装配式框架梁柱暗牛腿角钢连接节点受力性能研究

装配式框架梁柱暗牛腿角钢连接节点受力性能研究

李坤宇 

杭州亚运村建设有限公司  杭州市  310020

摘要：随着建筑产业的飞速发展，装配式结构也是近年来国家大力发展的结构形式，也是建筑业可持续发展的重要组成。相比于传统的现浇结构，装配式结构具有生产效率高、环保效果好、质量稳定、施工周期短、劳动力需求较低等优点，但其整体性和抗震性能不佳。对于装配式混凝土框架结构，梁柱连接节点对结构抗震性能起到决定性作用，而装配式框架梁柱暗牛腿角钢连接节点作为一种新型节点连接形式，通过试验表明其具有良好的抗震性，为进一步研究该节点的受力性能，本文基于ABAQUS有限元软件对该装配式节点的受力性能进行数值模拟分析，在低周反复荷载作用下进行试验，建立该装配式节点的有限元模型，并通过对比发现试验与模拟基本吻合，验证了试验参数对试件受力性能的影响，对实际工程领域具有一定的参考作用。

关键词：数值模拟；装配式节点；受力性能；有限元模拟

Study on Mechanical Properties of Assembled Frame Beam-column Dark Corbel Angle Steel Connection Joints

Abatract：With the rapid development of the construction industry, prefabricated structure is also a structural form vigorously developed by the state in recent years, and an important component of the sustainable development of the construction industry. Compared with the traditional cast-in-place structure, the fabricated structure has the advantages of high production efficiency, good environmental protection effect, stable quality, short construction period and low labor demand, but its integrity and seismic performance are poor. For the assembled concrete frame structure, the beam-column connection node plays a decisive role in the seismic performance of the structure. As a new type of connection node, the beam-column dark corbel angle steel connection node of the assembled frame has good seismic resistance. In order to further study the mechanical performance of the node, this paper conducts numerical simulation analysis on the mechanical performance of the fabricated node based on ABAQUS finite element software. The test is carried out under low cyclic loading, and the finite element model of the fabricated node is established. Through comparison, it is found that the test and simulation are basically consistent, and the influence of test parameters on the mechanical performance of the specimen is verified. It has a certain reference role in the field of practical engineering.

Keyword：Numerical Simulation;Assembly Node;Force performance;Finite Element Simulation

建筑行业的发展兴盛之后，传统建筑多是采用砖混结构和钢混结构，其中钢混结构也是目前大多是采用的方式，施工方法多为现场浇筑，工艺成熟，但效率较低，易造成资源的浪费，施工周期较长。2016年，国务院颁发的相关文件中明确指出，力争在10年所有试件使装配式建筑占到新建建筑的30%。装配式建筑主要包括两种：预制装配式混凝土结构体系、钢结构体系[1-2]。后者的施工周期很短，但其耐久性和耐火性无法得到有效保障，也就限制其推广的速度。装配式混凝土结构是在工厂预制部分或者全部的构建后，通过交通运输等方式和吊机在现场进行拼装而成的混凝土结构。但通过调查，预制装配式混凝土框架结构的梁柱节点，在地震作用下的破坏较为严重，需要对其进行深入研究。

Ersoy等人通过试验，制作了一种装配式混凝土框架梁柱焊接节点，然后通过对比不同的试验结果发现，装配式框架梁柱焊接节点的强度、刚度和耗能能力效果都比较好，且焊接侧板的节点与没有焊接侧板节点相比，它的承载力更高，变形情况更少[3]。董挺峰等人在通过对预应力装配式混凝土框架梁柱节点的试验研究中发现，该装置的变形能力恢复较好，耗能能力也较好能够达到传统结构的四分之三左右，且延性比传统现浇节点更好[4]。 黄祥海设计提出了一种钢板焊接的暗牛腿连接节点，其上部和梁端与柱相接的地方都有焊接埋钢板，使其成为一个整体，试验表明：该结构节点的变形能力、承载力等都有着较好的表现[5-6]。吴成龙等人在数值模拟研究中表明预制型钢混凝土柱和钢梁的组合节点的干式连接形式的可靠程度[7]。

本文是通过以往的研究基础上，使用ABAQUS有限元软件建立装配式框架梁柱暗牛腿角钢连接节点的有限元模型，并通过试验对比分析。

1 试验设计

1.1试件设计参数

就本文中ABAQUS非线性有限元分析是基于装配式框架梁柱暗牛腿角钢连接节点受力性能研究。试验包括1个现浇试件和三个装配式时间编号SJ1-4，该预制装配混凝土框架梁柱节点试件的梁柱均为预制构件，柱带有暗牛腿，且牛腿竖向预留了四个螺栓孔洞，孔洞通过预埋钢套管实现，柱中上部为连接缺口梁预埋了四个高强螺栓；梁为混凝土缺口梁，与暗牛腿相对应处同样预留了四个竖向孔洞，在缺口梁底部为与暗牛腿相连预埋了四个高强螺栓；当构件浇筑达到设计强度后，通过预制混凝土梁和预制混凝土柱预埋螺栓和预留孔洞，然后用角钢及钢盖板通过预埋螺栓及对拉螺栓进行连接，从而形成一个整体。

同时试验制作的四个试件，试验变量主要是考虑角钢附加肋及角钢厚度对装配式节点受力性能的影响，如表1所示，为各试件的具体参数列表。

表1 试件主要参数

1.2材料的力学性能

试验采用的混凝土强度等级为C45，为了控制变量，将试件在同一条件下养护达到龄期后，测得抗压强度平均值为63.5Mpa。采用的高强螺栓是10.9级M22型号，角钢、钢盖板及预埋钢板均采用Q235级钢材，箍筋采用HPB300级，除箍筋外其余钢筋均为HRB400级。

1.3试验加载方案

本次试验的加载装置图和加载装置在实际工作情况下的示意图如图4所示。进行试验时，为更好的模拟节点所处的实际情况，给柱端用千斤顶施加850kN的恒定荷载，试验轴压比为0.2，柱端用压梁加以限制，然后在梁端施加位移荷载。试验规定以向角钢一侧加载为正方向。

本次试验采用位移低周往复荷载加载。其加载制度如图1所示。

图1 加载制度示意图

1.4试验结果

试件的破坏过程（开裂-屈服-破坏）三种状态如图2所示。

(a)试件SJ-1加载破坏

(b)试件SJ-2加载破坏

(c)试件SJ-3加载破坏

(d)试件SJ-4加载破坏

图2 试件加载破坏过程图

四组试件的滞回曲线如图3所示。骨架曲线对比图如图4所示，二者能够较为清晰反应各试件再不同变化情况下的对比。

图3 四个试件滞回曲线

图4 各参数对比试件骨架曲线

由图7可知装配式试件的滞回曲线饱满程度不及现浇试件，装配式试件在加载初期滞回环面积较小，荷载-位移曲线几乎成线性分布，说明试件整体处于弹性阶段，试件残余变形较小，当试件屈服后，滞回环较为饱满，主要由于角钢的耗能作用，提高了构

件的耗能特性；由图8可知，角钢增设附加肋能够显著提高试件的负向极限承载力，但会使试件的极限位移降低；从试件SJ-3和SJ-4的滞回曲线及骨架曲线来看，增加角钢的厚度能够提高试件的极限承载力，同时对试件的延性有一定影响。

2 有限元模型的建立

2.1 ABAQUS中材料的本构关系

本文在低周往复荷载作用下，混凝土的本构关系采用塑性损伤模型，通过模拟混凝土出现裂缝的情况，同时本模型也有两种假定的失效机理：一是假定混凝土材料的受拉开裂，二是混凝土材料的受压破碎。而失效面的变化是在压缩荷载和拉伸荷载两种失效机理下发生的，并将其等效为塑性应变来控制，混凝土的塑性损伤模型是假定了单轴拉伸，和压缩响应是由塑性损伤来表现的。如图5所示。

图5 混凝土对压缩中单轴荷载响应

除此之外，该装配式节点模型中，不仅需要混凝土本构关系，还需要其他材料的应力应变关系。本文钢筋与钢材均采用的是双折线运动强化模型，如图6所示。其中强化段斜率取弹性模量的1%，泊松比取0.3。

图6 钢筋与钢材双折线本构模型

2.2 相互作用

在ABAQUS有限元软件的功能模块中，定义不同部件之间的相互关系。需要定义约束关系和接触分析。

本文有限元模拟所使用的约束关系分别有Tie约束、Coupling约束和Embedded region约束。

装配式节点是一种干式连接节点，必须考虑采用接触分析，为了简化模型，减少计算时间，不考虑对拉螺栓与混凝土预留孔洞之间的空隙，对拉螺栓与预制梁及预制柱预留孔洞的接触面法向采用“硬”接触，切向采用无摩擦。

2.3 边界条件与荷载

为使模拟与试验情况保持基本一致，有限元模型在初始分析步中定义试件的边界条件，而后分别设置两个分析步来模拟施加预制混凝土柱的轴压力和预制混凝土梁梁端位移循环荷载。施加的边界条件与位移荷载如图7所示。

图7 模型边界条件与荷载

2.4 单元选择与网格划分

（1）实体单元：模型中缺口梁、柱、螺栓、角钢、预埋钢板、钢盖板和垫板均采用实体单元（C3D8R）。

（2）桁架单元：只能承受轴向力，考虑到钢筋的几何特征，本文采用两节点三维线性积分单元（T3D2）。

3 有限元模拟结果与试验结果对比

3.1 SJ-1试件的模拟与试验结果对比

从ABAQUS 中提取模型中混凝土的受压损伤云图和最大主塑性应变云图与试验破坏形态进行对比，如图8所示。

图8 SJ-1试验与模拟破坏形态对比

3.2 SJ-2试试件的模拟与试验结果对比

提取混凝土受压损伤云图及混凝土最大主塑性应变云图，并与试验破坏形态进行对比，如图9所示。

图9 SJ-2试验与模拟破坏形态对比

3.3 SJ-3试试件的模拟与试验结果对比

由于试件SJ-3较试件SJ-2在角钢中增设了附加肋，使得角钢的刚度有所提升，从而加强了对缺口梁缺口部位平面内转动的限制，进一步使缺口梁缺口部位混凝土参与更多的受力，最终使得试件负向承载力得到较大提升，同时缺口梁缺口部位混凝土受压损伤和开裂程度进一步加大，其他部位混凝

土与试件SJ-2破坏位置基本相同，但破坏程度都有所加大，对比图如图10所示。

图10 SJ-3试验与模拟破坏形态对比

3.4 SJ-4试试件的模拟与试验结果对比

试件SJ-4较试件SJ-3只是增加了角钢的厚度，厚度从10mm增加到12mm，其余参数均未发生改变。试验与模拟的破坏形态与试件SJ-3基本相同，如图11所示。

图11 SJ-4试验与模拟破坏形态对比

4 结论

本文主要得到以下结论：

（1）建立了与试验相对应的有限元模型，包括1个现浇试件和3个装配式试件，最后通过模拟结果与试验结果做出对比。

（2）对比试验的结果表明，模拟试验的可靠程度很高，与实际试验取得的结果基本相似。

（3）装配式框架梁柱暗牛腿角钢连接节点的破坏主要集中在暗牛腿、缺口梁缺口处以及梁预埋螺栓部位，属于梁端受弯破坏，节点核心区只有细微的损伤。符合建筑设计原则，说明该连接方式是可行的。

（4）建筑工业化势在必行，本文的研究对装配式框架梁柱节点的研究将更有重要意义和市场价值。

参考文献

[1] 李爽.钢板剪力墙单元预制装配墙与钢结构体系的抗震性能研究[D]. 哈尔滨工业大学

[2] 江神虎.绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用[J]. 中国标准化, 2019(10): 19-20.

[3] Ersoy. Precast Concrete  Members With Welded Plate Connections Under Reversed Cyclic Loading[J]. Pci Journal, 1993, 38(4):94-100.

[4] 董挺峰. 无黏结预应力装配式框架内节点抗震性能研究[J]. 北京工业大学学报, 2006(02): 144-148+154. 

[5] 黄祥海.新型全预制装配式混凝土框架节点的研究[D]. 东南大学, 2006.

[6] 黄祥海.预制装配式框架干式企口连接中缺口梁的受力性能分析[J].工业建筑, 2007(10): 46-49.

[7] 吴成龙.装配式型钢混凝土组合节点在静力荷载作用下的有限元分析[J/OL]. 山东农业大学学报(自然科学版), 2020(04): 1-7[2020-08-06].