基于OpenSees的預應力預制裝配式框架節(jié)點的有限元模型

關鍵詞：預應力預制;框架節(jié)點;OpenSees;有限元

中圖分類號：TU378.4;TU311.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）06-0012-03

Keywords：prestress prefabrication;frame node;OpenSees;finite element

0 ?引 ?言

由于預應力預制裝配式框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點通常需要二次澆筑，從而導致節(jié)點容易成為薄弱部位，在地震反復荷載下發(fā)生破壞。為了滿足強節(jié)點的要求，需要對節(jié)點進行大量的研究，試驗無疑是研究節(jié)點受力性能的重要途徑，但也存在著耗時、耗力的缺點。有限元模擬可以很好的解決這個問題，對節(jié)點的抗震性能做出準確的預估。節(jié)點處理方法將直接影響分析的準確與否與模擬精度。

表1總結(jié)了眾多學者對預應力預制裝配式框架節(jié)點有限元模擬的分析方法和模型缺點。由表可看出以往的建模方式比較復雜且不能很好的反映節(jié)點區(qū)真實的力學行為。提出了一種基于OpenSees的預應力預制裝配式框架節(jié)點的有限元模型，結(jié)合國內(nèi)已有的試驗模型驗證所建立節(jié)點有限元模型的合理性[1]。

1 ?預應力預制裝配式框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

1.1 ?試驗介紹

本文選取柳炳康等人完成的兩層兩跨預應力預制裝配式框架結(jié)構(gòu)試驗模型，進行OpenSees的有限元模擬。試驗框架層高1.6m，梁凈跨3.0m，采用預應力鋼絞線張拉，張拉控制應力為0.75fpt，屈服強度和極限強度分別為1811N/mm2和1974N/mm2，結(jié)構(gòu)采用HRB335的非預應力筋和HPB235的箍筋。試驗具體尺寸、配筋信息詳見文獻[1]。

試驗選用EI Centro波，按地震波幅值分為110gal，220gal，320gal三種試驗工況進行加載。在試驗過程中，首先在柱頂和跨中施加豎向荷載至穩(wěn)定狀態(tài)，再利用作動器施加水平荷載模擬地震作用。

1.2 ?有限元模型的具體實現(xiàn)

預應力預制裝配式框架節(jié)點的有限元模型如圖1所示，其中節(jié)點1～2、節(jié)點3～4之間建立基于纖維截面的非線性梁柱單元來模擬預制柱。節(jié)點5～6、節(jié)點6～7、節(jié)點7～8、節(jié)點11～12、節(jié)點12～13、節(jié)點13～14之間建立基于纖維截面的非線性梁柱單元來模擬預制梁。預制梁和預制柱的混凝土均采用Concrete02本構(gòu)模型。節(jié)點8～9、節(jié)點10～11之間建立采用Concrete01本構(gòu)關系的非線性纖維梁柱單元來模擬梁柱結(jié)合面的砂漿層。預應力筋用只承受軸向作用的桁架單元模擬，桁架單元在梁兩端與梁單元共享節(jié)點。為了模擬預應力筋的部分粘結(jié)特性，可以采用Equal DOF命令釋放預應力筋節(jié)點沿著梁長方向上的平動自由度。節(jié)點15～19、節(jié)點16～20、節(jié)點18～22、節(jié)點17～21之間建立桁架單元模擬普通鋼筋，采用Hysteretic本構(gòu)關系。通過設置內(nèi)外節(jié)點模擬梁柱節(jié)點域，節(jié)點3～23、節(jié)點2～25、節(jié)點10～26、節(jié)點9～29之間設置剪切彈簧模擬節(jié)點的剪切變形。節(jié)點27～31、節(jié)點28～32、節(jié)點20～29、節(jié)點21～30、節(jié)點19～27、節(jié)點29～33、節(jié)點22～28、節(jié)點30～34之間設置軸向伸縮彈簧模擬節(jié)點的軸向變形。通過設置連接節(jié)點24～27、節(jié)點24～29、節(jié)點26～30、節(jié)點26～28、節(jié)點23～27、節(jié)點23～28、節(jié)點25～29、節(jié)點25～30的剛性桿來保證內(nèi)部節(jié)點處于同一個剛性平面。

運用本文介紹的預應力預制裝配式框架節(jié)點的有限元模擬方法，建立兩層兩跨預應力預制裝配式框架結(jié)構(gòu)的有限元模型。將EI Centro波作為計算輸入數(shù)據(jù)進行彈塑性時程分析，取計算步長為0.02s。對比彈塑性分析結(jié)果與試驗結(jié)果，得到不同荷載工況下框架結(jié)構(gòu)一層、二層的位移時程曲線對比如圖2所示。

整體上，框架結(jié)構(gòu)位移時程曲線的模擬結(jié)果與試驗曲線具有相同的趨勢和相近的幅值，吻合良好，說明所建的節(jié)點有限元模型可以應用到框架整體模型中，并且可以較為真實的反映框架結(jié)構(gòu)的動力響應。從數(shù)值模擬結(jié)果可以進一步發(fā)現(xiàn)，框架結(jié)構(gòu)位移反應峰值出現(xiàn)在2.30s、4.53s附近，這與EI Centro波前10s加速度峰值出現(xiàn)的時刻2.12s、4.48s稍有不同，這與結(jié)構(gòu)動力特性及地震動頻譜特性有關。

基于OpenSees的梁柱纖維模型可以較好的模擬預應力預制裝配式框架節(jié)點的滯回性能。砂漿層可以采用只考慮抗壓強度的Concrete01材料來模擬，從而可以考慮梁柱交界處開合的力學行為。設置內(nèi)外節(jié)點且內(nèi)外節(jié)點通過軸向伸縮彈簧和剪切彈簧連接可較為準確的模擬節(jié)點的變形。本文提出的節(jié)點OpenSees模擬方法可以對預應力預制裝配式框架節(jié)點的剛度和變形能力進行較為準確的評估。在建立節(jié)點有限元模型時并未考慮預應力筋的預應力損傷，需要進一步對有限元模型進行修正。

參考文獻：

[1] 黃慎江，柳炳康，凌琦.預壓裝配式預應力混凝土框架擬動力抗震性能試驗研究 [J].工業(yè)建筑，2011，41（12）：39-43.

[2] CHEOK GS，STONE WC，KUNNATH SK. Seismic response of precast concrete frames with hybrid connections [J].ACI Structural Journal，1998，95（5）：527-539.

[3] EL-SHEIKH M T，SAUSE R，PESSIKI S，et al. Seismic behavior and design of unbonded post-tensioned precast concrete frames [J].PCI Journal，1999，44（3）：54-71.

[4] PAMPANIN S，PRIESTLEY J N M，SRITHARAN S. Analytical Modelling of the Seismic Behaviour of Precast Concrete Frames Designed with Ductile Connections [J].Journal of Earthquake Engineering，2001，5（3）：329-367.

作者簡介：王晨晨（1994.11-），男，漢族，山東德州人，研究生，研究方向：裝配式結(jié)構(gòu)設計方法及抗震性能的研究。