一、試件設計

   所有節點試件（本模擬取中節點，包含三種節點形式，平面節點PM、空間節點KJ、空間帶樓板節點KJS）均取自一PKPM設計的6層框架，原型結構如圖1所示，兩方向跨度均取5.4m，首層層高4.2m，其余各層層高均為3.6m。原型結構配筋計算由PKPM V3.1設計軟件完成，模型設計過程滿足《混凝土結構設計規混凝土結構50010-2010)與《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)相關要求。框架柱截面尺寸均取550mm×550mm，框架梁截面尺寸均取500mm×300mm，樓板厚度均取135mm。樓面恒載取5.0kN/m2，活載取2.0 kN/m2；屋面恒載取7.0 kN/m2，活載取0.5 kN/m2；梁上線荷載取16.0 kN/m。計算時所有構件均采用C30級混凝土，梁、板、柱受力縱筋均采用HRB400級鋼筋，梁、柱箍筋均采用HPB300級鋼筋。建筑結構抗震設防烈度取7度(0.15g)，地震分組為第一組，場地類別為II類，框架抗震等級為三級。原型結構梁與柱配筋結果見表1。

   圖1 節點取型和節點樣式

   考慮到后期試驗場地與試驗儀器的限制，模擬時按試驗設計試件，將原型梁-柱子結構進行2/3縮尺，得到試驗試件尺寸，試件配筋按照等配筋率進行縮尺設計。本試驗各試件柱截面尺寸均為350mm×350mm，梁截面尺寸均為350mm×200mm，其中裝配整體式構件預制梁截面為300mm×200mm，梁現澆層高80mm。模擬試件梁、柱配筋結果見表1。

表1 原型和縮尺后節點配筋

 圖2 模擬節點試件尺寸

    本次模擬采用共設計三種類型節點：平面節點PM(梁縱筋取14mm、16mm、18抗震性能0mm、22mm）直徑)、空間節點KJ(梁縱筋取14mm、16mm、18mm、20mm、22mm）、空間帶樓板節點KJS(梁縱筋取14mm、16mm、18mm、20mm、22mm）總共15個節點，以研究不同梁柱抗彎剛度比下的三種節點抗震性能。 其中梁柱抗彎強度Km比定義為梁截面正、負彎矩作用下的抗彎承載力之和比上上下柱截面抗彎承載力之和, 它主要決定著節點的破壞模式：梁端彎曲破壞、柱端彎曲破壞、核心區剪切破壞。 設計所有試件的軸壓比取0.3(750kN)。

表2 模擬試件參數表

二、有限元模型建立過程

 本構關系：

 本次模擬采用混凝土的損傷 2020，C30混凝土本構采用《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)建議的本構關系，鋼材采用清華大學曲哲博士開發的PQFiber子程序中的USsteel-03[參考文獻1]，其中CDP模型定義中混凝土的損傷因子均輸入荷載的施加以上。

相互作用：

 鋼筋骨架通過“嵌入”命令插入混凝土中，通過“耦合”命令將梁柱各個端面和參考點偶合在一起i，這樣方便邊界條件的設定和荷載的施加，如圖3。

施加荷載：

 圖3 荷載施加

 三種節點均是通過梁端加載完成，上下柱端面通過鉸接固定，然后在直交梁端施加相反方向的等值往復位移荷載。

網格和單元：

 混凝土采用八節點減縮積分的三維實體單元 (C3D8R)，網格為50mm；鋼筋采用兩節點三維桿單元(T3D2)，網格為50mm。

結果驗證：

 選取北京工業大學[參考文獻2]一空間節點KCJC1、KCJC2試算，驗證結果如下圖4，可見有限元模型結果能夠很好反應結構的實際承載力，縮減模型可用于后續節點分析。

 圖4 驗證結果

三、RC梁柱節點滯回性能分析

  1、節點變形分析

平面節點PM

不同抗彎強度比下平面節點(PM節點)的分析如下圖，由于頁面限制，五個km只取四個(D14、D16、D20、D22)做對比：

a 混凝土拉伸損傷

b 混凝土等效塑性應變

c 鋼筋米塞斯應力

圖5 平面節點

 簡要結論：隨著梁的配筋直徑變大，由D14增大到D22，梁柱抗彎承載力比的增大，PM節點的變形又梁端的彎曲破壞向節點核心區剪切破壞，再向柱端彎曲破壞和節點核心區剪切混合破壞過度。相應的模擬結果展示為，，柱子的拉伸損傷和柱子的混凝土塑性應變逐漸增加，更多鋼筋在核心區和柱端屈服。

  空間節點KJ

不同抗彎強度比下平面節點(KJ節點)的分析如下圖，由于頁面限制，五個km只取四個(D14、D16、D20、D22)做對比：

a 混凝土拉伸損傷

b 鋼筋米塞斯應力

圖6 空間節點

 簡要結論：隨著梁的配筋直徑變大，梁柱抗彎承載力比的增大，空間節點由于空間的組合效應，柱子沿著主軸45°方向空間受力，核心區和柱子的變形和損傷相比相應的平面節點來的更早更嚴重。

  空間帶樓板節點KJS

不同抗彎強度比下平面帶樓板節點(KJS節點)的分析如下圖，由于頁面限制，五個km只取四個(D14、D16、D20、D22)做對比：

a 梁柱混凝土拉伸損傷

b 樓板混凝土拉伸損傷

c 鋼筋米塞斯應力

圖7 空間帶樓板節點

  簡要結論：隨著Km增加，梁的彎曲變形減小，相應的板的損傷也減小；核心區和柱端變形加大，當 km取到0.72時，節點的變形主要為核心區剪切變形和柱端壓彎變形。

         也可看出梁的存在使得其抗彎剛度大大增加，即使在km很小的時候(取0.57)，平面帶樓板節點(KJS節點)就開始伴隨一定的核心區剪切和柱端彎曲破壞，這對結構是極其不利的，設計師必須重視，在設計時加以考慮。

  2、節點滯回曲線分析(承載力)

   平面節點PM：

圖8 平面節點滯回曲線及其對比

  簡要結論：梁端滯回曲線，在km較小的時候，發生的是梁端彎曲變形，屬于延性變形，滯回曲線很飽滿，節點整體耗能能力很好；Km變大后，發生的是核心區剪切變形，屬于脆性變形，滯回曲線很扁，耗能能力變差。

   空間節點KJ ：

圖9 空間節點滯回曲線及其對比

  簡要結論：空間節點滯回曲線飽滿程度不如平面節點，因為雙向受力下，即使很小的km也有一定的核心區剪切變形。

   空間帶樓板節點KJS ：

圖10 空間帶樓板節點滯回曲線及其對比

  簡要結論：滯回曲線整體上都很扁，因為樓板加強了梁的整體抗彎強度使梁的變形減小，即使km很小的時候也有核心區的剪切變形發生；并且km大到一定程度后，由于都發生核心區剪切變形，控制截面不在梁上，所示此時增大km，對節點整體承載力也不起作用。

  同一種km不同節點受力形式對比

為對比相同配筋下節點不同受力模式：平面受力、空間受力、空間帶樓板受力(樓板連帶作用)，對承載力的影響，取了四種km節點不同受力模式作為對比如下圖11。

圖11 同一節點抗彎強度比下平面、空間、空間帶樓板節點承載力對比

 簡要結論：1、同一種Km下，平面節點承載力要比空間節點大10%~20%，與文獻 [搜知網空間節點相關文獻結果] 結果一致；

         2、空間帶樓板節點由于樓板加大了梁的整體彎曲強度，所以節點承載力得到很大提升，但是隨著km增大，提升逐漸不明顯，因為此時控制截面已不再梁上。

  變化軸壓比對節點承載力影響

  這里取了PM-D16和PM-D20兩個節點來研究柱端軸壓比對梁端承載力影響，軸壓比分別從0.2增大到0.6，結果如下圖12所示。

圖12 同一節點不同軸壓比

 簡要結論：可見在km很小的時候，控制截面在梁上，此時增大軸壓比對梁端承載力影響甚微；較大的km時，控制截面在節點核心區和柱上，增大軸壓比(合適的軸壓比0.6，屬于有利的軸壓比范圍)會減輕柱子和核心區的損傷，使得節點承載力增大，耗能能力變大。

四、參賽結語

計算機狀況：AMD-4800H cpu  8核16線程  16G

計算時間：平面節點：1小時（四核）

        空間節點：1.5小時（四核）

        空間帶樓板節點：5小時（四核）

計算任務：隱式分析

  參賽作品后期準備錄制視頻在技術鄰平臺發布，有做裝配式RC節點的同學可以和我私信交流，相互探討。