基于ABAQUS的超高性能混凝土柱抗震性能模擬

顧佳培 鄧宗才

摘要：為了探究新型水泥基復(fù)合材料-超高性能混凝土（Ultra high performance concrete）的抗震性能，結(jié)合3根低周反復(fù)荷載作用下UHPC柱的試驗(yàn)，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)UHPC柱進(jìn)行了有限元建模。模擬所得滯回曲線(xiàn)和試驗(yàn)結(jié)果符合較好，證明了本文所建立的有限元模型的正確性，為UHPC柱抗震性能的數(shù)值研究提供參考。

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土柱；抗震性能；低周反復(fù)荷載；有限元分析

超高性能混凝土（Ultra high performance concrete）具有超高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，在建筑物日趨向大跨度、超高層以及深海發(fā)展的時(shí)期，UHPC優(yōu)異的性能使其成為了一種具有很大發(fā)展前景的材料。

本文基于3根UHPC柱的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，利用有限元軟件ABAQUS建立了UHPC柱的模型，介紹了建模的具體過(guò)程和參數(shù)取值，并將有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出兩者的吻合性較好。

1.試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)UHPC柱均為方形，柱截面尺寸為250mm×250mm，柱高分為375mm、500mm和1000mm三種，共3個(gè)試件?；炷量箟簭?qiáng)度為120MPa，采用對(duì)稱(chēng)配筋，縱筋直徑為16mm，箍筋直徑為10mm。具體配筋見(jiàn)圖1。試驗(yàn)軸壓比為0.2。UHPC柱參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用力-位移加載方式，試件屈服前采用力控制，分別加載預(yù)估屈服荷載的25%、50%、75%、100%，每級(jí)荷載循環(huán)一次；試件屈服之后采用位移控制，每級(jí)位移分別為Δy、2Δy、3Δy……，Δy為試件屈服位移，每級(jí)位移下循環(huán)2次。當(dāng)加載承載力下降到最大荷載值的85%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

2.有限元建模

UHPC采用ABAQUS中的損傷塑性模型，參數(shù)取值參考李吳煜[1]研究結(jié)果，膨脹角取為38°，偏心率取0.1，雙軸受壓極限強(qiáng)度/單軸受壓極限強(qiáng)度的比值取1.14，不變應(yīng)力比取0.6667，粘性系數(shù)取0.005。UHPC應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[2-3]所提模型。UHPC的損傷因子采用能量等效法求得。鋼筋采用理想彈塑性模型，屈服強(qiáng)度為472MPa。

UHPC單元采用ABAQUS中的C3D8R單元，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，具有塑性變形和蠕變特性，可以形象描述UHPC帶裂縫工作的性質(zhì)；鋼筋單元采用T3D2單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，只能承受拉伸和壓縮荷載，不能承受剪力和彎矩；模型的網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化劃分法，采用全局尺寸0.05劃分；采用柱端加載的方式，在模型柱頂端中心處建立參考點(diǎn)RP1，將參考點(diǎn)與柱頂表面耦合在一起，考慮鋼筋和UHPC的接觸，采用內(nèi)置區(qū)域的方式，將鋼筋骨架嵌入U(xiǎn)HPC中；柱底面采用固端約束，沒(méi)有任何的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.結(jié)果分析

模擬完成后提取加載點(diǎn)RP1的反力和位移數(shù)據(jù)，繪制出柱的滯回曲線(xiàn)。將有限元模擬所得滯回曲線(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

由圖3可以得出：（1）柱端水平荷載達(dá)到峰值之前模擬曲線(xiàn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合較好；（2）在峰值荷載之后，尤其是試件達(dá)到極限位移之后，模擬曲線(xiàn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)有所偏離，試驗(yàn)滯回曲線(xiàn)明顯更為飽滿(mǎn)，滯回環(huán)面積更大。其原因在于有限元建模時(shí)并沒(méi)有對(duì)鋼纖維單獨(dú)建模，因此無(wú)法考慮到峰值荷載后，在UHPC短柱裂縫處大量分布的鋼纖維發(fā)揮的耗能作用；（3）隨著剪跨比的增大，UHPC柱的滯回環(huán)明顯更加飽滿(mǎn)，滯回性能提高。

4.結(jié)論

本文基于超高性能混凝土柱的試驗(yàn)進(jìn)行了有限元建模，介紹了UHPC柱建模的方法。與試驗(yàn)滯回曲線(xiàn)對(duì)比得出較好的吻合性，為UHPC柱抗震性能的有限元模擬提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]李吳煜.RPC材料的塑性損傷本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別及有限元驗(yàn)證[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[2]吳有明.活性粉末混凝土（RPC）受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2012.

[3]楊志慧.不同鋼纖維摻量活性粉末混擬土的抗拉力學(xué)特性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2006.

[4]朱伯龍，姚振綱，呂西林.結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)[M].北京：地震出版社，1989.

作者簡(jiǎn)介：顧佳培（1993-），男，漢族，浙江寧波，碩士研究生，研究方向?yàn)槔w維混凝土。

（作者單位：北京工業(yè)大學(xué)城市與工程防災(zāi)減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）