基于有限元的装配式建筑柱梁叠加预应力节点受力分析

时间：2022-01-18 16:45:49 来源：中国住宅设施

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摘　要：为了验证新型装配式端部柱梁节点锚固构造的可靠性和力学性能，采用有限元进行建模，分析采用叠加预应力技术的柱梁节点在重复荷载作用下，混凝土和钢筋的应力状态、混凝土开裂损伤情况以及节点滞回性能。通过受力分析，新型节点在增强连接可靠性的同时，能够有效保证节点抗震性能，为装配式构件连接提供可靠技术路径。

引言

装配式建筑技术应用从初期的叠合板扩展到现在的预支梁、预制注、叠合板和预制墙等，预制构件之间连接方式也有多种，预制柱和预制梁的节点连接尤为重要，其连接强度和可靠性直接影响着整体结构安全和抗震性能。随着装配式建筑在体量和高度方向发展，对关键连接节点的强度和抗震性能要求更高，传统的柱梁节点锚固方式应用范围受限，需要研究开发新型柱梁节点锚固构造和施工工艺。

1 装配式柱梁节点型钢叠加预应力技术

传统的柱梁节点连接方式有牛腿支设上部现浇、梁体模架支设上部现浇、柱体预设侧向凸出部分与梁锚固等形式，在规范施工作业前提下能够满足强度要求，但负弯矩区受力性能受连接处混凝土界面影响。

为提高柱梁节点连接可靠性和负弯矩区受力性能，设计了针对端部柱梁节点的型钢叠加预应力连接工艺，总体思路是在常规柱梁节点连接基础上，在柱内预设型钢作为预应力筋锚固端，在预制梁体上部区域叠加预应力筋并采用锚板锚固在梁体内，柱体两端张拉可采用交错张拉方式，形成新型节点锚固构造。在连接锚固新技术应用前，结合有限元软件建模分析来验证新型柱梁节点的受力和滞回性能。

2 节点构造说明

选取装配建筑端部柱梁节点作为分析对象，框柱和梁体尺寸和配筋如图 1 所示，梁 A 柱体前端梁体，梁 B 为柱体两侧边梁，梁体嵌入柱子 50mm 用以在施工中简易搁置梁体，钢筋采用 HRB400，柱体的混凝土强度等级为 C50，梁体的混凝土强度等级为C40。对梁 A 上部中间两根预设预应力钢筋（沿梁方向为半跨范围）施加预应力，预应力钢筋锚在预制柱内的预埋 T 型钢上，钢材型号为 Q235。

采用 abaqus 建立三维几何模型，考察该节点在循环往复荷载作用下，混凝土和钢筋的应力状态及混凝土开裂损伤情况以及节点滞回性能。

3 节点有限元建模

在 ABAQUS6.14-4 中建立节点有限元模型，混凝土采用实体单元 C3D8R 模拟、钢筋采用 TRUSS 单元 T3D2 模拟、型钢采用壳单元 S4R 模拟；整体建模分析有限元网格划分如图 2 所示。边界条件设置为柱底固定，梁端为铰支形式。

3.1 材料本构

预应力钢筋采用线弹性材料模拟，混凝土材料采用弹塑性损伤模型，当混凝土材料进入塑性状态后，其拉、压刚度降低，混凝土受拉、受压损伤系数分别由 dt 和 dc 表示；反复荷载下材料拉、压刚度的恢复如 3，当荷载从受拉变为受压时，混凝土材料的裂缝闭合，抗压刚度恢复至原有的抗压刚度；当荷载从受压变为受拉时，混凝土材料的抗拉刚度不恢复；混凝土材料轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 表 4.1.3 采用，柱体 C50 混凝土轴心抗压强度标准值为 32.4MPa，轴心抗拉强度标准值为 1.89MPa，梁体 C40 混凝土轴心抗压强度标准值为 19.1MPa，轴心抗拉强度标准值为 1.71MPa。

分析中，采用二折线动力硬化模型模拟钢材在反复荷载作用下的 σ − ε 关系，钢材的弹性模量为 Es，强化段的弹性模量为 0.01Es。程序中考虑了在反复荷载作用下，钢材的包辛格（Bauschinger）效应。

3.2 加载制度

主要分析节点在分析循环往复荷载下的受力性能，加载过程如下：（1）施加预应力施加 588Mpa 的预应力。（2）施加轴压以 0.3 为轴压比控制值，在柱顶施加轴向压力 N。N=0.3**fc*A= 0.3*23.1*1000*0.6*0.6=2494.8kN。（3）施加循环往复荷载保持轴压不变，在柱顶施加 X 向循环往复位移荷载，直至构件破坏，其中每级荷载取 1.5mm，往复 3 次。

4 有限元分析结果

4.1 施加预应力后钢筋和混凝土受力状态

对有限元模型施加预应力后，钢筋和混凝土受力情况如图4 所示，从应力云图可见节点前端梁体在上部通过型钢锚固叠加预应力后局部在自然状态下得以抗拉性能增强，有利于后期承载受拉。

4.2 滞回曲线和骨架曲线

节点区域叠加预应力后，根据模型分析结果，当柱顶 X 向位移加至 7.5mm 时，反力达到最大，加至 10.5mm 时，混凝土提供的抗力不在增加，反力达到极小值，滞回曲线和骨架曲线如图5 所示。

4.3 反力最大、最小时钢筋及混凝土受力状态

分析反力最大时各构件的受力情况，反力最大时构件中钢筋总体处于弹性工作阶段，柱、梁 A、梁 B 最大钢筋应力分别为392.5 mPa、446.5 mP a、394.1 mP a。经过反力最大时混凝土受压损伤、受拉损伤分析，柱和梁 A 均在一定范围出现了明显的受压损伤，梁 B 局部出现了受压损伤。柱、梁 A、梁 B 均出现了明显的受拉损伤。

反力达到极小值时节点附近柱钢筋明显进入塑性，柱钢筋中度至重度损坏。梁 A 跨中部分钢筋进入塑性，轻度损坏。梁 B 总体处于弹性工作状态。柱、梁 A、梁 B 最大钢筋应力分别为 415.8mPa、457.7mPa（含预应力筋）、393.7mPa。通过混凝土受压损伤、受拉损伤分析，柱节点区域上部和梁 A 均出现了明显的受压损伤，梁 B 出现了轻度受压损伤。柱、梁 A、梁 B 均出现了明显的受拉损伤。由梁柱钢筋和混凝土损伤情况可以看出，首先破坏的区域出现在梁以及柱节点上部，节点区域损伤相对较轻，构件满足了强节点弱杆件的设计要求。

结语

选取装配式建筑端部柱梁节点作为有限元分析对象，该新型节点通过在节点区域采用 T 型型钢锚固叠合预应力技术，预应力锚固设置在梁端上部负弯矩区域，旨在增强节点连接可靠性和负弯矩区受力性能，同时改善节点区域的抗震性能。通过对新型端部连接节点建模分析，预应力装配式节点耗能能力和延性强，能够满足较高的抗震性能要求，同时了满足强节点弱杆件的设计要求。

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