預制管混凝土柱-梁中節點承載力分析（建筑）

                  丁紅巖^1,2，  郭耀華¹，  張浦陽^1,2，  楊一飛¹

（1天津大學建筑工程學院，天津300072；2天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津300072）

[摘要]  為了得到受力性能最好的預制管混凝土柱-梁中節點結構形式，對其進行了四種形式的初步設計，并基于ABAQUS軟件建立了各節點形式的有限元模型，對四種預制管混凝土柱-梁中節點及普通現澆柱-梁中節點進行了豎向和水平向承載力分析，分析中考慮了各柱．梁中節點形式的應力變化情況、破壞模式和承載力的異同。研究表明：梁縱筋貫穿式中節點、柱整體貫穿環梁式中節點和環梁整體貫穿立柱式中節點在豎向荷載作用下滿足“強節點弱構件”的原則，且其受拉區在水平荷載作用下沒有發生節點貫通。

[關鍵詞]  預制管混凝土柱；柱-梁中節點；承載力

中圖分類號：TU375.3  文章編號：1002-848X(2016)10-0080-07

0  引言

    目前對于裝配式結構的研究主要集中在預應力拼接結構、裝配式預應力混凝土框架、裝配式鋼結構及其節點的研究等?，F階段預制模板往往只是單一作為模板使用，其自身的力學功能沒有得到較高的發揮，因此具有較大的性能浪費。預制混凝土模板作為一種較為新穎的模板形式，將模板材料改為預制混凝土材料，不需拆除模板，可作為結構永久性飾面。預制管混凝土柱的提出正是基于對預制管作為施工中的模板和受力結構雙重考慮的，由外部的預制管和內部現澆的核心混凝土組成。預制管在預制場規?；�生產成型，經吊裝后在施工現場澆筑預制管核心區混凝土。預制管既充當核心混凝土模板又是重要的承重結構，核心現澆混凝土能較好地改善預制框架體系整體性能不足的特點，可以說預制管混凝土柱是一種本著施工快速化、結構高性能而產生的新型預制組合體系。

    柱-梁節點部位是結構受力的關鍵部位，目前對于預制管混凝土柱-梁節點的設計及研究較少。本文擬基于前期的一些理論及試驗研究，并借鑒既有的結構節點，對此預制管混凝土柱-梁中節點形式進行初步設計，并對其豎向承載力展開研究，為預制管混凝土柱-梁中節點在實際工程中的應用提供借鑒。

1  預制管混凝土柱概念設計

    預制管混凝土柱由外部配有高強高密度螺旋鋼筋的預制管和內部現澆核心混凝土兩部分組成，外部預制管在工廠預制成型，運至現場后進行組裝，然后再在現場進行內部核心混凝土的澆筑施工。此結構體系與鋼管混凝土類似，但是鋼管混凝土存在造價高、耐腐蝕性能差、耐高溫性能差等缺點，而預制管混凝土柱則能夠很好地克服以上缺點，同時在受力機理上與鋼管混凝土柱又較為相似。與普通鋼筋混凝土柱相比，由于外部預制管對內部核心混凝土的約束作用，柱子的整體承載力得到了提高，也減輕了結構的自重，對結構抗震性能是有利的。預制管混凝土柱依據橫截面形狀的不同可分為方形預制管混凝土柱和圓形預制管混凝土柱，如圖1所示。

    預制管混凝土柱是基于建筑結構免模板、快速化施工的市場需求下提出的，由于此新型結構涉及到高強度預制管和低強度內部核心混凝土在不同齡期共同受力的問題，而且新舊混凝土交界面處粘結性能及外部管柱對內部核心混凝土約束程度等諸多問題尚不明確，筆者自提出此預制管混凝土柱結構以來，基于理論、數值模擬和試驗等方法對上述問題展開了系統的研究，如對預制管混凝土柱的軸心受壓性能、抗震性能和施工方法等進行研究，部分試驗現場實景如圖2所示。試驗結果表明，預制管混凝土柱的軸壓性能和抗震性能均較好，且在相同條件下，由于外部預制管的約束作用，其受力性能要優于普通一次現澆混凝土柱。

    從筆者前期的一些試驗結果來看，外部預制管能夠充當建筑施工模板，而且能夠與內部核心混凝土共同受力，預制管混凝土柱在施工便捷性和構件層次上的受力性能是滿足甚至優于設計初衷的。對于建筑結構來說，其整體受力性能也是必須考慮的問題，而框架結構的節點又是確保結構整體性能的關鍵部位。此新型預制管混凝土柱在節點部位需要現場裝配和澆筑，因此節點部位的構造形式和施工方法是保證此部位質量的重要保障?；�于節點快速施工和良好抗震性能的要求考慮，對預制管混凝土柱-梁節點構造形式和施工方法進行了相應的研究，提出了“型鋼+錨栓”的柱-梁節點結構形式。施工過程為首先在工廠預制管和“型鋼+錨栓”節點，然后在現場通過螺栓將預制管與“型鋼+錨栓”節點連接起來，最后進行內部核心混凝土澆筑，具體施工現場實景如圖3所示。

    基于此“型鋼+錨栓”節點，設計了框架邊節點、中節點和腳節點試件進行抗震性能試驗，并配有同尺寸的現澆混凝土試件進行對比分析，其部分試件現場試驗如圖4所示。

    試驗結果表明，預制管混凝土柱-梁節點滿足“強柱弱梁”的構造要求，但是其抗震性能要略低于普通現澆混凝土柱-梁節點，究其原因可能是因為梁、柱僅通過螺栓連接到型鋼節點上，連接措施較為薄弱；且在往復荷載作用下，預制管與端板部位產生了部分脫離現象，使得預制管混凝土柱沒有充分發揮其性能?？傮w來說，預制管混凝土柱，梁“型鋼+錨栓”節點基本滿足結構抗震性能的要求，與普通現澆混凝土柱-梁節點抗震性能較為接近，但仍需對此節點部位的構造形式進行進一步的優化設計和試驗研究。

2  預制管混凝土柱-梁中節點設計

    基于筆者前期對預制管混凝土柱及柱-梁節點的研究，為了尋找更為合理的柱-梁中節點構造形式，以確保預制管混凝土柱-梁中節點具有較大的剛度和良好的抗震性能，本文在考慮預制管混凝土柱自身特點的同時，借鑒了目前常用的鋼管混凝土柱一梁中節點常用形式，提出了四種新的節點連接方式。為了對比這四種節點連接方式與普通現澆柱-梁中節點在受力性能上的差異，在此也設計了同尺寸的普通現澆混凝土柱，梁中節點作為對比模型進行分析。

    (1)梁整體貫穿式中節點

    這種節點構造形式是在柱-梁節點處保持梁的連續性，節點區域的鋼筋和混凝土與梁體一致，在預埋立柱連接鋼筋后，與梁體一體澆筑。預制管混凝土柱在節點處斷開，縱向鋼筋與梁體預埋鋼筋焊接連接，如圖5所示。

    (2)梁縱筋貫穿式中節點

    此預制管混凝土柱．梁中節點構造形式是在節點處保持預制管混凝土柱的連續性，但是制作時需要在節點部位預留梁體縱筋通過的孔洞，之后再在現場進行梁體混凝土和預制管內部混凝土的澆筑。這種節點結構形式可以很好地保證預制管混凝土柱的豎向承載能力，并且由于梁體縱筋的貫穿，使得節點整體性能較好，如圖6所示。

    (3)柱整體貫穿環梁式中節點

    柱．梁中節點是結構受力的關鍵部位，工程中常常對柱．梁中節點部位采用多種方式的加強措施，在節點處設置環梁就是一種常用的加強措施。柱整體貫穿環梁式節點是指在節點處保持預制管混凝土柱的整體性，梁體縱筋不直接貫穿預制管混凝土柱，而是環向包裹預制管混凝土柱，具體構造如圖7所示。這種節點形式不僅沒有使預制管混凝土柱一梁中節點處剛度減弱，反而由于環梁的存在增強了節點整體剛度。

    (4)環梁整體貫穿立柱式中節點

    此節點形式是在柱．梁中節點處保證環梁及主梁的整體性，預制管混凝土柱在節點處斷開。環梁及梁體的鋼筋整體貫穿立柱鋼筋，且與立柱預留鋼筋交叉在一起，環梁、梁體和預制管柱內部混凝土整體澆筑，從而增強了節點部位的剛度和整體性，具體構造如圖8所示。

(5)普通現澆柱-梁中節點

作為對比模型，設計了同材質、同尺寸的普通現澆柱-梁中節點，即在現場綁扎好梁柱鋼筋，搭設模板后對梁、柱和柱-梁節點進行一體澆筑，具體結構形式如圖9所示。

3  有限元分析

3.1有限元方法驗證

    采用ABAQUS軟件對上述五種節點進行受力分析，鋼筋的本構模型使用了PQ-Fiber子程序中的單軸滯回本構模型，混凝土本構模型采用ABAQUS軟件提供的混凝土塑性損傷模型( Damagedplasticity model for concrete)。模型中所有鋼筋均采用了螺紋鋼筋，采用Embedded方法將鋼筋嵌入到混凝土中，為了簡化計算，此次分析中均不考慮鋼筋與混凝土之間的滑移。

    預制管混凝土柱需要在工廠內預制外部混凝土管，到現場再進行內部核心混凝土的澆筑，因此涉及到新舊混凝土粘結強度及整體性問題，對于此問題，常采用在接觸面設置彈簧單元和在接觸面設置摩擦系數等方法解決，本文采用在接觸面設置摩擦系數來考慮預制管與后澆核心混凝土之間的粘結滑移關系。模型中梁、預制管和內部核心混凝土均采用八節點減縮積分格式的三維實體單元( C3D8R)，梁與柱內的鋼筋均采用兩節點的三維線性桿單元( T3 D2)。

    為了驗證此分析方法的可行性與準確性，此處以課題組之前進行的圖4中方形預制管混凝土柱一梁邊節點試驗為例，對比數值模擬結果與試驗結果的差異，分析結果如圖10所示。從圖10可以看出，數值模擬結果中的滯回曲線要比試驗結果更為豐滿，這是由于數值分析軟件中的本構關系很難完全與混凝土這種非均質材料的損傷破壞機理相符合。同時從圖10中還可以看出，屈服荷載和極限荷載的數值模擬結果與試驗結果極為接近，誤差在6. 53%以內，說明此分析方法可以較為準確地模擬結構的實際受力情況。

3.2節點有限元模型

    采用ABAQUS軟件對上述五種節點形式進行足尺建模分析，節點尺寸均為7. 2m×7.1m，梁截面尺寸為300mm×700mm，預制管外徑為600mm，壁厚為80mm；鋼筋均為HRB335級，梁體及預制管內部后澆核心混凝土強度等級均為C30，外部預制管混凝土強度等級為C60。

    采用上述有限元方法對五種節點進行建模，并對其進行結構化網格劃分，由于建模方法相同，此處僅以一個柱．梁中節點有限元模型為例進行說明，如圖11所示。

4  節點豎向承載力分析

4.1節點應力

    各節點在豎向壓力作用下具有相似的受壓性能，此處以梁縱筋貫穿式中節點為例進行說明，其預制管、核心混凝土及鋼筋的應力變化曲線如圖12所示（鋼筋的實際應力是圖中數據的10倍）。從圖12可以看出，結構應力變化曲線可明顯分為三個階段，即彈性階段、塑性階段和破壞階段。在彈性階段，預制管、核心混凝土及鋼筋的應力均隨著軸向位移的增加而增大；隨著軸向位移的增大，鋼筋首先屈服，隨后內部核心混凝土在達到最大應力值之后壓潰破壞，最后隨著外部預制管的破壞結構豎向承載力急劇下降。結構受壓破壞始于鋼筋的屈服，最終以外部預制管的破壞而告終，整個過程具有較好的延性，且最大程度地發揮了材料的作用。從圖12中還可以看出，由于預制管及內部鋼筋的存在，其套箍效應對內部核心混凝土的抗壓強度有一定程度的提高。

    在彈性階段，由于外部預制管混凝土強度等級為C60，內部核心混凝土強度等級為C30，結構在相同應變情況下，預制管的應力要更大一些，如圖13所示。從圖13可以看出，梁整體貫穿式中節點由于梁體和預制管內部核心混凝土采用一體澆筑，具有較好的整體性，在豎向荷載作用下，節點處應力分布較為均勻；豎向荷載作用下節點部位有著較為明顯的應力過渡；梁縱筋貫穿式中節點由于在預制管上預留了孔洞，在此部位有一定的應力集中；柱整體貫穿環梁式中節點和環梁整體貫穿立柱式中節點由于在節意部位有環梁，兩者在豎向荷載作用下應力水平均較低；普通現澆柱-梁中節點由于采用了同一強度的混凝土，除節點部位梁體分散一部分應力外，其余部位應力分布較為均勻。

4.2破壞模式分析

    隨著豎向壓力的不斷增大，鋼筋、內部核心混凝土和外部預制管先后進入屈服階段，最終以結構局部混凝土壓碎而喪失承載能力，各節點在受豎向荷載作用下破壞時的應力云圖如圖14所示。從圖14可以看出，梁整體貫穿式中節點由于節點部位混凝土強度較低，使得節點在受壓時先于其他部位破壞，違背了“強節點弱構件”的框架結構設計原則，需要對此部位進行適當的加強處理；梁縱筋貫穿式中節點在開孔部位存在一定的應力集中，但是節點部位梁體縱向鋼筋和預制管的存在使得壓碎區出現在節點上下部位的預制管柱上；柱整體貫穿環梁式中節點和環梁整體貫穿立柱式中節點均由于環梁在節點部位的加強作用，破壞時混凝土壓碎區域未在節點部位出現，而出現在下立柱中間部位；普通現澆柱-梁中節點由于各部位的混凝土強度等級一致，節點部位具有較好的整體性，受壓破壞時的壓碎區域也避開了節點部位，而位于下立柱下部。

4.3豎向承載力分析

    為了研究各節點在豎向荷載作用下承載力的異同，從各節點分析結果中提取了結構的豎向荷載-位移曲線，如圖15所示。從圖15可以看出，四種預制管混凝土柱．梁中節點的豎向極限承載力基本都在7 500kN左右，而普通現澆柱-梁中節點豎向極限承載力約為6 500kN，說明初步設計的四種預制管混凝土柱-梁中節點并沒有對柱-梁中節點豎向承載力造成“削弱”，反而由于強度較高的預制管的存在，使節點豎向承載力提高了15. 38%。單就豎向承載力考核指標而言，這四種預制管混凝土柱-梁中節點的設計是成功的，但由于梁整體貫穿式中節點首先在節點處發生壓碎破壞，因此應避免此種節點形式的使用。

5  節點水平承載力分析

5.1破壞模式分析

    各節點在水平荷載單獨作用下，其受力模式基本相同，在柱-梁節點區形成了斜拉區和斜壓區，斜壓區主要由此區域內的混凝土傳遞剪力，斜拉區則主要靠節點部位的鋼筋和混凝土共同傳遞剪力。由于混凝土抗拉強度要遠小于其抗壓強度，隨著水平荷載的不斷增大，受拉區內混凝土和鋼筋先后屈服，節點部位伴隨著受拉區的斷開而最終破壞。水平荷載作用下，各節點最終破壞時應力云圖如圖16所示。從圖16可以看出，各節點均始于受拉區混凝土受拉破壞，而各節點受拉區是否貫通則有著一定的差異。在節點區域保持預制管混凝土柱連續性及完整性的柱整體貫穿環梁式中節點沒有發生受拉區的貫通，而在節點斷開的梁整體貫穿式節點則在節點部位形成了貫通的受拉區。梁縱筋貫穿式中節點由于在預制管的節點部位進行了開孔，使得節點在水平荷載作用下破壞時，在開孔部位形成了應力集中，最終導致了此部位的內部核心混凝土也發生了受拉破壞。從上述分析可以看出，在進行柱，梁中節點結構形式設計時，一定要保證預制管的完整性，這樣才能最大程度地保證節點的水平承載力。

5.2水平承載力分析

    為了研究各節點在水平荷載作用下承載力的異同，從各節點分析結果中提取了結構的水平荷載-位移曲線，如圖17所示。從圖17可以看出，四種預制管混凝土柱-梁中節點的水平極限承載力基本都在50kN左右，且曲線的發展趨勢基本相同，均經歷了彈性階段、屈服階段和破壞階段。各節點屈服荷載均在35kN左右，對應的屈服位移均在6mm左右，梁整體貫穿式中節點的屈服荷載最小。從上述分析可以看出，初步設計的四種預制管混凝土柱-梁中節點水平承載力差別較小，且與普通現澆柱-梁中節點水平承載力基本相同，能夠滿足設計要求。

6  結論

    對預制管混凝土柱．梁中節點連接方式的研究背景進行了綜述，并基于前期的研究成果，提出了四種預制管混凝土柱-梁中節點，之后基于ABAQUS軟件對四種節點及普通現澆柱-梁中節點進行了建模分析，對比了各節點的豎向和水平承載力，得到以下主要結論：

    (1)四種預制管混凝土柱-梁中節點在豎向荷載作用下，均經歷了鋼筋屈服、內部核心混凝土壓碎、外部預制管混凝土柱壓碎破壞三個階段，都具有較高的延性。

    (2)梁整體貫穿式中節點在豎向荷載作用下，壓碎破壞區域發生在節點部位，其余結構形式節點受壓破壞區域均避開了節點部位。

    (3)四種預制管混凝土柱．梁中節點與普通現澆柱-梁中節點相比，由于強度較高的預制管的存在，豎向極限承載力提高了15. 38%。

    (4)節點區預制管對節點水平荷載作用下的破壞形態有著較大的影響，在節點設計時應保證預制管的連續性和完整性。