预应力拼接式框架节点抗剪性能数值模拟研究

伏立志

（北京建工四建工程建设有限公司，北京 100024）

1 引言

近年来，在绿色建筑思想和建筑工业化理念的推动下，装配式混凝土结构在我国迎来了新的发展热潮[1]。JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》、GB/T 51231—2016《装配式混凝土建筑技术标准》、GB/T 51129—2017《装配式建筑评价标准》等对推进装配式混凝土组合结构在我国工程建设中的应用均有一定的推动作用。建筑平面布置灵、易于标准化、预制率高、应用范围较广等是装配式混凝土结构的优点，装配式混凝土框架结构是装配式结构中研究和应用较为广泛的结构体系，其主要可分为以下3 种形式：整体式装配框架结构；预应力拼接式框架结构；全装配式框架结构。

2 常用装配式框架节点优缺点分析

2.1 整体式装配框架节点

2.1.1 梁-柱节点

梁-柱节点对整个框架结构的抗震性能有至关重要的影响。梁-柱节点的连接方式可分为以下几类[2]：搭接连接或钢筋锚固；灌浆套筒连接；焊接连接；螺栓连接。

2.1.2 梁-梁节点

装配式混凝土框架结构的梁-梁连接是指预制混凝土梁之间在水平方向上的连接，叠合梁连接是梁-梁连接的主要连接方式。混凝土叠合梁具有整体性好、经济效益高等显著优点，作为装配式结构中重要的水平构件，其在混凝土框架结构中的应用也较为常见。然而，虽然采用叠合梁连接可以有效提高结构的整体性，但叠合梁施工工艺较为烦琐，施工难度较大。这就导致其施工速度会明显降低。另外，连接段的混凝土施工极易导致新老混凝土接缝处开裂等问题，使叠合梁连接方式在装配式混凝土中的应用存在很大的局限性。

2.1.3 柱-柱节点

柱是框架结构中的重要构件，其不仅要承受竖向荷载的作用，还要承受一定的水平荷载。对于装配式框架结构，柱-柱之间的连接应受到高度重视。目前，国内外学者按施工工艺将柱与柱之间的连接方式分为干式连接和湿式连接两种。一般来讲，干式连接无须浇筑混凝土，采用螺栓连接、焊接连接等方式即可。湿法连接则需要在对钢筋进行锚固或焊接后再浇筑混凝土来完成构件之间的连接，其最为常见的方式主要有套筒连接、榫式连接和浆锚连接3 种。不难看出，湿式连接施工工艺较为复杂、烦琐，其应用范围没有干式连接广泛。

2.1.4 梁-板节点

楼板是建筑结构中重要的受力构件，其性能对结构受力性能有很大的影响。对于装配式混凝土框架结构，一般情况下采用叠合板与混凝土梁连接。现有的研究报道中，对于节点连接方式整体性能的研究较少。目前普遍认为，装配式梁-板抗震性能与现浇节点的抗震性能相近。

2.2 全装配式框架节点

采用干式连接的节点形式称之为全装配式框架结构节点。将连接件埋在预制构件中，拼接时利用焊接或者螺栓对构件的预埋连接件进行连接的施工方式称之为干式连接。一般情况下，采用干式连接方法不用浇筑混凝土，这就在很大程度上缩短了施工周期。通过合理的干式连接可以提高结构的抗震性能。但是目前针对全装配式框架节点的抗震性能研究较少，这也就导致该连接技术的应用相对较少。

2.3 预应力拼接式框架节点

预应力装配式框架结构梁-柱节点利用预应力的夹持效应来拼接梁、柱。就现有的研究来看，采用预应力进行装配的梁-柱节点均具有强度高、刚度大以及延性好的优良特点，在地震作用下其构件的破坏程度相对较小，而且预应力结构震后残余变形小，具有良好的恢复能力。总体来看，目前，虽然有学者已经提出了利用部分预应力混凝土的概念，但造价成本较高，其经济性差。

3 预应力拼接式框架节点抗剪性能数值模拟

3.1 单元选择

为研究预应力钢筋-混凝土拼接式框架节点的抗震性能，本文采用ABAQUS 有限元分析软件对某拼接式框架节点进行力学性能分析。根据本研究讨论的重点，ABAQUS 有限元分析中混凝土采用根据实体单元建立模型，并采用C3D8R（减缩积分八节点线性六面体单元）单元进行网格划分。钢筋均采用桁架单元建模，但综合考虑计算工作量和模拟效果后，决定耗能钢筋与抗剪钢筋选择C3D8R 单元划分网格，而普通钢筋及预应力钢筋选用T3D2（两结点三维桁架单元）进行网格划分。其桁架单元与实体单元之间接触面采用Embed（内置区域）约束。

3.2 网格划分

混凝土预制梁柱和混凝土预制梁的网格尺寸为50 mm，网格划分如图1a 所示。钢筋笼框架网格划分如图1b 所示。

3.3 边界条件及加载

有限元模型边界约束条件如图1c 所示，柱底约束U1、U2、U3，柱顶约束U1、U3，这样使模拟效果与实际效果更为接近。另外，在模型节点的柱顶部位需施加压力模拟其受轴压作用，预制梁自由端施加往复荷载模拟拟静力分析，且节点模型预应力采用降温法的方法施加。

图1 预应力拼接式框架节点抗剪性能数值模拟

4 抗剪性能计算结果分析

为提高模拟效果的可靠性，对抗剪钢筋配筋率不同的框架节点进行模拟分析，通过采用直径分别为14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 与25 mm 的抗剪钢筋建立拼接式框架节点模型来计算其配筋率。

本次研究建立模型较多，考虑到钢筋、混凝土应力分布情况较为相似，以其中3 个模型（直径分别为14 mm、16 mm、18 mm 的模型KJJ 14、KJJ 16、KJJ 18）分析进行分析，应力分析结果以模型KJJ 14 为例，如图2 所示。从图2 可以看出，模型的最大应力主要在梁柱交界处，而混凝土梁核心区的应力较小，由此证明此种节点抗剪破坏主要位置在交界面处，核心区得到了一定的保护。

图2 模型KJJ 14 应力云图

5 结语

与现浇混凝土框架结构体系相比，装配式混凝土框架在性能上有很大优势，且其还有施工时间短、施工工艺简单和可按批次预制等优点。本文列举了国内外装配式混凝土框架节点的常见连接方式，并分析了各连接方式的优势和局限性。由于预应力拼接式框架节点具有强度高、刚度大以及延性好的优良特点，重点对此类节点建立抗剪性能数值模拟，并分析不同抗剪钢筋配筋率对性能的影响研究分析。另外，相关设计在保证建筑物的安全性的同时还要考虑工程应用的经济性，有助于控制造价。