在不同軸力下鋼筋混凝土框架柱的力學性能分析

劉曉

[摘要]“強柱弱梁”“強節點弱構件”是我國建筑抗震設計領域的重要結構概念，在地震來臨時鋼筋混凝土框架柱以及節點一直都是結構設計師重點關注的部位。擬通過Abaqus有限元軟件對框架柱與基礎的連接處進行在不同軸力下的模擬，觀察其滯回曲線及應力變化，得到低周往復循環加載時，不同的軸力對鋼筋混凝土框架柱節點的不同影響。具體分析研究了節點的變形和破壞情況，地震作用下結構的抗震強度等，并且通過本文提出合理有效的改善方法。

[關鍵詞]框架結構； ABAQUS有限元模擬； 低周往復荷載； 滯回曲線； 模擬分析

[中國分類號]TU398+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

鋼筋混凝土框架結構是現目前國內使用最為廣泛的結構，鋼筋混凝土框架結構要素簡單，能夠適用于多種不同空間需要，通常構件都是統一支模澆筑，可以使得建筑物整體性更好，抗震性能更強，但也會因為施工問題使得節點與構件的整體性和穩定性存在一些不足［1］。在受到地震作用的時候，框架結構最容易出現問題的地方便是節點處，因此框架結構的節點處是重點的關注部位。

本文采用有限元計算軟件ABAQUS對鋼筋混凝土框架柱節點連接處進行模擬計算。模擬在地震作用下，柱關鍵節點在不同樓層時的受力及變形分析。

1算例設計

1.1模型數據

本文根據規范設計出的普通鋼筋混凝土十字節點，通過ABAQUS軟件中施加固定的低周往復位移來模擬受地震作用下的節點變形情況，并且通過施加四個不同的豎向軸力荷載分別作用在柱頂端，從而分析對比得出柱關鍵節點處的破壞情況。

模擬地震作用：通過控制位移加載法，從0開始第一周期為10 mm的位移往后每一周加增加5 mm的位移，單向反復位移加載如圖1所示。

1.2材料本構模型

本文將塑性損傷模型作為本次仿真模擬的混凝土本構模型，這是最為常用的本構模型，能夠較好地模擬出實際的效果，其中塑性損傷模型的塑性參數設置如下：Dilation Angle=30°，Eccentricity=0.1，fb0/fc0= 1.16，k=0.667，Viscosity Parameter= 0.005。

由于混凝土在受到循環荷載下會出現微裂縫，這種情況下出現的裂縫會使得混凝土產生不可恢復的損傷，因此需要受拉損因子來平衡受拉損傷，在選取的泵偶模型中受壓損傷會出現剛度退化的現象，由此當混凝土受到壓應力的時候需要考慮壓縮損傷因子。

1.3有限元建模

本文的混凝土柱和基礎選擇三維實體單元，鋼筋選擇桁架單元，從而建立基礎、柱子、鋼筋等部件［3］。

分析過程是由一系列的分析步組成的，在分析步模塊下創建一個集中荷載分析步和位移加載分析步，在柱的頂部創建一個參考點RP-1，通過創建一個耦合的相互作用將柱頂的表面作用到建立的參考點上，隨后施加的豎向荷載以及低周位移加載都將施加在耦合作用的參考點上，通過在頂部創建位移約束，并設置幅值為1 mm。這樣做的目的是為了考慮到計算精度和結構的收斂情況，同時在柱頂分別施加豎向軸力，對柱底端定義邊界條件，限制x、y、z方向的平動自由度和各個方向的轉動，即添加邊界條件為完全固定［4］。

比較關注的上部受力柱部分采用了30的近似全局尺寸，對于下部固定約束的基礎部分采用了100的近似全局尺寸，這樣能更好地模擬真實情況并且加快運算速度，網格劃分如圖2所示［5］。

2算例分析

2.1節點力和位移隨時間變化曲線

在后處理界面，選擇XY數據中的ODB場變量輸出方式，選擇施加節點位移的參考點，選取位移和反應力來驗證施加位移的節點的位移是否與實際模擬的地震低周位移相同，由此可以大概看出建模正確性。

由圖3可以看出，節點力與時程的變化不是特別的規律，在5 s之前荷載處于第一個分析步時只有一個豎向軸力加在上面，所以應力變化很規律，到了5 s之后進入第二個分析，此時施加了水平往復位移與軸向力疊加，最后得出應力變化圖。

2.2滯回曲線對比分析

F1豎向力作用下的滯回曲線如圖4所示，滯回曲線主要意義是在地震時，結構吸收能量和耗散的能力，在滯回曲線圖中橫縱坐標的乘積代表著能量，也就是說將這多個滯回環所包圍的面積求和就可以反映出結構在對抗外來荷載時吸收能量的大小；是主要評定結構所消耗能量的重要數據，顯示了在反復載荷的作用下，節點的變形情況和能量消耗。由圖4中可以看出滯回曲線都是比較飽滿的，都可以較為有效的吸收能量，當地震來臨時結構的抗震性能是很好的。

2.3節點應力變化分析

由應力云圖可以大概看出結構的破壞形態，以及混凝土的主要承受的是壓力等結論，故當地震襲來的時候框架結構受到一個水平的往復荷載，柱下端的變形會較大，以及在柱和基礎連接的部位內部鋼筋受到較大的應力。從圖5中的應力圖例可以看出，混凝土所受到的最大應力已經達到了540MPa了，說明此時的鋼筋已經達到了屈服。從圖5以及圖6看出，不同樓層受到的力以及位移完全不同，其中越靠上的柱會產生更大的位移變形。

3結論

通過上述對鋼筋混凝土框架柱進行應力、位移等分析，可以得出幾點結論：鋼筋混凝土框架柱最先發生破壞的部位就是柱與基礎連接節點處；當框架柱結構受到地震作用時，不同樓層受到的力以及位移完全不同，其中越靠上的柱會產生更大的位移變形，這是由于起決定性作用的是地震波帶來的水平往復荷載。由于在發生破壞的時候，上層柱的破壞程度時大于下層的，因此上層柱在抵抗地震能量的能力也是弱于下層的柱子，由此可以想到的是加強上部的結構構件吸收能量的能力。具體的措施可以考慮增加混凝土墩，或者提高混凝土強度調整軸壓比，這些措施都可以改善鋼筋混凝土框架柱的破壞情況。

參考文獻

［1］孫志誠，郭迅，陳波.鋼筋強度對鋼筋混凝土框架柱破壞模式的影響［J］.科學技術與工程，2020，20（34）：14157-14165.

［2］全學友，劉金平，劉寶，等.鋼筋混凝土框架結構抽柱改造關鍵問題及其解決方法［J］.建筑結構，2020，50（15）：1-7.

［3］李明，張亮泉.鋼筋混凝土框架柱損傷模型研究［J］.安徽建筑，2020，27（4）：92-93.

［4］龍俊良.建筑工程鋼筋混凝土框架結構施工技術研究［J］.建材與裝飾，2019（27）：10-11.

［5］陸海燕，邢彤，鮑文博.鋼筋混凝土框架柱加固設計與分析［J］.低溫建筑技術，2014，36（10）：45-47.

［6］陳林. 鋼筋混凝土框架異型中節點抗剪承載力及ABAQUS非線性有限元分析［D］.西安：長安大學，2012.