装配式建筑连接节点力学性能试验与数值模拟分析

引言

随着建筑行业的持续发展，装配式建筑以其高效、环保、质量可控等显著优势，逐渐成为建筑工业化的主流趋势。在装配式建筑中，连接节点作为结构传力的关键部位，其力学性能直接决定了整个结构的安全性、可靠性和耐久性。因此，深入研究装配式建筑连接节点的力学性能具有至关重要的理论和工程实际意义。

一、装配式建筑连接节点力学性能试验

1. 试验节点设计与制作

本试验选取装配式混凝土框架节点与装配式钢结构节点作为研究对象，重点考察其在典型荷载作用下的力学行为。混凝土节点采用预制梁柱与现浇节点区相结合的“半装配”构造，梁端预留纵向受力钢筋，通过灌浆套筒与柱纵筋连接，节点核心区采用高强度后浇混凝土，并配置 HRB400 级加密箍筋，间距为 50mm ，以增强其抗剪承载力与约束混凝土能力，防止剪切脆性破坏。

钢结构节点选取梁 - 柱端板螺栓连接形式，梁翼缘与柱采用高强度摩擦型螺栓连接，腹板设置剪力连接板，部分试件辅以现场焊接，以模拟实际工程中常见的混合连接方式。钢材材质为Q345B，端板厚度设计满足节点等强度要求，螺栓预紧力按规范施加，确保连接界面的紧密性与传力可靠性。

所有试件均在专业预制工厂内完成构件加工与初步组装，严格遵循《装配式混凝土结构技术规程》（JGJ 1）与《钢结构工程施工质量验收标准》（GB50205）进行质量控制。混凝土构件养护至 28 天强度达标后进行吊装拼接，钢结构构件进行表面处理与防腐涂装。节点安装精度控制在 ±2mm 以内，确保试验边界条件的准确性与可重复性，为后续加载试验提供可靠试件基础。

2. 试验加载方案与测试内容

试验加载方案采用单调加载与低周反复加载两种模式，分别模拟节点在静力与地震作用下的力学响应。单调加载旨在评估节点的极限承载力、刚度退化特性及整体变形能力，加载至试件承载力下降至峰值荷载的 85% 或发生明显结构性破坏为止。反复加载则依据《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101）设计荷载制度，采用荷载 - 位移混合控制方式，初期以荷载控制分级施加，进入弹塑性阶段后转为位移控制，按 0.5Δy 、Δy、 1.5Δy 、2Δy……（Δy 为屈服位移）逐级递增，每级循环 3 次，直至试件失效。加载速率根据试件类型与加载阶段进行优化设定，混凝土节点位移加载速率为 0.8mm/min ，钢结构节点为 1.0mm/ min，以保证加载过程的稳定性并避免速率效应干扰试验结果。

测试系统集成多通道电测装置与数字图像变形测量技术（DIC），实现对节点关键区域的全场变形与局部应变的同步采集。在梁端、柱端、节点核心区及连接界面等部位布设电阻应变片与振弦式应变计，监测钢材与混凝土的应力发展；采用 LVDT 位移传感器测量节点转角、梁端位移及滑移量，布置方案满足边界条件与变形协调要求。荷载数据由高精度荷载传感器实时记录，采样频率设置为 10Hz ，确保动态响应的完整性。所有传感器信号经数据采集系统自动存储，并与加载控制系统联动，实现试验全过程的闭环监控与异常预警。通过上述精细化测试体系，全面获取节点在不同受力阶段的荷载 - 位移滞回曲线、应变分布演化规律、裂缝开展特征及破坏形态，为后续性能评估与数值模型验证提供可靠依据。

二、装配式建筑连接节点数值模拟分析

1. 有限元模型建立

利用有限元软件 ABAQUS 建立装配式建筑连接节点的三维实体模型，几何构型严格依据试验试件尺寸进行建模，确保边界条件与加载方式的一致性。混凝土构件采用八节点线性减缩积分单元（C3D8R），钢材部件（包括梁柱型钢及连接板件）采用C3D8R 与壳单元（S4R）相结合的方式，兼顾计算精度与效率。接触关系依据实际连接形式设定，钢筋与混凝土之间采用嵌入约束（EmbeddedRegion），螺栓连接区域则通过“面 - 面”接触算法模拟，切向摩擦系数取 0.3，法向采用“硬接触”行为，以准确反映接触传力机制。

材料本构模型充分考虑非线性行为。混凝土采用混凝土损伤塑性模型（CDP），定义受拉损伤与受压损伤演化参数，结合试验获得的应力 - 应变关系曲线标定模型参数，合理反映混凝土开裂、压碎及刚度退化特性。钢材采用双线性随动硬化弹塑性模型，屈服准则为 Mises 屈服准则，强化段取材性试验所得屈服后模量，确保材料非线性响应的准确性。几何非线性通过开启“*NLGEOM”选项予以考虑，以捕捉大变形条件下的结构响应特征。

在关键区域，如节点核心区、钢筋锚固段、焊缝与螺栓连接区，实施局部网格加密，最小单元尺寸控制在 10--15mm 范围内，确保应力集中区域的计算精度。整体模型通过合理设置边界条件，模拟试验中的固定支座与加载点约束，加载方式与试验保持一致，采用位移控制加载制度，逐级施加目标位移。所有分析步设置自动时间增量控制，保证求解收敛性与计算稳定性。该有限元模型能够有效再现连接节点在复杂受力状态下的非线性力学行为，为后续参数分析与性能评估提供可靠数值平台。

2. 数值模拟结果与试验结果对比分析

荷载 - 位移曲线的对比显示，数值模拟与试验结果在整体趋势、刚度退化过程及峰值承载力方面高度吻合。模拟曲线在弹性阶段、屈服点及极限承载段均能准确再现试验数据，误差控制在 8% 以内，表明模型对结构整体力学行为的捕捉具有较高精度。

在应力分布方面，有限元分析有效反映了关键区域的应力集中特征。节点核心区、梁端塑性铰区及螺栓连接部位的高应力区分布与试验中应变片实测结果一致，尤其在梁柱交界处，模拟结果清晰呈现了混凝土受压区应力梯度与钢筋主应力传递路径，验证了接触与材料本构模型的合理性。

破坏模式的对比表明，数值模拟准确再现了试验中的典型破坏机制。混凝土开裂起裂位置、裂缝扩展路径与受压区剥落区域与试验观测基本一致；钢结构节点中，焊缝热影响区的塑性发展及螺栓滑移行为亦在模拟中得到合理体现。对于装配式混凝土节点，模拟结果准确反映了钢筋锚固滑移与界面剪切破坏的耦合效应；对于钢节点，局部屈曲的发生位置与屈曲模态与试验吻合良好。

综上，数值模拟在荷载响应、应力场演化及破坏形态三个关键方面均与试验结果保持良好一致性，充分验证了有限元模型在几何非线性、材料非线性及接触非线性耦合作用下的准确性与可靠性。该模型可为后续参数化分析及节点性能评估提供可信的数值平台。

结论

本研究通过对装配式建筑连接节点进行力学性能试验和数值模拟分析，取得了以下主要结论：

通过试验研究，准确获取了装配式混凝土框架节点和装配式钢结构节点的力学性能参数，包括承载能力、变形特征、抗震性能等，为节点的设计和评估提供了直接的试验数据支持。

利用有限元软件建立的数值模型能够准确模拟节点在不同工况下的力学响应，模拟结果与试验结果具有良好的一致性，验证了数值模型的可靠性。

综合试验和数值模拟结果，深入揭示了装配式建筑连接节点的力学性能和破坏机理，为节点的设计优化提供了科学依据。通过优化节点的构造形式、材料选择和连接方式等，可以有效提高节点的力学性能和抗震性能。

参考文献

[1] 贺文龙 . 新型预制装配式节点连接性能的试验研究与数值模拟 [D]. 广东省 : 深圳大学 ,2020.

[2] 李羿锋 . 预制装配式建筑节点连接技术的力学性能分析与优化设计 [J/OL]. 中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 ,2024(11)[2024-11-01].