非飽滿灌漿高強底筋錨入式預制裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點有限元建模概述

（河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038；中國北方發(fā)動機研究所，山西 大同 037036）

0 引言

裝配式建筑泛指了各種包括鋼結(jié)構(gòu)建筑在內(nèi)的所有使用干法作業(yè)的建筑結(jié)構(gòu)形式。日本地處太平洋腹地，是一個典型的島嶼國家，處在板塊交界處，地震頻發(fā)，人口眾多。二戰(zhàn)后，百廢待興，迫于發(fā)展的需要，日本國內(nèi)需要大量新建房屋，傳統(tǒng)建造方式需要大量的勞動力，而此時的日本國內(nèi)勞動力的成本卻在不斷上升。1962年前，日本的預制裝配式建筑在新建建筑中的占比不足3%，至1990年，日本新建建筑中預制住宅的比例已經(jīng)攀升到20%。采用產(chǎn)業(yè)化方式生產(chǎn)的住宅占竣工住宅總數(shù)的25%～28%。建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展使得日本很好的解決了勞動力成本上漲所帶來的建筑工業(yè)緊缺的難題。縱觀世界范圍內(nèi)裝配式結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，每一次的發(fā)展都無一例外的推動了建筑朝著工業(yè)化程度更高的方向發(fā)展，因此，裝配式建筑應當是建筑行業(yè)今后的主要發(fā)展方向。

1 CAD建模

CAD是計算機輔助設計軟件的簡稱，是包括Autodesk CAD在內(nèi)的各種計算機輔助設計軟件的總稱。它的出現(xiàn)改變了設計師傳統(tǒng)的設計方式，將圖板搬到了屏幕上，將繪圖工具放進了軟件里，從而大大減輕了設計師的勞動強度，也提高了繪圖速度，是設計史上的一次重要飛躍。CAD不僅可以二維繪圖，還可以進行三維建模，由于CAD三維建模迅速且快捷，本文將借助Autodesk CAD2015對該節(jié)點進行三維建模。

建模的第一步需要首先設置好工作環(huán)境，將CAD的工作環(huán)境設置為三維空間，建立好坐標系。利用直線與拉伸等命令建立節(jié)點三維模型圖，圖一為節(jié)點CAD模型圖。

圖1 節(jié)點CAD模型圖

CAD模型建立完成后需導出ABAQUS兼容的格式，分別將鋼筋和混凝土部件導出為.iges與.sat文件格式，至此，CAD建模的過程就完成了。

2 有限元建模的主要步驟

ABAQUS是世界著名的大型通用有限元分析軟件，其在非線性分析上更是世界一流的，本文使用ABAQUS有限元分析軟件對節(jié)點進行建模。

2.1 部件導入與縮放

打開ABAQUS有限元分析軟件，選擇導入部件，縮放選擇全局縮放，導入成功的部件會在部件模塊下顯示出來。

2.2 材性、截面指派與本構(gòu)模型

材性設置是指對每一種材料的屬性進行賦予，然后將其分別指派給不同截面，選擇屬性，對混凝土、鋼筋、套筒分別設置不同的集合，對不同的截面也設置相對應的集合，方便后續(xù)操作。需要注意的是，由于梁縱筋不僅抗彎，還要抗剪，因此，在截面指派時需要將梁縱筋的截面類型設置為實體而非桁架。

ABAQUS中使用本構(gòu)模型來描述模型受力后的應力應變關(guān)系以及損傷狀況，ABAQUS提供了多種混凝土本構(gòu)模型，有彌散開裂模型、脆性開裂模型、損傷塑性模型。彌散開裂模型是指將混凝土實際開裂時的裂縫均勻的離散化，并發(fā)展到整個單元，僅適用于單次加載的情況，由于我們是建立在試件低周反復荷載的情形下，因此彌散開裂模型并不適用；脆性開裂模型只考慮了模型非線性的受力行為，適用于沒有配筋或少量配筋的混凝土結(jié)構(gòu)，如水工結(jié)構(gòu)。而損傷塑性模型同時考慮了混凝土的壓潰和壓裂，并通過引入損傷因子來模擬混凝土進入彈塑性階段后的損傷狀況，能夠更加準確的模擬反復加載的情形下混凝土的滯回行為，因此本文混凝土本構(gòu)模型選用ABAQUS混凝土損傷塑性模型。《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定鋼筋擁有三種本構(gòu)模型，即完全彈塑性雙直線模型、彈塑性雙斜線模型、完全彈塑性加硬化模型，通過試驗，確定本文所采用的高強底筋存在明顯的應力強化現(xiàn)象，因此本文鋼筋選用彈塑性雙斜線模型。

2.3 混凝土本構(gòu)塑性參數(shù)設置

（1）膨脹角：指的是處在三軸應力狀態(tài)下的混凝土，其受約束效應的大小，亦為靜水壓力最大的區(qū)域，取值越小，約束越小，取值越大，約束越大，一般取30～45°，本文取30°。

（2）彈性模量：彈性模量是用來定義材料屬性的參數(shù)，目前主要是用應力-應變曲線的峰值應變所對的割線模量的大小定義，本文取26985。

（3）泊松比：是指材料在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變的絕對值的比值，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)，本文取0.2。

（4）偏心率：偏心率是與屈服面流動法則相關(guān)的參數(shù)，混凝土塑性損傷模型采用的是非關(guān)聯(lián)的流動法則，本文取默認值0.1。

（6）K系數(shù)：影響屈服面形態(tài)的參數(shù)，通常取2/3，即0.6667。

（7）粘性參數(shù)：粘性參數(shù)是與混凝土本構(gòu)方程相關(guān)的參數(shù)，系數(shù)越大，混凝土就越容易收斂，本文取0.001。

2.4 分析步與加載制度

ABAQUS通過設置多個分析步使加載過程“分解”，分析步的加載過程一般為選擇分析過程、選擇荷載、輸出。每一個分析步都可以選擇不同的荷載、邊界條件與輸出要求。本文的有限元模型分兩步進行，在模塊列表中選擇分析步，在ABAQUS中，默認的初始分析步是不可更改的，根據(jù)加載過程，設置兩個分析步Step-1、Step-2，Step-1為對柱頂施加軸壓荷載，Step-2為在梁兩端施加往復荷載，軸壓荷載的施加一步完成，時間設置為1，關(guān)閉幾何非線性；對于低周往復荷載的施加，設定步長與時間，根據(jù)加載制度，時間設置為44，最大步長設置為0.2，打開幾何非線性。場輸出管理器中，選擇S、RF、PEEQ、PEEQT、DAMAGEC、DAMAGECT。PEEQ與PEEQT用于應變輸出，主要用于查看混凝土應變，DAMAGEC與DAMAGET用于查看混凝土的受壓與受拉損傷狀況。Mises應力用于查看鋼筋的應力。

本文在ABAQUS有限元分析軟件中對模型進行低周往復擬靜力加載，所謂低周往復加載指的是通過采取力控制法、位移控制法及力與位移混合控制法對試件在正反兩個方向以低速率加載，往復加載的目的是為了模擬和地震相同的工況，由此得到的試件的最終破壞形態(tài)、恢復特性、以及變形情況為試件擬真實破壞狀態(tài)。本文采用的時位移控制法加載，如表1為試件的加載制度。

表1 加載制度Table2-2 Horizontal Loading System

2.5 相互作用-接觸與邊界條件

2.6 荷載施加與網(wǎng)格劃分

圖2 試件整體網(wǎng)格劃分

3 結(jié)語

綜上所述，有限元分析軟件提供了一種方便且經(jīng)濟的模擬工具，尤其對于非線性分析而言，本文闡述了非飽滿灌漿高強底筋錨入式預制鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點建模的主要步驟，以期為更多研究者提供參考，也能為今后需要參數(shù)化分析的研究者提供一種有限元建模的方法。