無粘結預應力裝配式框架中節點抗震性能分析

程思嫄 廖繼飛 古 巍 張曉燕

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

無粘結預應力裝配式框架中節點抗震性能分析

程思嫄1廖繼飛2古 巍1張曉燕1

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

利用ABAQUS軟件對預應力裝配式框架中節點開展了低周反復加載下的有限元模擬分析，結合無粘結預應力裝配式框架中節點在低周往復荷載下的試驗，利用ABAQUS通用有限元計算軟件建立對應框架節點的有限元模型，進行了預制裝配式框架節點有限元模擬分析，對比分析試驗結果和有限元分析結果，表明有限元模擬結果與試驗結果能較好的吻合，證明了有限元模擬手段具有較好的可靠性和有效性。

預應力,裝配式框架節點,ABAQUS有限元模擬

1 ABAQUS數值模擬有限元模型設計

1.1 節點模型設計

本文ABAQUS有限元模型是基于董挺峰等[1]的無粘結預應力裝配式框架內節點的抗震試驗設計的。根據文獻[2][3]試驗的四個試件，建立相對應的有限元模型，分別為現澆混凝土中節點模型YMCJ、預應力筋偏心距為140 mm的裝配式框架中節點模型YPCJ-3、預應力筋偏心距為0 mm的裝配式框架中節點模型YPCJ-1、預應力筋偏心距為95 mm的裝配式框架中節點模型YPCJ-2。

為了準確地與試驗結果進行對比分析，所有有限元模型的尺寸、混凝土強度、鋼筋力學性能、邊界條件等均與相對應的試驗參數保持一致。該模型梁柱的混凝土強度等級均為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構件保持一致，節點的具體尺寸情況以及內部配筋情況見圖1。

1.2 節點邊界條件及加載情況

根據試驗裝置對節點的約束情況，ABAQUS程序中有限元模擬邊界條件計算簡圖如圖2所示。在節點柱頂施加位移荷載，梁端在加載過程中能夠在水平方向移動，不可以發生上下和垂直平面移動。柱端垂直向下不變的壓力提供與試驗相同的軸壓比。節點柱底端固定約束，兩側梁端采用鉸接，與試驗保持一致。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位移荷載相對位移角為：0.1%,0.25%,0.5%,0.75%,1%,1.5%,2%,2.5%,3%,3.5%,4.0%,剛開始先加載一個循環，以后加載為三個循環[4]。

1.3 單元類型選擇和本構關系

本文里有限元模型中的梁、柱、墊板和灌漿料都采用實體單元，非預應力耗能筋和預應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”參數的選擇基于GB 50010—2010混凝土結構設計規范取值[4]。非預應力鋼筋本構關系選擇雙折線彈塑性模型，預應力筋本構關系應選擇線性彈性材料模型，預應力的施加采用降溫法[7]。

2 有限元結果分析

2.1 節點滯回性能對比分析

四個節點的滯回曲線如圖4所示。

有限元分析模型滯回曲線與試驗構件滯回曲線相比沒有出現明顯的捏攏，主要因為ABAQUS程序中節點鋼筋與混凝土之間沒有考慮粘結滑移相互作用。

從圖4中節點YPCJ-1～YPCJ-3滯回曲線的形狀特點可以看出，因為節點位移荷載作用前期構件主要發生彈性變形，滯回環面積較小，地震耗散能力發揮不充分，伴隨著水平位移荷載的加大，節點損傷積累發生破壞，節點進入塑性變形階段，滯回環面積出現增大的趨勢，地震耗散能力得到充分發揮；節點達到屈服荷載后，柱端反力荷載呈現緩慢下降的趨勢，該趨勢一直持續到構件完全破壞。

從開裂到屈服期間，在相同級別水平位移的3個周期位移荷載內，可以發現后2次周期荷載的能量耗散值要低于第1個周期，這與試驗結果一致。

2.2 節點骨架曲線對比分析

圖5是將每一級荷載第一循環中加載極值點進行連接所得的各個試件骨架曲線。

根據圖5可以看出，位移荷載作用前期，預應力裝配式框架中節點YPCJ-1,YPCJ-2節點最大荷載與現澆節點YMCJ相差不大，YPCJ-3節點最大荷載最小，說明預應力筋距離中點過遠，降低了預應力的作用效果。加載后期YPCJ-1～YPCJ-3節點承載能力下降比YMCJ快，但是依然表現了較好的延性。

根據預應力裝配式節點YPCJ-1～YPCJ-3骨架曲線可以發現，在加載前期階段，荷載增長較快，最大荷載值與試驗結果相差在10%以下，當鋼筋達到屈服強度以后，節點承載能力開始出現下降趨勢。下降趨勢一直持續到加載后期，混凝土破壞嚴重，普通鋼筋達到極限強度導致試件破壞，節點承載能力進一步下降，這與試驗反映的下降規律較為吻合。

2.3 節點抗震性能評價

2.3.1 延性系數

各試件延性系數如表1所示。

表1 試件的延性系數

從表1可以看出，由于預應力筋始終處于彈性階段，預應力作用的效果，YPCJ-1～YPCJ-3延性比現澆混凝土構件好，這與試驗結果比較吻合。

2.3.2 等效粘滯阻尼系數

各試件等效粘滯阻尼系數見圖6。

從圖6中看出預應力裝配式中節點YPCJ-1～YPCJ-3之間耗能能力差異不大，總體比現澆中節點YMCJ要好，這主要是因為預應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揮耗能作用。

3 結語

本文通過對YMCJ,YPCJ-1～YPCJ-3四種節點形式有限元結果分析對比，得出以下結論：

1)各試件有限元分析結果與試驗結果相比，在試件破壞過程、滯回性能、耗能能力、延性系數、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點抗震受力機制具有較好的可靠性。

2)各試件有限元分析結果中滯回面積比試驗結果滯回面積大，由于預應力筋的作用，YPCJ-1～YPCJ-3構件捏縮效應比YMCJ構件大，但相比于試驗結果仍不夠明顯，這主要是因為有限元分析中未考慮鋼筋與混凝土的粘結滑移變形。

3)預應力裝配式節點在極限位移、屈服位移方面略差于現澆混凝土構件，在耗能能力、延性系數方面要好于現澆混凝土構件。

4)各試件有限元分析結果相比試驗結果較早達到最大荷載，這是因為實際試驗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.無粘結預應力裝配式框架內節點抗震性能研究[J].北京工業大學學報，2006,32(2)：144-154.

[2] 王玉錫.ABAQUS結構工程分析及實例詳解[M].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[3] 樓鐵炳.無粘結預應力梁的有限元建模與性能分析研究[D].杭州：浙江大學,2005.

[4] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[5] 向先偉.預制預應力混凝土框架邊節點抗震性能試驗研究[D].揚州：揚州大學,2012.

[6] 宋滿榮,黃慎江,昂正文.三層預壓裝配式預應力混凝土框架的靜力彈塑性分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2015，38(4)：23-26.

[7] 何麗麗.預壓裝配式預應力混凝土框架擬靜力分析[D].合肥:合肥工業大學,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，一級結構工程師； 古 巍(1983- )，男，碩士,講師，二級結構工程師； 張曉燕(1988- )，女，碩士，助教

TU352.1

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