無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式框架中節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

程思嫄 廖繼飛 古 巍 張曉燕

(1.四川大學(xué)錦江學(xué)院,四川 彭山 620860； 2.重慶建筑科學(xué)研究院，重慶 630000)

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式框架中節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

程思嫄1廖繼飛2古 巍1張曉燕1

(1.四川大學(xué)錦江學(xué)院,四川 彭山 620860； 2.重慶建筑科學(xué)研究院，重慶 630000)

利用ABAQUS軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力裝配式框架中節(jié)點(diǎn)開展了低周反復(fù)加載下的有限元模擬分析，結(jié)合無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式框架中節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載下的試驗(yàn)，利用ABAQUS通用有限元計(jì)算軟件建立對(duì)應(yīng)框架節(jié)點(diǎn)的有限元模型，進(jìn)行了預(yù)制裝配式框架節(jié)點(diǎn)有限元模擬分析，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果，表明有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好的吻合，證明了有限元模擬手段具有較好的可靠性和有效性。

預(yù)應(yīng)力,裝配式框架節(jié)點(diǎn),ABAQUS有限元模擬

1 ABAQUS數(shù)值模擬有限元模型設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)

本文ABAQUS有限元模型是基于董挺峰等[1]的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式框架內(nèi)節(jié)點(diǎn)的抗震試驗(yàn)設(shè)計(jì)的。根據(jù)文獻(xiàn)[2][3]試驗(yàn)的四個(gè)試件，建立相對(duì)應(yīng)的有限元模型，分別為現(xiàn)澆混凝土中節(jié)點(diǎn)模型YMCJ、預(yù)應(yīng)力筋偏心距為140 mm的裝配式框架中節(jié)點(diǎn)模型YPCJ-3、預(yù)應(yīng)力筋偏心距為0 mm的裝配式框架中節(jié)點(diǎn)模型YPCJ-1、預(yù)應(yīng)力筋偏心距為95 mm的裝配式框架中節(jié)點(diǎn)模型YPCJ-2。

為了準(zhǔn)確地與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，所有有限元模型的尺寸、混凝土強(qiáng)度、鋼筋力學(xué)性能、邊界條件等均與相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)保持一致。該模型梁柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C50，梁截面尺寸為200 mm×380 mm，柱截面尺寸為300 mm×300 mm，梁柱配筋和截面尺寸，對(duì)于所有模型都是一樣的，YPCJ-1,YPCJ-2,YPCJ-3梁柱交界處的梁端上部和下部混凝土螺旋箍筋的布置與試驗(yàn)構(gòu)件保持一致，節(jié)點(diǎn)的具體尺寸情況以及內(nèi)部配筋情況見圖1。

1.2 節(jié)點(diǎn)邊界條件及加載情況

根據(jù)試驗(yàn)裝置對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束情況，ABAQUS程序中有限元模擬邊界條件計(jì)算簡圖如圖2所示。在節(jié)點(diǎn)柱頂施加位移荷載，梁端在加載過程中能夠在水平方向移動(dòng)，不可以發(fā)生上下和垂直平面移動(dòng)。柱端垂直向下不變的壓力提供與試驗(yàn)相同的軸壓比。節(jié)點(diǎn)柱底端固定約束，兩側(cè)梁端采用鉸接，與試驗(yàn)保持一致。ABAQUS程序中柱頂端部位移荷載加載制度如圖3所示。采用變幅與等幅混合加載方式，施加的柱端水平反復(fù)位移荷載相對(duì)位移角為：0.1%,0.25%,0.5%,0.75%,1%,1.5%,2%,2.5%,3%,3.5%,4.0%,剛開始先加載一個(gè)循環(huán)，以后加載為三個(gè)循環(huán)[4]。

1.3 單元類型選擇和本構(gòu)關(guān)系

本文里有限元模型中的梁、柱、墊板和灌漿料都采用實(shí)體單元，非預(yù)應(yīng)力耗能筋和預(yù)應(yīng)力筋鋼筋采用桁架單元[5]。混凝土采用損傷塑性模型，“受壓行為”和“拉伸行為”參數(shù)的選擇基于GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取值[4]。非預(yù)應(yīng)力鋼筋本構(gòu)關(guān)系選擇雙折線彈塑性模型，預(yù)應(yīng)力筋本構(gòu)關(guān)系應(yīng)選擇線性彈性材料模型，預(yù)應(yīng)力的施加采用降溫法[7]。

2 有限元結(jié)果分析

2.1 節(jié)點(diǎn)滯回性能對(duì)比分析

四個(gè)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線如圖4所示。

有限元分析模型滯回曲線與試驗(yàn)構(gòu)件滯回曲線相比沒有出現(xiàn)明顯的捏攏，主要因?yàn)锳BAQUS程序中節(jié)點(diǎn)鋼筋與混凝土之間沒有考慮粘結(jié)滑移相互作用。

從圖4中節(jié)點(diǎn)YPCJ-1～YPCJ-3滯回曲線的形狀特點(diǎn)可以看出，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)位移荷載作用前期構(gòu)件主要發(fā)生彈性變形，滯回環(huán)面積較小，地震耗散能力發(fā)揮不充分，伴隨著水平位移荷載的加大，節(jié)點(diǎn)損傷積累發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性變形階段，滯回環(huán)面積出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，地震耗散能力得到充分發(fā)揮；節(jié)點(diǎn)達(dá)到屈服荷載后，柱端反力荷載呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，該趨勢(shì)一直持續(xù)到構(gòu)件完全破壞。

從開裂到屈服期間，在相同級(jí)別水平位移的3個(gè)周期位移荷載內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)后2次周期荷載的能量耗散值要低于第1個(gè)周期，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 節(jié)點(diǎn)骨架曲線對(duì)比分析

圖5是將每一級(jí)荷載第一循環(huán)中加載極值點(diǎn)進(jìn)行連接所得的各個(gè)試件骨架曲線。

根據(jù)圖5可以看出，位移荷載作用前期，預(yù)應(yīng)力裝配式框架中節(jié)點(diǎn)YPCJ-1,YPCJ-2節(jié)點(diǎn)最大荷載與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)YMCJ相差不大，YPCJ-3節(jié)點(diǎn)最大荷載最小，說明預(yù)應(yīng)力筋距離中點(diǎn)過遠(yuǎn)，降低了預(yù)應(yīng)力的作用效果。加載后期YPCJ-1～YPCJ-3節(jié)點(diǎn)承載能力下降比YMCJ快，但是依然表現(xiàn)了較好的延性。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力裝配式節(jié)點(diǎn)YPCJ-1～YPCJ-3骨架曲線可以發(fā)現(xiàn)，在加載前期階段，荷載增長較快，最大荷載值與試驗(yàn)結(jié)果相差在10%以下，當(dāng)鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度以后，節(jié)點(diǎn)承載能力開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。下降趨勢(shì)一直持續(xù)到加載后期，混凝土破壞嚴(yán)重，普通鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度導(dǎo)致試件破壞，節(jié)點(diǎn)承載能力進(jìn)一步下降，這與試驗(yàn)反映的下降規(guī)律較為吻合。

2.3 節(jié)點(diǎn)抗震性能評(píng)價(jià)

2.3.1 延性系數(shù)

各試件延性系數(shù)如表1所示。

表1 試件的延性系數(shù)

從表1可以看出，由于預(yù)應(yīng)力筋始終處于彈性階段，預(yù)應(yīng)力作用的效果，YPCJ-1～YPCJ-3延性比現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件好，這與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

2.3.2 等效粘滯阻尼系數(shù)

各試件等效粘滯阻尼系數(shù)見圖6。

從圖6中看出預(yù)應(yīng)力裝配式中節(jié)點(diǎn)YPCJ-1～YPCJ-3之間耗能能力差異不大，總體比現(xiàn)澆中節(jié)點(diǎn)YMCJ要好，這主要是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋始終處于彈性階段，能夠很好的約束梁與柱，普通鋼筋和混凝土能夠充分地發(fā)揮耗能作用。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)YMCJ,YPCJ-1～YPCJ-3四種節(jié)點(diǎn)形式有限元結(jié)果分析對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1)各試件有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比，在試件破壞過程、滯回性能、耗能能力、延性系數(shù)、殘余變形方面均能較好的吻合，證明通過有限元建模分析節(jié)點(diǎn)抗震受力機(jī)制具有較好的可靠性。

2)各試件有限元分析結(jié)果中滯回面積比試驗(yàn)結(jié)果滯回面積大，由于預(yù)應(yīng)力筋的作用，YPCJ-1～YPCJ-3構(gòu)件捏縮效應(yīng)比YMCJ構(gòu)件大，但相比于試驗(yàn)結(jié)果仍不夠明顯，這主要是因?yàn)橛邢拊治鲋形纯紤]鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移變形。

3)預(yù)應(yīng)力裝配式節(jié)點(diǎn)在極限位移、屈服位移方面略差于現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件，在耗能能力、延性系數(shù)方面要好于現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件。

4)各試件有限元分析結(jié)果相比試驗(yàn)結(jié)果較早達(dá)到最大荷載，這是因?yàn)閷?shí)際試驗(yàn)中混凝土存在微裂縫，而有限元模擬不存在這一問題。

[1] 董挺峰,李振寶,周錫元,等.無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式框架內(nèi)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,32(2)：144-154.

[2] 王玉錫.ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] 樓鐵炳.無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的有限元建模與性能分析研究[D].杭州：浙江大學(xué),2005.

[4] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 向先偉.預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架邊節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué),2012.

[6] 宋滿榮,黃慎江,昂正文.三層預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架的靜力彈塑性分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015，38(4)：23-26.

[7] 何麗麗.預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架擬靜力分析[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

Onjointseismicperformanceinunbondedprestressedassemblyframework

ChengSiyuan1LiaoJifei2GuWei1ZhangXiaoyan1

(1.JinjiangCollege,SichuanUniversity,Pengshan620860,China;2.ChongqingAcademyofArchitecture,Chongqing630000,China)

The paper adopts the ABAQUS software to undertake the finite element model under the reversed cyclic loading of the joints at the prestressed assembly framework, utilizes ABAQUS to establish the finite element model for the respective framework joints with the finite element software by combining with the test of the unbonded prestressed assembly framework under the reversed cyclic loading, undertakes the finite element simulation analysis of the prestressed assembly framework, undertakes the comparative analysis of the test results and the finite element analysis results, proves the simulation result of the finite element is consistent with the test results, and proves the finite element simulation measures are reliable and effective.

prestress, assembly framework joint, ABAQUS finite element simulation

1009-6825(2017)23-0044-03

2017-06-05

程思嫄(1988- )，女，碩士，助教； 廖繼飛(1988- )，男，碩士，助理工程師，一級(jí)結(jié)構(gòu)工程師； 古 巍(1983- )，男，碩士,講師，二級(jí)結(jié)構(gòu)工程師； 張曉燕(1988- )，女，碩士，助教

TU352.1

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