框架結構異形柱-柱節點有限元分析

付俊雄,趙詩雅

(國網湖北直流公司運維中心,宜昌 443000)

1 設計概況

以某工程的裝配式結構為原型設計柱-柱節點模型[1-3],確定異形裝配式齒槽柱-柱節點模型的尺寸及鋼墊板的布置,如圖1和圖2所示,具體截面尺寸及配筋如圖3所示。

2 單元類型的選擇

ABAQUS有限元軟件擁有豐富的單元庫,其中應力/位移單元的實體單元族廣泛應用于各個領域。此次模型的混凝土單元采用C3D8R,即八節點六面體實體減縮積分單元,線性減縮積分很大程度上減少了模型的計算時間,提高了計算結果的準確性,解決了剛度過大、應力不連續等問題。

3 本構關系

1)混凝土本構模型

有限元軟件ABAQUS為用戶提供了三種混凝土本構模型,包括彌散裂紋模型(Smeared Crack Model)、脆性斷裂模型(Brittle Cracking)、塑性損傷模型(Plasticity Damage)。該文選用不考慮損傷因子的塑性損傷模型來模擬柱-柱節點的混凝土在單調加載下的受力性能。該文齒式連接節點所采用的混凝土本構模型為塑性損傷模型。

2)鋼材本構模型

鋼材的本構模型通常分為三種,即理想彈塑性模型、彈塑性模型和剛塑性模型。此次建模采用彈塑性模型,遵循Von Mise屈服條件,Von Mise屈服準則定義為

式中,σe為材料的屈服強度;σ1、σ2、σ3分別是材料受到的三個應力方向的屈服強度。

4 有限元模型的建立

1)網格劃分

異形柱-柱節點有限元模型如圖4所示,其中混凝土采用實體單元,鋼筋采用桁架單元。

2)邊界條件及荷載設置

三個模型的邊界條件都是柱子底面及以上600 mm的區間范圍為固結[4-6]。此次模擬的所有柱軸壓比均為0.15。在柱端部施加水平位移,位移最大幅值為40 mm。

5 有限元計算結果

整個加載過程經歷了開裂階段、屈服階段以及極限階段,每個階段的鋼筋和混凝土都有不同的特征。有限元計算結果如表1所示。

表1 各階段有限元結果對比

1)開裂階段

水平荷載加載初期,柱-柱節點處于彈性狀態,隨著荷載的增大,上柱底端受拉側最先發生混凝土拉裂的情況;開裂階段的鋼筋沒有屈服,無明顯應變。此階段的混凝土和鋼筋的應力云圖如圖5、圖6所示。這個階段的上柱突出的齒和鋼墊板均發生破壞,應變較小。

2)屈服階段

隨著荷載的逐漸增加,受拉區混凝土的裂縫不斷發展,上、下柱受壓區混凝土部分到達抗壓強度,如圖7所示。柱子端部受拉區的鋼筋應力增長較快,最先達到屈服,如圖8所示。荷載的增加使得上柱凸出的混凝土和鋼墊塊的應力明顯提高,但凸出的混凝土的應變仍然沒有達到拉伸或壓縮等效塑性應變,即沒有發生拉裂或者壓縮的現象,連接表現良好。

3)極限階段

荷載進一步加大,柱子的變形明顯變大,受壓區高度減小,混凝土底部受壓區被壓碎。底部受壓區鋼筋少部分呈現屈服狀態。這個階段上柱凸出的混凝土齒受拉側應力接近抗拉強度值,但仍沒有超過該值,故判定突出混凝土沒有發生受拉破壞。對于鋼墊塊,小部分單元已經到達屈服強度,但鋼墊塊變形不大,連接良好。由此可判斷,裝配式柱的破壞主要是因為底部受壓區混凝土被壓碎,柱子變形過大,上下柱連接區域未出現明顯的破壞,連接性能良好。

6 結 語

該文使用ABAQUS軟件,建立框架結構異形柱-柱節點有限元模型,由計算結果可知:整個加載過程經歷了開裂階段、屈服階段以及極限階段,每個階段的鋼筋和混凝土都有不同的特征。在開裂階段,鋼筋沒有屈服,無明顯應變;進入屈服階段,隨著荷載的逐漸增加,受拉區混凝土的裂縫不斷發展;極限階段,柱子的變形明顯變大,受壓區高度減小,混凝土底部受壓區被壓碎。由此可判斷,框架結構異形柱-柱節點的破壞主要是因為底部受壓區混凝土被壓碎,柱子變形過大,上下柱連接區域未出現明顯的破壞,異形柱-柱節點連接性能良好。