装配式FRP筋混凝土节点研究

装配式FRP筋混凝土节点研究

谷万金

广州珠江监理咨询集团有限公司  510095

摘  要：目前比较受研究者青睐的替换筋材就是纤维增强塑料筋(FRP 筋) ，然而，FRP 材料是热固性材料，各向异性严重，成型之后无法进行焊接和机械加工，因此采用装配式结构将更加方便，随着近些年装配式结构快速发展，装配式结构的技术也不断完善，采用装配式结构可以将构件在工厂预制，再运至现场安装，大大地减少了钢筋在现场加工的问题，目前，国内外对装配式结构和 FRP 筋的研究很多，但是将 FRP 筋与装配式结构结合起来研究得很少，本文将运用有限元分析方法对 FRP 筋混凝土框架结构进行分析。

关键词：FRP材料、装配式、有限元分析

前言

当钢筋混凝土结构处于腐蚀性环境中时，海水会对钢筋产生腐蚀，锈蚀发展到一定程度，钢筋的强度会出现大幅度的下降，对结构产生严重损害，并带来极大的安全隐患。目前比较受研究者青睐的替换筋材就是纤维增强塑料筋( FRP 筋) 。然而，FRP 材料是热固性材料，各向异性严重，成型之后无法进行焊接和机械加工，因此采用装配式结构将更加方便。随着近些年装配式结构快速发展，装配式结构的技术也不断完善，采用装配式结构可以将构件在工厂预制，再运至现场安装，大大地减少了钢筋在现场加工的问题。目前，国内外对装配式结构和FRP筋的研究很多，但是将FRP筋与装配式结构结合起来研究得很少。

1、装配式结构和FRP筋的特点

1.1 装配式结构

预制装配式混凝土结构具有以下优点: 1) 由于预制构件是工业化生产，提高了生产效率; 2) 有利于建筑物质量的保证; 3) 绿色环保。但它也存在自身的缺点: 1) 由于是现场装配，进行局部连接，其整体性能差;2) 节点连接是一个难题; 3) 运输及装配不方便。

1.2 FRP筋

FRP 筋的优点有: 1) 比强度高; 2) 耐腐蚀性能好。之所以研究 FRP 筋替代钢筋用于建筑结构，就是因为 FRP 筋自身良好的耐腐蚀性能; 3) 减震性能好。因为FRP 筋是一种新型高性能复合材料，FRP 筋的自振频率要明显高于普通钢筋。相比于普通钢筋，FRP 筋同时存在一些缺点: 1) 弹性模量较低; 2) 抗剪强度和横向抗压强度较低; 3) 热稳定性差; 4) 热膨胀系数与混凝土不同; 5) 属于热固性材料。

2、梁与柱的连接构造

节点连接的设计内容主要涉及到节点选型、节点设计以及合理的构造措施。合理恰当的节点连接对于装配式结构的整体性能有着非常重要的意义。该文主要是参照装配式钢筋混凝土节点的构造形式，再结合FRP 筋的性质，总结出适合装配式 FRP 筋混凝土节点的构造形式。经过对国内外现有的装配式结构节点构

造形式的研究，发现目前应用最广泛的几种节点构造形式有焊接连接、螺栓连接、机械连接、套筒灌浆连接等。其中适合 FRP 筋的连接方式有: 套筒连接、绑接、胶结。选取预制钢筋混凝土结构中运用套筒连接、绑接、胶结连接的连接方式作为参考，经过综合分析，给出以下几种装配式钢筋混凝土节点的连接方式。

1)叠合式: 框架梁为叠合梁，梁上部钢筋穿过柱，再在节点处现浇混凝土，如图 1，图 2 所示。

2) 预制 FRP筋混凝土梁-柱节点连接设计。

上述给出的预制钢筋梁-柱节点中，除了一些涉及钢筋的处理方面，其他的节点构造形式都可以运用到预制 FRP 筋梁板节点中，如: 设置剪力键、设置沟槽、设置加强筋等等。而对于其中对筋材的处理，可以将焊接等连接改为套筒连接、绑接或胶结等。结合 FRP 筋的性质，提出了适合预制 FRP 筋混凝土的梁-柱节点连接方式，如图 3 所示。梁为预制 U 型梁，下半部分为预制，上半部分为现浇，柱为预制柱，梁纵筋用套筒、绑扎或胶结的形式连接，柱的纵筋用套筒连接。在一些情况下也可以将纵筋做成弯钩，不需进行连接，如图 3所示。  

图1 梁-柱节点构造

图2  梁-柱节点构造

图3  梁-柱节点构造

其中: 1) 剪力键: 增强结合面的抗剪能力; 2) 纵筋连接: 胶结、绑接; 3) 加强钢筋: 增强整体性，提高抗剪能力; 4) 沟槽: 增强整体性。

为增强FRP 筋与混凝土之间的粘结性能，主筋表面均做粘砂处理; 为保证新老混凝土的粘结力，对预制部分与现浇部分的水平结合面做人工粗糙面( 如拉毛、划痕等) 。

梁和柱通过梁柱节点连接成一个整体，并且通过梁柱节点将梁上荷载传递给柱，由于节点的位置不同，可区分为边节点和中节点。为了保证节点的稳定，特别是在地震作用下不至于预制梁从柱边缘脱落，在设计时我们规定了预制梁与柱的最小重叠距离为 40 mm。

3、有限元分析

参照前人实验，使用第二章中设计的节点构造形式，设计了多组装配式 GFＲP 筋混凝土节点在荷载作用下的实验模型，对 FＲP 筋混凝土框架结构进行分析。

3.1 模型的建立

3.1.1模型的简化

1) 建模过程中省去了底梁的建立，直接对柱底部设置固定约束限制了所有自由度。

2) 建模过程中对第二章中给出的节点构造形式进行简化，忽略了剪力键、沟槽等。

3.1.2 单元选取

混凝土采用八节点减缩积分实体单元 C3D8Ｒ 单元，筋材采用三维桁架线性实体单元 T3D2。

3.1.3 创建材料

混凝土取为 C30，钢筋采用HRB400。FRP 筋的参数为: 质量密度为2194，弹性模量为 4．4×1010，泊松比为 0．21，屈服应力为 6．6×108，塑性应变为 0。

3.1.4 定义接触

模型中纵筋及箍筋与混凝土的关系采用 embedded 约束条件。梁的箍筋同时处于现浇与预制梁之中，在定义 embedded 接触时，要先将箍筋在边界处进行分割。

对于叠合面的接触问题，预制和预制混凝土之间、预制与现浇混凝土之间的接触比较复杂。而新旧混凝土之间的作用包括了摩擦力和粘滞力。该文主要采用* contact 中的表面接触对进行模拟，接触面的摩擦理论选用允许“弹性滑移"的罚摩擦公式，接触属性采用软接触。通过参考《小型水利工程手册》中的混凝土间的摩擦系数取值，取现浇与预制混凝土之间的摩擦系数μ = 0．65。

3.1.5 边界条件

根据节点的实际受力情况，对节点的边界条件进行定义。对于梁柱节点，柱底采用固定约束限制所有自由度，控制柱顶 y 方向的位移。

3．2 试件的分组

首先，根据梁柱节点的位置，分为边节点和中节点。再根据筋材的不同，分为钢筋与 FRP 筋。最后再根据配筋率的不同进行分组。具体的分组情况如下:

第一组( ZL1) : 梁柱边节点，筋材采用 FRP 筋。

第二组( ZL2) : 梁柱边节点，筋材采用钢筋。

第三组( ZL3) : 梁柱边节点，筋材采用FRP筋，配筋率为第一组的二倍。

其中，节点的尺寸为: 柱的长宽高为 0．25 m×0．25 m×0．85 m，预制梁的长宽高为 0．15 m×0．15 m×1 m，现浇梁的高度为 0．13 m。柱与梁的箍筋为 8 的 FRP 筋，间距为 100 mm。

3．3 结果的处理

1) 极限承载力 采用 static risk 的分析步，再在节点的悬臂端施加荷载。

2) 悬臂端的位移 通过在悬臂端加载集中力，各组试件加载的集中力的大小相同，取 6 kN，求悬臂端的竖向位移。

3)最终得到模拟结果为：ZL1的极限承载力为6468.8N，悬臂端竖向位移为-0.000850915m；ZL2的极限承载力为7492.42N，悬臂端竖向位移为-0.000786242m；ZL3的极限承载力为7997.28N，悬臂端竖向位移为-0.000828862m；

由以上结果可以看出:

1) 在极限承载力方面，装配式钢筋混凝土节点大于装配式 FRP 筋混凝土节点。但是，当提高 FRP 筋的配筋率时，可以提高极限承载力。

2) 在悬臂端竖向位移方面，装配式钢筋混凝土节点小于装配式 FRP 筋混凝土节点。同样地，当提高FRP 筋的配筋率时，可以减小悬臂端的位移。

4、结论

对于海岛工程结构，使用装配式 FRP 筋混凝土，它最大的优点是耐腐蚀性，而对于承载力和位移方面的不足，可以通过增大配筋率等措施有效解决。因此在海水等腐蚀环境中，使用装配式FRP 筋混凝土将更有利于结构的长期稳定与安全。

使用装配式的结构类型，可以克服 FRP 筋在现场加工的问题，具有施工不受气候条件影响、工期短、节省模板等优点。同时，采用装配式的结构形式，也满足海岛结构快速施工的要求和国家对工业化的发展和环境保护的要求。

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