0 引言

　　近年来，住房和城乡建设部发布了一系列装配式建筑发展文件，都明确表达我国各地区要大力推进预制装配式混凝土结构，要求2020年我国装配式建筑要>15%。然而，即使在2020年，我国装配式建筑的体量占据建筑总体量的15%左右，与欧美及日本等国家在装配式建筑占比和研究成果方面相比仍存在很大差距。

　　我国现阶段对建筑的需求量较大，因此为了改善传统建筑的建造方式和建筑品质，我国很多学者对预制结构进行了一系列研究。2004—2005年，范力等研究了梁柱节点处采用螺栓和橡胶垫连接的单层3跨混凝土框架结构的抗震性能和破坏形式。2010年，韩建强等对现浇框架和预应力拼装框架进行了拟静力试验研究。2018年，胡小强在混合连接梁柱节点的基础上，提出基于分阶段屈服装配式混合连接框架节点，并利用数值模拟方法分析了节点区域的整体受力性能。

　　因此，发展住宅工业化是我国的必经之路，而节点抗震性能的不确定性是限制我国发展住宅工业化道路的最大阻碍，所以我国急需解决梁柱节点的抗震技术以便促进装配式建筑的发展。

　　1 试件概况

　　新型装配式梁柱节点的设计基本尺寸如图1所示，新型节点有6个主要部件，即上柱、带牛腿下柱、左梁、右梁、型钢、螺栓。利用螺栓将梁、型钢和柱连接，一方面可增强节点连接整体性，另一方面型钢可提高节点的延性和承载力。上柱与下柱采用灌浆套筒连接，采用此种连接一方面是因为国内拥有行业规范，另一方面是因为这样的连接方式已被证明是一种可靠的机械连接方式。

　　

　　图1 装配式节点构造和配筋 

　　 

　　新型全装配式梁柱节点柱截面尺寸为400mm×400mm，混凝土强度等级为C40，并配置8根20纵筋，强度等级为HRB400;柱的箍筋在非加密区和加密区的间距分别为200mm和100mm，其直径为8mm，强度等级为HRB300。梁截面尺寸为300mm×400mm，混凝土强度等级为C30，并配置4根20纵筋，强度等级为HPB300;其箍筋在非加密区和加密区的间距分别为200mm和100mm，其直径为8mm，强度等级为HPB300。但为了加强缺口梁部位的受力，在此部位的箍筋采用50mm间距。

　　混凝土与钢筋的模拟参数如表1,2所示，螺栓和型钢模拟参数如表3所示，节点配筋和结构如图1所示。

　　  

　　表1 混凝土材料参数 

　　 

　　 

　　MPa

　　

　　  

　　表2 钢筋材料参数 

　　 

　　 

　　MPa

　　

　　  

　　表3 螺栓和型钢材料参数 

　　 

　　 

　　mm

　　

　　本文主要是针对4个不同轴压比的现浇节点和装配式节点进行数值模拟，具体情况如表4所示。

　　  

　　表4 现浇节点和装配式节点轴压比 

　　 

　　 

　　

　　2 有限元建模

　　2.1 混凝土本构模型

　　1)本文选用混凝土单轴受拉应力-应变曲线是根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)进行计算，其曲线关系如图2所示，计算式如下:

　　

　　图2 混凝土单轴应力-应变曲线 

　　 

　　

　　 

　　式中:a_t为混凝土单轴受拉应力-应变曲线下降段的参数值;f_t,r为混凝土单轴抗拉强度代表值，在f_t,r计算式中，由于没有试验取值f_cu，因此取规范中混凝土立方体标准抗压强度;ε_t为与单轴抗拉强度f_t相应的混凝土峰值拉应变;d_t为混凝土单轴受拉损失演化参数。

　　2)混凝土单轴受压应力-应变曲线本文选用的应力-应变曲线关系是根据《混凝土结构设计规范》进行计算，其曲线关系如图2所示，计算式如下:

　　

　　 

　　

　　 

　　式中:a_c为单轴受压应力-应变曲线下降段参数值;f_c,r为混凝土单轴抗压强度代表值，在f_c,r计算式中，由于没有试验取值f_cu，因此取规范中的混凝土立方体标准抗压强度;ε_c,r为与单轴抗压强度f_c相应的混凝土峰值压应变;d_c为混凝土单轴受压损失演化参数。

　　3)混凝土损伤因子确定本文损伤因子通过Sidoroff提出的等能量原理来计算，该原理认为Cauchy应力张量可通过有效应力张量代替，并且假定混凝土在弹性阶段的余能和无损材料在弹性阶段的余能在形式上没有本质的变化，因此混凝土损伤因子可按下式计算:

　　

　　 

　　4)混凝土非弹性应变确定ABAQUS中拉压非弹性应变的选取并非是理论上混凝土塑性阶段的应力-应变，通常将屈服应力及塑性变形作为非弹性阶段的应力-应变，具体情况如图3,4所示，计算公式如下:

　　

　　图3 混凝土单轴拉伸应力-应变关系 

　　 

　　

　　图4 混凝土单轴压缩应力-应变关系 

　　 

　　

　　 

　　

　　 

　　2.2 钢材本构模型确定

　　经对比分析，钢筋本构模型采用潘鹏等编辑的混凝土和钢筋本构插件，其插件是他们根据ABAQUS本身的特性和RC组合材料的特性研发的滞回本构关系，最终选用该插件的Usteel02钢筋本构模型。

　　如图5所示，其主要特点为反向第2次加载过程中未立刻达到过程最大位置(ε_max,f_max)，而是加载至过程最大位置应力的0.2倍，即0.2 f_max，再达到过程最大位置。此本构模型不仅考虑RC构件在加载过程中产生的积累损伤，而且还考虑RC构件在加载过程中产生的承载力退化，其具体表达式如下:

　　

　　图5 钢筋反向再加载规则 

　　 

　　

　　 

　　式中:f_yi为加载到i圈时模拟构件的屈服强度;α为屈服后刚度系数;E_eff,i为加载到i圈时结构构件的有效积累滞回耗能;E_i为加载到i圈时结构构件的滞回耗能;ε_i为加载到i圈时结构构件所达到的最大应变;ε_f为RC结构构件在单调加载下结构破坏时受拉钢筋对应的应变。

　　在此型钢和螺栓采用双线性强化模型，由图6可知，其材料的本构模型由线弹性阶段和应力强化阶段组成。但这2个阶段的弹性模型有一定区别和联系，通常图中的E₀代表线弹性阶段斜率，即这个阶段的弹性模量，而0.01E₀代表结构在受力时应力强化阶段的弹性模量。在此将型钢和螺栓的泊松比取值为0.3。

　　2.3 节点单元确定和网格划分

　　本模型的混凝土、螺栓和型钢采用六面体二次减少积分单元来进行网格划分，即C3D8R单元。本模型中缺口梁部分的抗剪钢筋采用梁B31单元，而其他部位钢筋采用三维2节点的线性桁架单元T3D2来模拟。因此，在此经多次试算，预制混凝土梁和柱采用网格尺寸为50mm，现浇混凝土网格尺寸为85mm，具体划分如图7所示。

　　

　　图6 L型钢和螺栓本构模型 

　　 

　　

　　图7 现浇节点与装配式节点模拟试件网格划分结果 

　　 

　　2.4 接触关系

　　柱和梁的纵筋与箍筋所组成的钢筋笼采用Embed命令(内置命令)直接嵌入梁柱混凝土中，预制上柱和下柱连接在此采用tie约束(绑定命令)，梁端和柱端的加载垫块全部与相应的接触面进行tie约束，但除以上接触外，螺栓和型钢与梁或柱之间的面-面的切向采用罚接触，法向采用硬接触。

　　2.5 分析步及加载制度

　　根据实际情况，本次装配式节点的模拟共设置4个分析步。Initial分析步用于设置模型的边界条件和接触关系，Step1分析步用于设置螺栓预紧力，Step2分析步用于设置节点的轴力加载，Step3分析步用于设置梁端加载拟静力模拟。本文依照JGJ/T101—2015《建筑抗震试验规程》中梁端加载方式对梁柱节点进行加载模拟，并且为了对比现浇节点和装配式节点各性能，采用位移角控制的方法进行加载，每一级位移角幅值循环2次，如图8所示。

　　

　　图8 梁端位移加载制度 

　　 

　　3 抗震性能分析

　　3.1 滞回曲线与耗能

　　新型梁柱节点是在梁端进行的低周往复加载模拟，因此取梁端加载点的位移和反力作为结构的滞回曲线，4个现浇模型滞回曲线对比和4个装配式节点在相同轴压比下的曲线对比如图9所示。

　　参考《建筑抗震试验规程》的建议，采用能耗散系数对试件耗能性能进一步分析，各模型计算耗能数据如图10所示。

　　在相同轴压比下，当进行第1级加载时，现浇节点和装配式节点基本上是线弹性，卸载后几乎没有残余应变，并且随着加载级数的增加，现浇节点和装配式节点均进入屈服阶段，各滞回曲线由开始的陡峭变为趋于平缓，同时XJ节点和ZP节点的滞回曲线形状都相对饱满，说明ZP节点在地震作用下也能较好地吸收地震能量，而ZP节点捏缩现象比XJ节点更明显，说明ZP节点耗能也稍弱于XJ节点。由图10可知，虽在最后一级加载情况下，XJ节点的耗能比装配式节点仍然好，但现浇节点耗能开始呈现下降，而ZP节点要么下降但比XJ节点耗能下降更慢，要么现浇节点耗能开始呈现下降而装配式节点耗能仍呈现上升趋势。

　　

　　图9 各滞回曲线对比 

　　 

　　

　　图1 0 各耗能系数曲线对比 

　　 

　　

　　图1 1 各骨架曲线对比  

　　 

　　

　　图1 2 各刚度退化曲线对比 

　　 

　　3.2 骨架曲线

　　骨架曲线通常是将荷载-位移曲线中的每级加载的第1圈滞回环的最大荷载点相连得到的曲线。具体各模型如图11所示。各骨架曲线的变化趋势均呈S形，且在各轴压比下，当进行第1级加载时现浇节点和装配式节点的骨架曲线两者相差不大，而进入弹塑性阶段时，装配式节点的承载力均略大于现浇节点。

　　3.3 现浇构件与装配式构件延性对比分析

　　通常结构部件的非弹性变形利用延性来表示，并且延性系数的大小可衡量结构部件的变形能力，延性系数越大，结构变形能力越好，反之则越差。结构部件的位移延性系数的数值通常表示为极限位移与屈服位移之比，具体计算结果如表5所示，其中μ_Δ为延性系数;Δ_μ为极限状态下的位移，在此;Δ_y为屈服状态下的位移，在此。

　　由表1可看出，节点在梁端往复加载情况下，现浇构件和装配式构件的延性系数均在3.0左右，因此均表现出良好的延性，并且现浇节点和装配式节点在不同轴压比下，其延性系数相差不大，说明轴压比对梁端加载低周往复模拟时对延性影响不大。同时，在相同轴压比下，装配式节点的延性系数均大于现浇节点，因此可知由于型钢和螺栓的作用提高了节点延性。

　　  

　　表5 位移延性系数 

　　 

　　 

　　

　　注:f_max,P_-μ为曲线的极限正、负向荷载;为曲线的极限正、负向位移绝对值;P_+y,P_-y为曲线的极限正、负向屈服荷载;为曲线的极限正、负向屈服位移绝对值

　　3.4 现浇构件与装配式构件刚度退化对比分析

　　根据《建筑抗震试验规程》的建议，试件的刚度可用割线刚度来表示，各模型的刚度退化曲线如图12所示。由图12可知，0.2,0.25,0.31,0.4轴压比下的现浇节点刚度退化曲线整体上相似，在加载初期，现浇节点的刚度退化明显大于装配式节点，在加载中后期，两者的刚度退化都放缓;整体来看，现浇节点的刚度退化大于装配式节点。

　　4 结语

　　通过对不同轴压比下的现浇梁柱节点和装配式梁柱节点在梁端加载时的拟静力数值模拟分析可得到以下结论。

　　1)现浇节点和新型装配式节点的滞回曲线形状都相对饱满，都能在地震作用下较好地吸收地震能量，而新型装配式节点捏缩现象比现浇节点更明显。在相同轴压比和本模拟的加载级数下，现浇节点的耗能比新型装配式节点好。

　　2)在相同轴压比下，新型装配式节点的承载力略高于现浇节点的承载力。同时，节点在梁端往复加载情况下，各节点均表现出良好的延性，并且轴压比对梁端加载低周往复模拟时，对节点的延性影响不大。同时可知，型钢和螺栓作用提高了节点延性。

　　3)在相同轴压比下，现浇节点刚度退化曲线整体上相似，但新型装配式梁柱节点的刚度退化比现浇梁柱节点的刚度退化慢。