拼接縫對裝配式RC結構節點抗震性能的影響

閻西康，謝函霖，梁琳霄，郭博深

(1. 河北工業大學土木與交通學院，天津 300401； 2. 河北工業大學河北省土木工程技術研究中心，天津 300401； 3. 北華航天工業學院建筑工程學院，河北廊坊 065000； 4. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000)

0 引 言

近年來，裝配式RC框架結構因綠色、高效的優勢被大力推廣，然而其暴露出的安全問題也不容忽視。多次事故表明[1]結構在地震作用下往往會因整體性問題發生破壞。整體性問題的重點在于拼接部分，拼接部分為方便工程施工往往設置在節點附近。節點拼接方式主要分為兩種：干式[2]和濕式連接?？紤]裝配構件連接時的質量、效率、成本等問題，目前應用較多的還是技術成熟的后澆式套筒灌漿的連接方法[3]。后澆式的方法在拼接位置處會產生拼接縫，故研究拼接縫對后澆式裝配RC節點抗震性能的影響具有重要意義。

當前國內外學者對后澆式節點和拼接縫已經進行了一定深度的研究。部分學者[4-5]對單一類型的整澆節點和裝配式RC框架結構的后澆節點進行靜力試驗，結果表明裝配節點的抗震性能較好，雖然后澆節點比現澆節點抗震性能低，但相差不大，安全性可以保證。Popa等[6]將后澆式連接運用在裝配式柱-柱節點上，并與現澆試件進行比較，結果表明裝配試件具有與現澆試件相似的滯回曲線和耗能能力。Khoo等[7-8]采用理論加模擬的方式改變裝配節點梁端的拼接位置，測量節點的抗震性能，結果顯示節點拼接位置改變會影響拼接處的變形和節點的抗震性能，但結論缺少試驗數據的支撐且有限元模型數量過少。隨著施工技術的發展，楊輝等[9-10]改進工藝，將后澆式連接方法和其他連接方法結合，推出新型節點，結果表明新型節點達到了設計要求，在某些性能參數的數值上略優于整澆節點，但新型節點成本和對施工技術要求過高，不能在實際工程中大量應用。閻西康等[11]對裝配節點的拼接縫進行研究，結果表明拼接縫是節點的薄弱部位，存在拼接縫會對節點抗震性能產生不利影響，且拼接縫使帶縫框架的P-Δ(荷載-位移)效應加劇。

可以看出，目前針對后澆式裝配RC節點的安全性和拼接縫的弱化效應的研究已經較為成熟，而在拼接縫對不同類型節點的抗震性能影響程度、裝配式RC框架節點梁上的拼接縫最優位置等領域的研究尚不深入。為此，本文設計了6個試件，通過靜力試驗檢測節點的破壞方式和滯回曲線，并用ABAQUS有限元軟件增設模型，研究拼接縫對邊、中節點的抗震性能影響程度，討論拼接縫在節點梁上的最優位置。

1 試驗概況

1.1 試件設計及制作

節點分為2組，一組為邊節點，一組為中節點，取自一榀框架標準層中的梁柱節點，共計6個1/2縮尺試件，試件基本信息[12-13]如表1所示。試件所用材料相同，采用的混凝土強度等級為C30；鋼筋為HRB400級鋼筋；套筒材質為球墨鑄鐵；灌漿料以水泥為基礎，配以添加劑和礦物摻合料組成。試件軸壓比為0.4，梁、柱保護層厚度分別為15 mm和20 mm；材料的力學性能通過實測得出。為減小連接處鋼筋與灌漿料的滑移，防止鋼筋被拔出，試驗測得套筒的安全錨固長度為65 cm。節點尺寸如圖1所示。

表1 試件基本信息Table 1 Basic information of specimen

1.2 試驗加載方案

采用擬靜力加載試驗研究節點的抗震性能[14-15]。試驗加載裝置如圖2(a)所示。軸壓力設為240 kN，在柱頂截面中心線上穩定加載。試件屈服前，采用荷載加載。每次荷載增加4 kN，每級荷載循環一次。試件屈服后改用位移控制加載。位移以屈服位移Δy值的20%為級差分級加載。當試件承載力首次下降到峰值荷載的85%時，停止加載，構件達到破壞狀態。加載方案如圖2(b)所示。

1.3 試驗破壞現象

將節點的主裂縫位置和發展方向、最終破壞情況進行統計，如表2所示。試驗現象如圖3所示?？梢钥闯觯汗濣c主裂縫多在節點屈服后產生；最終破壞是由于主裂縫的開裂擴展所致。試件最終破壞分為兩種形態：X-1、H-1、X-2、H-2為梁端彎曲破壞；X-3、H-3為梁端剪切破壞。

整澆節點X-1、H-1首裂縫會逐漸變為主裂縫，破壞時核心區會出現“X”形裂縫；節點梁上裂縫多為豎直向。裝配節點主裂縫在拼接縫附近，破壞時核心區“X”形裂縫的寬度比整澆節點小，節點梁上 斜裂縫較多，混凝土脫落量多于整澆節點。拼接縫

表2 試件裂縫破壞情況Table 2 Specimen crack damage condition

在梁上時，邊、中節點的主裂縫存在差異。邊節點主裂縫出現后，主裂縫寬度不斷擴大，其他裂縫發展較慢。中節點先在一側梁上出現主裂縫，繼續加載至即將破壞階段，另外一側梁也會出現一條裂縫，且寬度迅速增長到與主裂縫寬度一致，最終雙側梁上裂縫擴展至試件破壞。同類型節點的拼接縫在梁上不同位置的破壞形態不同。拼接縫距核心區100 mm的節點破壞時梁端混凝土被壓潰，梁縱筋發生屈服，屬于彎曲破壞。拼接縫距核心區320 mm的節點破壞時出現主斜裂縫并伴有其他斜裂縫，屬于剪切破壞。

1.4 試驗滯回曲線分析

試件滯回曲線[16-17]如圖4所示?？梢钥闯?，相同工況和加載條件下，邊、中節點屈服后的滯回曲線差異較大。中節點的承載力比邊節點高約30%,位移變形比邊節點高約35%。荷載加載階段中節點承載力上升幅度高于邊節點。試件屈服后，由于中節點的核心區約束和整體剛度強于邊節點，故中節點主裂縫發展較慢，新增裂縫少，曲線承載上升較快。在試件即將破壞的階段，邊節點由于核心區約束弱，裂縫擴展和變形更嚴重，強度下降快。

同類型節點中，整澆節點比裝配節點的峰值荷載和破壞荷載高，曲線對稱性好，塑性變形能力強。X-1雙向峰值荷載高于X-2、X-3約23%，破壞荷載高約21%。H-1比H-2正向峰值荷載高2.51%，負向峰值荷載高8.3%，破壞荷載相差不大。H-1比H-3正向峰值荷載高11.4%，負向峰值荷載高8.5%，正向破壞荷載高6.1%，負向破壞荷載高4.7%。

裝配節點的拼接縫在梁上不同位置時的滯回曲線變化幅度不同。拼接縫位于核心區梁端時，節點主裂縫出現較慢，峰值荷載和位移、破壞荷載和位移高于拼接縫位于距核心區320 mm的節點，如X-3比X-2先達到峰值承載狀態，峰值荷載比X-2低4%，破壞荷載與X-2基本相同。繼續加載時，由于X-3主裂縫發展較快，新增裂縫較多，極限位移小。X-3比X-2雙向平均極限位移低4%。

2 節點有限元模擬

2.1 有限元模型建立

由于試驗樣本數量偏少，故采用數值模擬[18-19]的方式增設試件，進一步探究拼接縫對不同類型節點抗震性能的影響，討論拼接縫在節點梁上的最優位置。

有限元模型采用實體建模方式，尺寸與試驗節點尺寸一致。鋼筋和套筒本構關系采用雙折線彈性強化模型，混凝土、灌漿料本構模型采用損傷塑性模型。鋼筋采用T3D2單元，套筒采用S4R殼單元，混凝土和灌漿料采用C3D8R單元。根據相關文獻試驗結果[12]，本文將拼接縫周圍30 mm厚度的后澆混凝土段強度下降65%用于體現拼接縫的弱化作用。由于鋼筋與新舊混凝土交界面處、鋼筋與灌漿料間會產生環向應力，出現黏結滑移現象。為模擬該現象，采用非線性彈簧單元，將后澆區拼接縫前后60 mm、套筒前后160 mm的鋼筋作為區段端點連接，彈簧屬性自由度為1，彈簧剛度為1 000 N·mm-1。初次計算完成后，將得到的文件修改彈簧部分的內容，并代入重新運算。灌漿料和套筒之間約束比較穩定，采用“Tie”約束方式連接。新舊混凝土交界面采用面-面接觸的方式,接觸屬性的法相方向設為“硬接觸”；切向方向上設置“罰”函數，摩擦因數為0.6。為使荷載加載均勻，在柱頂、柱底設置耦合點，耦合截面為柱頂面和底面。軸向壓力和水平荷載作用在柱頂耦合點上，柱底設置為鉸接；梁上設置耦合點，耦合截面為梁上最邊側截面。

2.2 有限元模型驗證

2.2.1 破壞結果對比

為驗證模型的準確性，選取4個典型節點，以X-1、X-3、H-1、H-3為例，對其數值分析結果與試驗結果進行對比。

模型用等效塑性應變(PEEQ)云圖反映節點破壞狀態。PEEQ數值由大到小的發展方向近似為試驗主裂縫發展方向。模擬破壞結果如圖5所示。X-1、H-1應變較大區域為梁柱交界面處，并向核心區斜向發展；X-3、H-3在拼接縫處發生破壞，產生了斜向裂縫，說明拼接縫界面處是試件抗剪和抗彎的薄弱部位。通過對比發現數值分析云圖的主裂縫位置、破壞情況、破壞形式和試驗結果基本一致。

2.2.2 模型荷載-位移滯回曲線

為檢驗模擬數據與試驗數據的一致性，將兩者滯回曲線繪出并對比，如圖6所示?？梢钥闯觯耗M滯回曲線與試驗滯回曲線輪廓線基本一致；模擬滯回曲線中部比較飽滿，是由于定義預制部分的鋼筋與混凝土一起參與受力，忽略滑移；模擬節點由于沒有混凝土壓潰脫落，故滯回曲線正反方向比較對稱。通過比較可以看出，模型滯回曲線在峰值和破壞位置的荷載、位移值與試驗數據誤差較小，建立的模型比較準確。

3 拼接縫對節點的抗震性能影響

3.1 模型設計

拼接縫會降低節點剛度，使節點的強度和延性小于整澆節點，其在梁上的位置變化會改變節點性能。為研究拼接縫在同一位置對不同類型節點的影響程度和拼接縫在節點梁上的最優位置，以拼接縫距核心區梁端距離為變量，用軟件增設模型[20-21]，試件編號如表3所示。比較拼接縫位置不同時節點的承載力、剛度退化曲線、延性、耗能能力，分析拼接縫對節點抗震性能的影響。

表3 模擬節點試件編號Table 3 Number of simulated node specimen

3.2 承載力分析

通過數值模擬得到試件的骨架曲線，根據骨架曲線分析節點承載力變化。節點的屈服荷載、峰值荷載、破壞荷載見圖7。邊節點試件組中，整澆節點比裝配節點屈服荷載高0.5%～13.3%，峰值荷載高17.9%～27.3%，破壞荷載高16.3%～22.8%；裝配節點間曲線差值不大，MX-5承載能力最佳，MX-4較差，MX-5比MX-4峰值荷載高4.2%，破壞荷載高4.2%。中節點試件組中，整澆中節點比裝配中節點峰值荷載高4.8%～14.5%，極限荷載高0.9%～6.1%。裝配中節點間曲線波動較大，MH-5承載顯著優于其他裝配節點，MH-3與MH-6曲線相近，承載均較差。MH-5比MH-3峰值荷載高9.3%，極限荷載高7.1%。

通過數據對比得出，設立拼接縫對邊節點承載影響大，拼接縫在梁上的位置對中節點的承載影響大。拼接縫存在時，邊節點荷載變化幅度比中節點高約13%，原因為邊節點和中節點相比，核心區約束弱，受拼接縫影響較大。當拼接縫位置變換時，中節點承載變化率高于邊節點。原因是中節點先在一側梁出現主裂縫，加載后期會在另一側梁上出現寬度較大裂縫，由于出現的時間和擴展程度不同，節點間承載力相差較大。裝配式邊、中節點套筒距核心區梁端200 mm時，試件承載力較好。

3.3 剛度退化曲線分析

采用等效剛度ki分析試件組的剛度退化程度，ki計算公式為

(1)

式中：Fi為每一次循環荷載作用下第一滯回環的荷載極值；Δi為每一次循環荷載作用下第一滯回環的荷載極值點對應的位移。

正向位移下試件的節點剛度退化曲線模擬結果如圖8所示?？梢钥闯?，對于同類型節點，整澆節點與裝配節點剛度相差不大。在0～10 mm位移區間內，整澆節點剛度下降速率快于裝配節點。原因是裝配節點此時主裂縫寬度尚小，套筒、灌漿料可分擔部分荷載，減緩拼接縫處破壞程度，使剛度下降慢于整澆節點。

相同工況下，中節點初始相對剛度比邊節點高約21%。由于節點材料、加載方式、接觸條件和破壞機理相似，試件加載至屈服后，剛度退化曲線重合度高。邊節點模型組中，整澆節點初始剛度最大。模型在荷載加載下剛度下降較快，位移加載下曲線差異不明顯。中節點模型組中，在位移達到20 mm后，模型曲線間差值較小。

3.4 延性和變形能力分析

延性是衡量節點抗震性能的重要參數，擬采用位移延性系數來體現節點延性性能。位移延性系數計算公式為

(2)

式中：μ為位移延性系數；Δu為試驗的極限位移。

將節點的正向位移列出并運算，見表4。相同工況下，中節點延性系數高于邊節點。邊節點試件組中，MX-1由于沒有拼接縫，延性較強，位移延性系數比裝配節點高2.5%～4.9%；裝配邊節點中，位移延性系數相差不大；MX-5位移延性系數較高，MX-2與MX-4位移延性系數相近，MX-3位移延性系數最低。中節點試件組中，MH-1位移延性系數高于裝配節點2.75%～8.38%，說明中節點間位移延性系數波動幅度大于邊節點，拼接縫位置對其影響程度更大。MH-3位移延性系數最低，MH-5變形能力最強。

表4 試件位移Table 4 Displacement of specimen

通過數據對比看出：裝配式邊、中節點拼接縫距核心區梁端200 mm時，模型延性和變形能力較好；拼接縫的存在對邊節點延性影響大，拼接縫的位置對中節點的延性影響大。

3.5 耗能能力分析

耗能能力是衡量節點在地震作用下承擔能量大小的重要指標。采用等效黏滯阻尼系數heq和功比系數Iw來體現模型的耗能能力。等效黏滯阻尼系數計算示意圖如圖9所示，計算公式為

(3)

式中：SADCB為曲線ADCB圍成的面積；SOAF、SOCE為△OAF、△OCE的面積。

等效黏滯阻尼系數反映的是一次加載周期的試件耗能能力。為更好表達節點總耗能強度，引入功比系數Iw，計算公式為

(4)

式中：n為循環總次數；i為當前循環次數；Pi為峰值荷載；Py為屈服荷載；Δi為峰值位移。

模型加載過程中，從彈性階段到破壞階段，耗能能力不斷增加，列出特征位置的heq進行比較，如圖10所示。中節點和邊節點的heq均在0.1左右；從峰值點到極限點，整澆節點比裝配節點heq下降更快，主要是裝配節點在試件屈服后，套筒和灌漿料仍可以分擔能量，增大結構耗能。裝配節點中，MX-5、MH-5的heq高于其他裝配節點，MX-3、MH-3的heq最低。

節點的功比系數如圖11所示?？梢钥闯觯合嗤r下，同類型節點的整澆節點總耗能能力優于裝配節點；中節點功比系數比邊節點高5%～40%；拼接縫位置不同時，裝配式邊節點功比系數差值在0.3～3之間，MX-5功比系數高，耗能能力強；裝配式中節點功比系數差值在1.1～9.5之間，波動幅度較大，MH-5功比系數最高。通過比較，MX-5、MH-5的耗能能力較好，MX-3、MH-3耗能能力較差；拼接縫的存在對邊節點耗能能力影響大，拼接縫的位置對中節點的耗能能力影響大。

4 結語

(1)拼接縫的存在對邊節點抗震性能影響大，梁端拼接縫位置的變化對中節點的抗震性能影響大。拼接縫界面處是試件抗剪和抗彎的薄弱部位，裝配式節點會因拼接縫而降低試件的抗震性能。

(2)相同工況下，中節點的承載力比邊節點高約30%，破壞時的變形能力高約32%，耗能能力優于邊節點，剛度退化程度兩者相差不大。

(3)裝配式節點梁上拼接縫最優位置是拼接縫距核心區2/9梁跨長，最不利位置為1/3梁跨長。裝配式節點上的梁端拼接縫隨著距離節點核心區長度的增加，節點主裂縫的位置逐步由核心區梁端變成拼接縫界面處。