张东升，董锦坤，王 静

钢筋混凝土框架夹心节点的抗震性能分析

张东升1，董锦坤1，王 静2

（1.辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001；2.浙江建设职业技术学院 建筑工程学院，浙江 杭州 310000）

通过ABAQUS有限元软件对夹心节点和传统节点进行低周期往复加载下的模拟实验，对其滞回曲线和骨架曲线进行对比分析，得出在低周反复循环加载下，钢筋混凝土框架夹心节点的整体受力性能要比传统节点略差的结论。

夹心节点；有限元；滞回曲线；骨架曲线

钢筋混凝土结构中，柱的混凝土强度普遍大于梁的混凝土强度，当今，将节点与梁同时浇筑的施工方法具有简化施工过程、降低施工难度、缩短工期等优点[1]。这种与梁混凝土等级相同的节点称为夹心节点。而对于和柱混凝土强度等级相同的节点，即传统节点来说，柱的混凝土等级较高，若梁板混凝土等级同柱，则高强度混凝土并不能发挥其强度，造成经济上的浪费。通过有限元分析软件，在低周期反复循环加载作用下，分别根据试件的滞回曲线与骨架曲线，对夹心节点和传统节点的受力性能进行对比分析。

1 模型建立

1.1 传统节点模型的建立

1.1.1 确定尺寸及配筋

本次有限元分析的试件是某试验中用于探讨节点受力性能所用的试件。结合我国现行规范《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[2]和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[3]的相关要求确定了试件的截面尺寸及配筋。

1.1.2 创建部件

在Part模块中创建混凝土部件，将Modeling Space设置为3D，Shape设置为solid，Type选取Extrusion。接着分别创建箍筋和纵筋部件，将Modeling Space设置为3D，Base feature设置为Wire，最后绘制二维图形。

1.1.3 创建材料和截面属性

在Module模块中选择Property功能模块，在该模块中定义混凝土和钢筋材料的本构关系和截面特性。在General Density选项中设置Mass Density为2400kg/m3，在Mechanical中分别定义Elasticity中的Young’s Modulus为2.95×1010、Poisson’s Ratio为0.2和Plasticity参数，重复上述步骤，设置Mass Density为7800kg/m3，Young’s Modulus为2.1×1011，Poisson’s Ratio为0.3。

1.1.4 设置分析步

本次有限元模型中设置了2个分析步，在第一个分析步step-1中施加轴压和边界条件并传递到第二个分析步中，第二个分析步step-2施加低周反复循环荷载。

1.1.5 定义约束

在Interaction功能模块中，定义各个模型之间的约束关系。在Create Constrain中，Type项选择Embedded Region，保持各项参数的默认值不变，完成钢筋骨架与混凝土之间的约束定义。

1.1.6 定义荷载和约束条件

在Load功能模块中，进行荷载和边界条件的定义。在荷载中定义轴压荷载，本文采用位移加载方式进行加载。利用Amplitudes建立加载规律，进行加载。在定义边界条件时，柱底中心线定义为铰支座，来限制X、Y、Z方向的位移，即X=Y=Z=0。在柱上端定义滑动铰支座来限制X和Y方向的位移，即X=Y=0。

1.1.7 划分网格

在Mesh功能模块中设置混凝土为C3D8R三维减缩积分单元，钢筋的网格类型为T3D2杆单元。网格单元尺寸50mm。边缘处的网格大小为25mm。

通过上述步骤建立出的模型如图1、图2所示。

图1 混凝土单元模型

图2 钢筋单元模型

1.2 夹心节点模型的建立

为了对2种不同形式的节点的受力性能进行对比分析，除了以混凝土强度为变量外，试件模型、单元设置、网格划分、定义材料属性、施加边界条件、确定加载方式等均与传统节点相同。在此不再赘述。

2 结果分析

2.1 滞回曲线分析

通过对传统节点和夹心节点进行低周期反复循环荷载作用，得到传统节点及夹心节点的滞回曲线如图3、图4所示。

图3 传统节点的滞回曲线

图4 夹心节点的滞回曲线

滞回曲线又称作恢复力特性曲线，是恢复力随着变形变化的曲线。可以看出，传统节点的滞回曲线与夹心节点的滞回曲线相比更加饱满，与传统节点相比，夹心节点出现不饱满、略扁长、呈现出反S状、有稍微的“捏缩”现象。同等条件下夹心节点的极限变形要稍低于传统节点。

2.2 骨架曲线分析

通过对传统节点和夹心节点进行低周期反复循环荷载作用，得到传统节点及夹心节点的滞回曲线如图5、图6所示。

图5 传统节点的骨架曲线

图6 夹心节点的骨架曲线

骨架曲线是指在反复循环加载下，取每一次循环的环线上峰值点也就是初始卸载点将其连线，变成为骨架曲线。因为骨架曲线作为滞回曲线的包络线，所以和滞回曲线一样是研究抗震性能的一个重要指标。骨架曲线表达了结构或构件在反复加载过程中荷载-位移的关系。

通过试件的2个骨架曲线，可以看出夹心节点骨架曲线的纵坐标最大极限荷载略低于传统节点。根据各个试件的骨架曲线下所包围的面积来看，传统节点试件比夹心节点试件骨架曲线包围面积要大。这表明，在相同条件下，夹心节点的梁端极限荷载和极限变形要稍低于传统节点。

3 结语

通过以上对比分析，得出如下结论。

(1)在低周反复循环加载下，钢筋混凝土框架夹心节点的整体受力性能要比传统节点略差。但是在其他条件均满足要求的情况下，2种形式的节点区都会有一定的安全储备。

(2)在解决高层框架结构设计以及方便施工、节约资金等情况下，为满足结构抗震性能，可通过考虑在节点核心区加插短筋、增设斜筋和水平箍筋等措施。

[1] 李英民，刘建伟. 钢筋混凝土框架夹心节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报,2010,31(12):74-82.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检测检疫总局. GB 50011—2010. 建筑设计抗震规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检测检疫总局. GB 50011—2010. 混凝土结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

Seismic Performance Analysis of Sandwich Joints of Reinforced Concrete Frame

ZHANG Dong-sheng1, DONG Jin-kun1, WANG Jing2

（1.School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.School of Architectural Engineering, Zhejiang College of Construction, Hangzhou 310000, China）

In this paper, the finite element analysis software ABAQUS is used to make a simulation experiment on sandwich joint and traditional joint by low-cycle cyclic shift loading, the hysteric curves and skeleton curves are analyzed and compared between sandwich joint and traditional joint. Through contrastive analysis, it’s concluded that the overall mechanical performance of the sandwich joints of reinforced concrete frame is slightly worse than the traditional joints when the low-cycle cyclic shift is loaded.

sandwich joint; finite element; hysteric curve; skeleton curve

TU352.1+1

A

1674-3261(2021)02-0132-03

10.15916/j.issn1674-3261.2021.02.013

2020-11-06

辽宁省高校基本科研项目(JFL201715402)

张东升(1997-)，男，安徽合肥人，硕士生。

董锦坤(1965-)，男，辽宁凌海人，教授，博士。

责任编校：孙 林