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预制管混凝土柱-梁中节点承载力分析(建筑)

预制管混凝土柱-梁中节点承载力分析(建筑)

                  丁红岩1,2  郭耀华1  张浦阳1,2  杨一飞1

1天津大学建筑工程学院,天津3000722天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津300072

[摘要]  为了得到受力性能最好的预制管混凝土柱-梁中节点结构形式,对其进行了四种形式的初步设计,并基于ABAQUS软件建立了各节点形式的有限元模型,对四种预制管混凝土柱-梁中节点及普通现浇柱-梁中节点进行了竖向和水平向承载力分析,分析中考虑了各柱.梁中节点形式的应力变化情况、破坏模式和承载力的异同。研究表明:梁纵筋贯穿式中节点、柱整体贯穿环梁式中节点和环梁整体贯穿立柱式中节点在竖向荷载作用下满足“强节点弱构件”的原则,且其受拉区在水平荷载作用下没有发生节点贯通。

[关键词]  预制管混凝土柱;柱-梁中节点;承载力

中图分类号:TU375.3  文章编号:1002-848X(2016)10-0080-07

0  引言

    目前对于装配式结构的研究主要集中在预应力拼接结构、装配式预应力混凝土框架、装配式钢结构及其节点的研究等。现阶段预制模板往往只是单一作为模板使用,其自身的力学功能没有得到较高的发挥,因此具有较大的性能浪费。预制混凝土模板作为一种较为新颖的模板形式,将模板材料改为预制混凝土材料,不需拆除模板,可作为结构永久性饰面。预制管混凝土柱的提出正是基于对预制管作为施工中的模板和受力结构双重考虑的,由外部的预制管和内部现浇的核心混凝土组成。预制管在预制场规模化生产成型,经吊装后在施工现场浇筑预制管核心区混凝土。预制管既充当核心混凝土模板又是重要的承重结构,核心现浇混凝土能较好地改善预制框架体系整体性能不足的特点,可以说预制管混凝土柱是一种本着施工快速化、结构高性能而产生的新型预制组合体系。

    -梁节点部位是结构受力的关键部位,目前对于预制管混凝土柱-梁节点的设计及研究较少。本文拟基于前期的一些理论及试验研究,并借鉴既有的结构节点,对此预制管混凝土柱-梁中节点形式进行初步设计,并对其竖向承载力展开研究,为预制管混凝土柱-梁中节点在实际工程中的应用提供借鉴。

1  预制管混凝土柱概念设计

    预制管混凝土柱由外部配有高强高密度螺旋钢筋的预制管和内部现浇核心混凝土两部分组成,外部预制管在工厂预制成型,运至现场后进行组装,然后再在现场进行内部核心混凝土的浇筑施工。此结构体系与钢管混凝土类似,但是钢管混凝土存在造价高、耐腐蚀性能差、耐高温性能差等缺点,而预制管混凝土柱则能够很好地克服以上缺点,同时在受力机理上与钢管混凝土柱又较为相似。与普通钢筋混凝土柱相比,由于外部预制管对内部核心混凝土的约束作用,柱子的整体承载力得到了提高,也减轻了结构的自重,对结构抗震性能是有利的。预制管混凝土柱依据横截面形状的不同可分为方形预制管混凝土柱和圆形预制管混凝土柱,如图1所示。

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    预制管混凝土柱是基于建筑结构免模板、快速化施工的市场需求下提出的,由于此新型结构涉及到高强度预制管和低强度内部核心混凝土在不同龄期共同受力的问题,而且新旧混凝土交界面处粘结性能及外部管柱对内部核心混凝土约束程度等诸多问题尚不明确,笔者自提出此预制管混凝土柱结构以来,基于理论、数值模拟和试验等方法对上述问题展开了系统的研究,如对预制管混凝土柱的轴心受压性能、抗震性能和施工方法等进行研究,部分试验现场实景如图2所示。试验结果表明,预制管混凝土柱的轴压性能和抗震性能均较好,且在相同条件下,由于外部预制管的约束作用,其受力性能要优于普通一次现浇混凝土柱。

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    从笔者前期的一些试验结果来看,外部预制管能够充当建筑施工模板,而且能够与内部核心混凝土共同受力,预制管混凝土柱在施工便捷性和构件层次上的受力性能是满足甚至优于设计初衷的。对于建筑结构来说,其整体受力性能也是必须考虑的问题,而框架结构的节点又是确保结构整体性能的关键部位。此新型预制管混凝土柱在节点部位需要现场装配和浇筑,因此节点部位的构造形式和施工方法是保证此部位质量的重要保障。基于节点快速施工和良好抗震性能的要求考虑,对预制管混凝土柱-梁节点构造形式和施工方法进行了相应的研究,提出了“型钢+锚栓”的柱-梁节点结构形式。施工过程为首先在工厂预制管和“型钢+锚栓”节点,然后在现场通过螺栓将预制管与“型钢+锚栓”节点连接起来,最后进行内部核心混凝土浇筑,具体施工现场实景如图3所示。

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    基于此“型钢+锚栓”节点,设计了框架边节点、中节点和脚节点试件进行抗震性能试验,并配有同尺寸的现浇混凝土试件进行对比分析,其部分试件现场试验如图4所示。

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    试验结果表明,预制管混凝土柱-梁节点满足“强柱弱梁”的构造要求,但是其抗震性能要略低于普通现浇混凝土柱-梁节点,究其原因可能是因为梁、柱仅通过螺栓连接到型钢节点上,连接措施较为薄弱;且在往复荷载作用下,预制管与端板部位产生了部分脱离现象,使得预制管混凝土柱没有充分发挥其性能。总体来说,预制管混凝土柱,梁“型钢+锚栓”节点基本满足结构抗震性能的要求,与普通现浇混凝土柱-梁节点抗震性能较为接近,但仍需对此节点部位的构造形式进行进一步的优化设计和试验研究。

2  预制管混凝土柱-梁中节点设计

    基于笔者前期对预制管混凝土柱及柱-梁节点的研究,为了寻找更为合理的柱-梁中节点构造形式,以确保预制管混凝土柱-梁中节点具有较大的刚度和良好的抗震性能,本文在考虑预制管混凝土柱自身特点的同时,借鉴了目前常用的钢管混凝土柱一梁中节点常用形式,提出了四种新的节点连接方式。为了对比这四种节点连接方式与普通现浇柱-梁中节点在受力性能上的差异,在此也设计了同尺寸的普通现浇混凝土柱,梁中节点作为对比模型进行分析。

    (1)梁整体贯穿式中节点

    这种节点构造形式是在柱-梁节点处保持梁的连续性,节点区域的钢筋和混凝土与梁体一致,在预埋立柱连接钢筋后,与梁体一体浇筑。预制管混凝土柱在节点处断开,纵向钢筋与梁体预埋钢筋焊接连接,如图5所示。

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    (2)梁纵筋贯穿式中节点

    此预制管混凝土柱.梁中节点构造形式是在节点处保持预制管混凝土柱的连续性,但是制作时需要在节点部位预留梁体纵筋通过的孔洞,之后再在现场进行梁体混凝土和预制管内部混凝土的浇筑。这种节点结构形式可以很好地保证预制管混凝土柱的竖向承载能力,并且由于梁体纵筋的贯穿,使得节点整体性能较好,如图6所示。

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    (3)柱整体贯穿环梁式中节点

    柱.梁中节点是结构受力的关键部位,工程中常常对柱.梁中节点部位采用多种方式的加强措施,在节点处设置环梁就是一种常用的加强措施。柱整体贯穿环梁式节点是指在节点处保持预制管混凝土柱的整体性,梁体纵筋不直接贯穿预制管混凝土柱,而是环向包裹预制管混凝土柱,具体构造如图7所示。这种节点形式不仅没有使预制管混凝土柱一梁中节点处刚度减弱,反而由于环梁的存在增强了节点整体刚度。

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    (4)环梁整体贯穿立柱式中节点

    此节点形式是在柱.梁中节点处保证环梁及主梁的整体性,预制管混凝土柱在节点处断开。环梁及梁体的钢筋整体贯穿立柱钢筋,且与立柱预留钢筋交叉在一起,环梁、梁体和预制管柱内部混凝土整体浇筑,从而增强了节点部位的刚度和整体性,具体构造如图8所示。

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(5)普通现浇柱-梁中节点

作为对比模型,设计了同材质、同尺寸的普通现浇柱-梁中节点,即在现场绑扎好梁柱钢筋,搭设模板后对梁、柱和柱-梁节点进行一体浇筑,具体结构形式如图9所示。

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3  有限元分析

3.1有限元方法验证

    采用ABAQUS软件对上述五种节点进行受力分析,钢筋的本构模型使用了PQ-Fiber子程序中的单轴滞回本构模型,混凝土本构模型采用ABAQUS软件提供的混凝土塑性损伤模型( Damagedplasticity model for concrete)。模型中所有钢筋均采用了螺纹钢筋,采用Embedded方法将钢筋嵌入到混凝土中,为了简化计算,此次分析中均不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。

    预制管混凝土柱需要在工厂内预制外部混凝土管,到现场再进行内部核心混凝土的浇筑,因此涉及到新旧混凝土粘结强度及整体性问题,对于此问题,常采用在接触面设置弹簧单元和在接触面设置摩擦系数等方法解决,本文采用在接触面设置摩擦系数来考虑预制管与后浇核心混凝土之间的粘结滑移关系。模型中梁、预制管和内部核心混凝土均采用八节点减缩积分格式的三维实体单元( C3D8R),梁与柱内的钢筋均采用两节点的三维线性杆单元( T3 D2)

    为了验证此分析方法的可行性与准确性,此处以课题组之前进行的图4中方形预制管混凝土柱一梁边节点试验为例,对比数值模拟结果与试验结果的差异,分析结果如图10所示。从图10可以看出,数值模拟结果中的滞回曲线要比试验结果更为丰满,这是由于数值分析软件中的本构关系很难完全与混凝土这种非均质材料的损伤破坏机理相符合。同时从图10中还可以看出,屈服荷载和极限荷载的数值模拟结果与试验结果极为接近,误差在6. 53%以内,说明此分析方法可以较为准确地模拟结构的实际受力情况。

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3.2节点有限元模型

    采用ABAQUS软件对上述五种节点形式进行足尺建模分析,节点尺寸均为7. 2m×7.1m,梁截面尺寸为300mm×700mm,预制管外径为600mm,壁厚为80mm;钢筋均为HRB335级,梁体及预制管内部后浇核心混凝土强度等级均为C30,外部预制管混凝土强度等级为C60

    采用上述有限元方法对五种节点进行建模,并对其进行结构化网格划分,由于建模方法相同,此处仅以一个柱.梁中节点有限元模型为例进行说明,如图11所示。

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4  节点竖向承载力分析

4.1节点应力

    各节点在竖向压力作用下具有相似的受压性能,此处以梁纵筋贯穿式中节点为例进行说明,其预制管、核心混凝土及钢筋的应力变化曲线如图12所示(钢筋的实际应力是图中数据的10倍)。从图12可以看出,结构应力变化曲线可明显分为三个阶段,即弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。在弹性阶段,预制管、核心混凝土及钢筋的应力均随着轴向位移的增加而增大;随着轴向位移的增大,钢筋首先屈服,随后内部核心混凝土在达到最大应力值之后压溃破坏,最后随着外部预制管的破坏结构竖向承载力急剧下降。结构受压破坏始于钢筋的屈服,最终以外部预制管的破坏而告终,整个过程具有较好的延性,且最大程度地发挥了材料的作用。从图12中还可以看出,由于预制管及内部钢筋的存在,其套箍效应对内部核心混凝土的抗压强度有一定程度的提高。

预制管混凝土柱-梁中节点承载力分析(建筑)4421.png预制管混凝土柱-梁中节点承载力分析(建筑)4422.png预制管混凝土柱-梁中节点承载力分析(建筑)4423.png预制管混凝土柱-梁中节点承载力分析(建筑)4424.png预制管混凝土柱-梁中节点承载力分析(建筑)4425.png 

    在弹性阶段,由于外部预制管混凝土强度等级为C60,内部核心混凝土强度等级为C30,结构在相同应变情况下,预制管的应力要更大一些,如图13所示。从图13可以看出,梁整体贯穿式中节点由于梁体和预制管内部核心混凝土采用一体浇筑,具有较好的整体性,在竖向荷载作用下,节点处应力分布较为均匀;竖向荷载作用下节点部位有着较为明显的应力过渡;梁纵筋贯穿式中节点由于在预制管上预留了孔洞,在此部位有一定的应力集中;柱整体贯穿环梁式中节点和环梁整体贯穿立柱式中节点由于在节意部位有环梁,两者在竖向荷载作用下应力水平均较低;普通现浇柱-梁中节点由于采用了同一强度的混凝土,除节点部位梁体分散一部分应力外,其余部位应力分布较为均匀。

4.2破坏模式分析

    随着竖向压力的不断增大,钢筋、内部核心混凝土和外部预制管先后进入屈服阶段,最终以结构局部混凝土压碎而丧失承载能力,各节点在受竖向荷载作用下破坏时的应力云图如图14所示。从图14可以看出,梁整体贯穿式中节点由于节点部位混凝土强度较低,使得节点在受压时先于其他部位破坏,违背了“强节点弱构件”的框架结构设计原则,需要对此部位进行适当的加强处理;梁纵筋贯穿式中节点在开孔部位存在一定的应力集中,但是节点部位梁体纵向钢筋和预制管的存在使得压碎区出现在节点上下部位的预制管柱上;柱整体贯穿环梁式中节点和环梁整体贯穿立柱式中节点均由于环梁在节点部位的加强作用,破坏时混凝土压碎区域未在节点部位出现,而出现在下立柱中间部位;普通现浇柱-梁中节点由于各部位的混凝土强度等级一致,节点部位具有较好的整体性,受压破坏时的压碎区域也避开了节点部位,而位于下立柱下部。

4.3竖向承载力分析

    为了研究各节点在竖向荷载作用下承载力的异同,从各节点分析结果中提取了结构的竖向荷载-位移曲线,如图15所示。从图15可以看出,四种预制管混凝土柱.梁中节点的竖向极限承载力基本都在7 500kN左右,而普通现浇柱-梁中节点竖向极限承载力约为6 500kN,说明初步设计的四种预制管混凝土柱-梁中节点并没有对柱-梁中节点竖向承载力造成“削弱”,反而由于强度较高的预制管的存在,使节点竖向承载力提高了15. 38%。单就竖向承载力考核指标而言,这四种预制管混凝土柱-梁中节点的设计是成功的,但由于梁整体贯穿式中节点首先在节点处发生压碎破坏,因此应避免此种节点形式的使用。

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5  节点水平承载力分析

5.1破坏模式分析

    各节点在水平荷载单独作用下,其受力模式基本相同,在柱-梁节点区形成了斜拉区和斜压区,斜压区主要由此区域内的混凝土传递剪力,斜拉区则主要靠节点部位的钢筋和混凝土共同传递剪力。由于混凝土抗拉强度要远小于其抗压强度,随着水平荷载的不断增大,受拉区内混凝土和钢筋先后屈服,节点部位伴随着受拉区的断开而最终破坏。水平荷载作用下,各节点最终破坏时应力云图如图16所示。从图16可以看出,各节点均始于受拉区混凝土受拉破坏,而各节点受拉区是否贯通则有着一定的差异。在节点区域保持预制管混凝土柱连续性及完整性的柱整体贯穿环梁式中节点没有发生受拉区的贯通,而在节点断开的梁整体贯穿式节点则在节点部位形成了贯通的受拉区。梁纵筋贯穿式中节点由于在预制管的节点部位进行了开孔,使得节点在水平荷载作用下破坏时,在开孔部位形成了应力集中,最终导致了此部位的内部核心混凝土也发生了受拉破坏。从上述分析可以看出,在进行柱,梁中节点结构形式设计时,一定要保证预制管的完整性,这样才能最大程度地保证节点的水平承载力。

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5.2水平承载力分析

    为了研究各节点在水平荷载作用下承载力的异同,从各节点分析结果中提取了结构的水平荷载-位移曲线,如图17所示。从图17可以看出,四种预制管混凝土柱-梁中节点的水平极限承载力基本都在50kN左右,且曲线的发展趋势基本相同,均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。各节点屈服荷载均在35kN左右,对应的屈服位移均在6mm左右,梁整体贯穿式中节点的屈服荷载最小。从上述分析可以看出,初步设计的四种预制管混凝土柱-梁中节点水平承载力差别较小,且与普通现浇柱-梁中节点水平承载力基本相同,能够满足设计要求。

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6  结论

    对预制管混凝土柱.梁中节点连接方式的研究背景进行了综述,并基于前期的研究成果,提出了四种预制管混凝土柱-梁中节点,之后基于ABAQUS软件对四种节点及普通现浇柱-梁中节点进行了建模分析,对比了各节点的竖向和水平承载力,得到以下主要结论:

    (1)四种预制管混凝土柱-梁中节点在竖向荷载作用下,均经历了钢筋屈服、内部核心混凝土压碎、外部预制管混凝土柱压碎破坏三个阶段,都具有较高的延性。

    (2)梁整体贯穿式中节点在竖向荷载作用下,压碎破坏区域发生在节点部位,其余结构形式节点受压破坏区域均避开了节点部位。

    (3)四种预制管混凝土柱.梁中节点与普通现浇柱-梁中节点相比,由于强度较高的预制管的存在,竖向极限承载力提高了15. 38%

    (4)节点区预制管对节点水平荷载作用下的破坏形态有着较大的影响,在节点设计时应保证预制管的连续性和完整性。

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