考虑到后期试验场地与试验仪器的限制,模拟时按试验设计试件,将原型梁-柱子结构进行2/3缩尺,得到试验试件尺寸,试件配筋按照等配筋率进行缩尺设计。本试验各试件柱截面尺寸均为350mm×350mm,梁截面尺寸均为350mm×200mm,其中装配整体式构件预制梁截面为300mm×200mm,梁现浇层高80mm。模拟试件梁、柱配筋结果见表1。
表1 原型和缩尺后节点配筋
图2 模拟节点试件尺寸
本构关系:
相互作用:
钢筋骨架通过“嵌入”命令插入混凝土中,通过“耦合”命令将梁柱各个端面和参考点偶合在一起i,这样方便边界条件的设定和荷载的施加,如图3。
施加荷载:
图3 荷载施加
三种节点均是通过梁端加载完成,上下柱端面通过铰接固定,然后在直交梁端施加相反方向的等值往复位移荷载。
网格和单元:
混凝土采用八节点减缩积分的三维实体单元 (C3D8R),网格为50mm;钢筋采用两节点三维杆单元(T3D2),网格为50mm。
结果验证:
选取北京工业大学[参考文献2]一空间节点KCJC1、KCJC2试算,验证结果如下图4,可见有限元模型结果能够很好反应结构的实际承载力,缩减模型可用于后续节点分析。
图4 验证结果
1、节点变形分析
平面节点PM
不同抗弯强度比下平面节点(PM节点)的分析如下图,由于页面限制,五个km只取四个(D14、D16、D20、D22)做对比:
a 混凝土拉伸损伤
b 混凝土等效塑性应变
c 钢筋米塞斯应力
图5 平面节点
简要结论:随着梁的配筋直径变大,由D14增大到D22,梁柱抗弯承载力比的增大,PM节点的变形又梁端的弯曲破坏向节点核心区剪切破坏,再向柱端弯曲破坏和节点核心区剪切混合破坏过度。相应的模拟结果展示为,,柱子的拉伸损伤和柱子的混凝土塑性应变逐渐增加,更多钢筋在核心区和柱端屈服。
空间节点KJ
不同抗弯强度比下平面节点(KJ节点)的分析如下图,由于页面限制,五个km只取四个(D14、D16、D20、D22)做对比:
a 混凝土拉伸损伤
b 钢筋米塞斯应力
图6 空间节点
简要结论:随着梁的配筋直径变大,梁柱抗弯承载力比的增大,空间节点由于空间的组合效应,柱子沿着主轴45°方向空间受力,核心区和柱子的变形和损伤相比相应的平面节点来的更早更严重。
空间带楼板节点KJS
不同抗弯强度比下平面带楼板节点(KJS节点)的分析如下图,由于页面限制,五个km只取四个(D14、D16、D20、D22)做对比:
a 梁柱混凝土拉伸损伤
b 楼板混凝土拉伸损伤
c 钢筋米塞斯应力
图7 空间带楼板节点
简要结论:随着Km增加,梁的弯曲变形减小,相应的板的损伤也减小;核心区和柱端变形加大,当 km取到0.72时,节点的变形主要为核心区剪切变形和柱端压弯变形。
也可看出梁的存在使得其抗弯刚度大大增加,即使在km很小的时候(取0.57),平面带楼板节点(KJS节点)就开始伴随一定的核心区剪切和柱端弯曲破坏,这对结构是极其不利的,设计师必须重视,在设计时加以考虑。
2、节点滞回曲线分析(承载力)
平面节点PM:
图8 平面节点滞回曲线及其对比
简要结论:梁端滞回曲线,在km较小的时候,发生的是梁端弯曲变形,属于延性变形,滞回曲线很饱满,节点整体耗能能力很好;Km变大后,发生的是核心区剪切变形,属于脆性变形,滞回曲线很扁,耗能能力变差。
空间节点KJ :
图9 空间节点滞回曲线及其对比
简要结论:空间节点滞回曲线饱满程度不如平面节点,因为双向受力下,即使很小的km也有一定的核心区剪切变形。
空间带楼板节点KJS :
图10 空间带楼板节点滞回曲线及其对比
简要结论:滞回曲线整体上都很扁,因为楼板加强了梁的整体抗弯强度使梁的变形减小,即使km很小的时候也有核心区的剪切变形发生;并且km大到一定程度后,由于都发生核心区剪切变形,控制截面不在梁上,所示此时增大km,对节点整体承载力也不起作用。
同一种km不同节点受力形式对比
为对比相同配筋下节点不同受力模式:平面受力、空间受力、空间带楼板受力(楼板连带作用),对承载力的影响,取了四种km节点不同受力模式作为对比如下图11。
图11 同一节点抗弯强度比下平面、空间、空间带楼板节点承载力对比
2、空间带楼板节点由于楼板加大了梁的整体弯曲强度,所以节点承载力得到很大提升,但是随着km增大,提升逐渐不明显,因为此时控制截面已不再梁上。
变化轴压比对节点承载力影响
这里取了PM-D16和PM-D20两个节点来研究柱端轴压比对梁端承载力影响,轴压比分别从0.2增大到0.6,结果如下图12所示。
图12 同一节点不同轴压比
简要结论:可见在km很小的时候,控制截面在梁上,此时增大轴压比对梁端承载力影响甚微;较大的km时,控制截面在节点核心区和柱上,增大轴压比(合适的轴压比0.6,属于有利的轴压比范围)会减轻柱子和核心区的损伤,使得节点承载力增大,耗能能力变大。
计算机状况:AMD-4800H cpu 8核16线程 16G
空间节点:1.5小时(四核)
空间带楼板节点:5小时(四核)
计算任务:隐式分析
参赛作品后期准备录制视频在技术邻平台发布,有做装配式RC节点的同学可以和我私信交流,相互探讨。