相同;加载阶段 3 下,参数 Zf取值为 3和 5,对滞回性能影响明显,当 SJ1 位移达到 65 mm附近时,滞 回 曲 线 均 发 生 波 动,而 SJ4 位 移 达 到80 mm 附近时滞回曲线均出现下降段,并且此时两者滞回环的荷载峰值产生明显的下降;加载阶段 4时,随着 Zf参数取值的增大,SJ1、SJ4 的滞回荷载峰值不断降低,此现象与试验结果一致。根据表 3 中加载阶段 4 的滞回曲线荷载峰值降幅数据可知,参数 Zf在 0.25 3.0 区间取值对荷载峰值的影响更为明显,而取值为 0.05 或 5.0 则影响较小,此时压应变的变化对混凝土本构下降段的残余强度影响变小。加载阶段 4 下,Zf的取值由 1.0变化至 5.0 时,SJ1 的荷 载峰值各级降 幅均小于SJ4,Zf的取值由 0.25 增大至 3.0 时,SJ4 荷载峰值降幅逐渐增大,说明纤维改性混凝土延性降低对高配筋率梁柱节点滞回强度退化的影响更为显著。一方面得到了梁后浇区混凝土受压延性对改进前后梁柱装配节点滞回性能的影响,另一方面也侧面反映了模拟的合理性。通过应变软化段斜率系数 Zf的参数分析可知,在合理范围内提高后浇区混凝土的延性,即降低应变软化段斜率系数,可一定程度上提高节点的延性性能,但当 Zf0.25 时,降低 Zf将产生边际效应,效果不再明显。2.2后浇区混凝土强度以 SJ1、SJ4 后浇区混凝土强度等级作为分析参数,变化范围为 C30 C60,研究其对节点滞回特性的 影 响,计 算 的 滞 回 曲 线 及 骨 架 曲 线 如 图 6所示。106 工业建筑2023 年第 53 卷第 4 期aSJ1 滞回曲线;bSJ1 骨架曲线;cSJ4 滞回曲线;dSJ4 骨架曲线。图 6后浇区混凝土强度等级的影响Fig.6The influence of concrete strength grade in post-cast region由图 6 可知:当后浇区混凝土强度等级提高时,滞回曲线的荷载峰值也相应提高,但在弹性加载阶段,滞回曲线几乎重叠,说明后浇区混凝土强度等级对该阶段的滞回曲线影响可以忽略;相对于 SJ1,虽然后浇区混凝土强度等级提高对 SJ4 荷载峰值影响较大,但对滞回曲线荷载峰值的提升效果均不明显,如 SJ4 后浇区混凝土强度等级由 C30 提高至 C60,其荷载峰值提高率仅为 2%。2.3梁纵筋强度对比 SJ1 和 SJ4 的试验结果可知,当试件梁纵筋配筋率变大时,节点的峰值荷载及加载刚度均会得到相应明显的提高。因此,通过改变梁纵筋强度以研究其对节点滞回特性的影响,模拟得到的所有滞回曲线与骨架曲线如图 7 所示。可知:当梁纵筋强度提高时,节点滞回曲线的荷载峰值明显提高。当梁纵筋强度等级由 HRB300 提高至 HRB500 时,节点 SJ1 荷载峰值提高率分别为 27.7%及 52.1%,SJ4 荷载峰值提高率为 24.1%及 46.3%,表明梁纵筋强度的提高对低配筋率节点的荷载峰值提升更为有效。根据图 7b、图 7d 可知,加载阶段 3 至加载阶段 4 时,梁纵筋强度的提高引起更明显的节点强度退化现象,同时也反映了节点位移延性的降低。另外,当梁纵筋强度等级提高时,节点各级加载阶段的卸载刚度退化和滞回曲线捏缩效应均有所改善。aSJ1 滞回曲线;bSJ1 骨架曲线;cSJ4 滞回曲线;dSJ4 骨架曲线。图 7梁纵筋强度等级的影响Fig.7The influence of beam longitudinal rebar strength grade2.4后浇区箍筋间距除混凝土与梁钢筋的材料性质外,影响框架节点滞回性能的因素还包含后浇区的箍筋间距。当设计的箍筋间距不同时,混凝土的侧向约束强弱不同,新型纤维改性混凝土装配式框架节点抗震性能分析 杨晓华,等107 因此混凝土受压时的延性也会受到箍筋间距的影响。考虑到低周反复荷载作用下节点处的变形主要集中在梁端塑性铰区,因此对后浇区内的箍筋间距取值 进 行 研 究,参 数 取 值 分 别 为 50,100,200,250 mm,计算所得滞回曲线与骨架曲线如图 8 所示。可知:梁后浇区箍筋间距大小对 SJ1、SJ4 节点的滞回特性如加载刚度和荷载峰值影响很小;在加载阶段 3 至加载阶段 4 时,箍筋间距的增大引起更严重的节点强度退化。根据图 8b、图 8d 可知,以加载最终状态的强度为参照,箍筋间距由 50 mm 变化至 250 mm 时,SJ1 和 SJ4 荷载峰值的降低率分别为6.5%和 13.5%,说明在低周循环加载后期,箍筋间距的增大对高配筋率节点强度退化及延性影响更为明显。根据上述分析,建议在施工条件允许的情况下,合理减小后浇区箍筋间距能更好地提高装配节点的位移延性。aSJ1 滞回曲线;bSJ1 骨架曲线;cSJ4 滞回曲线;dSJ4 骨架曲线。图 8梁箍筋间距的影响Fig.8The influence of the spacing of beam stirrups3结束语本文采用 OpenSEES 软件对改进前后的装配式框架节点试件 SJ1、SJ4 进行模拟,基于低周反复荷载下的滞回曲线与试验结果进行对比,并分析了后浇区混凝土受压延性、后浇区混凝土强度、梁纵筋强度以及后浇区箍筋间距参数对框架装配式节点滞回特性的影响。1)根据节点试件 SJ1 和 SJ4 的模拟与试验的结果对比,两者的滞回曲线走势与数值吻合性良好。在试验的位移循环加载后期,可能由于约束问题,导致试验荷载峰值比模拟荷载小。总体上,数值模拟可有效反映低周反复作用下节点核心区的受力状态,也可准确预测各级荷载下的强度退化、荷载峰值、刚度退化及后期的捏缩效应等滞回性能。2)根据数值模型的参数分析可知,纤维改性混凝土延性变弱对高配筋率梁柱节点滞回强度退化及延性降低的影响更为显著。在合理范围内提高后浇区混凝土延性,能够在一定程度上提升节点的延性性能。后浇区混凝土强度等级对滞回曲线荷载峰值的影响不明显。梁纵筋强度提高时,节点滞回曲线的荷载峰值明显提高,并且该因素对低配筋率节点的荷载峰值提高更为有效。尽管箍筋间距的增大对高配筋率节点强度退化及延性影响更为明显,但总体上后浇区箍筋间距大小对节点的滞回特性如加载刚度、荷载峰值影响较小。因此根据以上结论,在针对纤维改性混凝土装配式框架的节点设计中,应重点关注纤维改性混凝土延性、梁纵筋强度及配筋率等关键影响参数的取值。当梁柱节点的配筋率较高时,梁截面的受压区高度比例接近设计上限时,应在节点区采用纤维改性混凝土改进节点延性;当梁柱节点的配筋率较低时,若节点区采用纤维改性混凝土可略增大节点区的箍筋间距。(下转第 147 页)墙面倾角对模块式加筋土挡土墙结构影响的分析 楼华锋,等147 1)当墙面直立时,模块式加筋土挡土墙的侧向变形模式以外倾为主,随着墙面倾角减小,挡土墙的侧向变形减小,变形模式逐渐转变为平移、平移-鼓胀式。2)75是模块式加筋土挡土墙变形受墙面倾角影响强弱的拐点。当墙面倾角小于 75时,继续减小墙面倾角不会带来挡土墙变形的大幅减小。3)墙面模块后的水平土压力随墙面倾角的减小而减小,沿墙高的分布规律由线性转变为非线性;墙面倾角变化对筋材末端水平土压力的影响较小。4)模块式加筋土挡土墙墙内竖向土压力沿筋材长度呈“拱”形分布;随墙面倾角减小,墙面侧的竖向土压力减 小而筋材 末端处的 竖 向 土 压 力 有增大。5)筋材所受最大拉应力和“筋-板连接拉力”均随墙面倾角减小而降低,墙内筋材拉应力峰值与墙面倾角间呈线性关系;连接拉力与墙面倾角间呈指数函数关系。参考文献1王贺,杨广庆,熊保林,等.模块面板式加筋土挡墙结构行为试验研究J.岩土力学,2016,37(2):487-498.2党立俊.模块式加筋土双级挡墙变形与孔隙水压力试验研究J.工程建设与设计,2015(10):61-63.3刘院锁.模块式高填方加筋土挡墙力学行为的现场测试J.中国新技术新产品,2013(7):53-54.4史克友.车辆荷载作用下加筋土挡墙的力学响应分析D.湘潭:湖南科技大学,2017.5李思汉.模块式加筋土挡墙动力反应试验研究及数值分析D.防灾科技学院,2018.6袁朝阳.上部荷载作用加筋土挡墙性能的数值分析J.公路,2021,66(5):100-106.7刘华北.地震作用下模块式面板土工合成材料加筋土挡墙的内部稳定分析J.岩土工程学报,2008(2):278-283.8陈建峰,张琬.采用 K-刚度法设计的模块式加筋土挡墙数值模拟J.岩土工程学报,2017,39(6):1004-1011.9王鑫磊.高速铁路模块式加筋土挡墙理论研究与应用D.石家庄:石家庄铁道大学,2016.10 刘华北,汪磊,王春海,等.土工合成材料加筋土挡墙筋材内力分析J.工程力学,2017,34(2):1-11.11 张垭,汪磊,刘华北.面板倾角对模块式面板加筋土挡墙筋材内力的影响J.岩土工程学报,2017,39(9):1680-1688.12 刘波,韩彦辉.FLAC 原理、实例与应用指南M.北京:人民交通出版社,2005.13 中华人民共和国交通运输部.公路路基设计规范:JTG D302015S.北京:人民交通出版社,2015.14 陈忠达.公路挡土墙设计M.北京:人民交通出版社,1999.(上接第 107 页)参考文献1吴刚,冯德成.装配式混凝土框架节点基本性能研究进展J.建筑结构学报,2018,39(2):1-16.2谷伟,张馨心,李忠培,等.装配式框架结构新型梁柱节点抗震性能试验J.工业建筑,2019,49(5):57-61.3GAO Q,LI J,QIU Z,et al.Cyclic loading test for interior precast SRC beam-column joints with and 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