基于OpenSees的预应力预制装配式框架节点的有限元模型

关键词：预应力预制;框架节点;OpenSees;有限元

中图分类号：TU378.4;TU311.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）06-0012-03

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

0  引  言

由于预应力预制装配式框架结构的节点通常需要二次浇筑，从而导致节点容易成为薄弱部位，在地震反复荷载下发生破坏。为了满足强节点的要求，需要对节点进行大量的研究，试验无疑是研究节点受力性能的重要途径，但也存在着耗时、耗力的缺点。有限元模拟可以很好的解决这个问题，对节点的抗震性能做出准确的预估。节点处理方法将直接影响分析的准确与否与模拟精度。

表1总结了众多学者对预应力预制装配式框架节点有限元模拟的分析方法和模型缺点。由表可看出以往的建模方式比较复杂且不能很好的反映节点区真实的力学行为。提出了一种基于OpenSees的预应力预制装配式框架节点的有限元模型，结合国内已有的试验模型验证所建立节点有限元模型的合理性[1]。

1  预应力预制装配式框架结构的数值模拟

1.1  试验介绍

本文选取柳炳康等人完成的两层两跨预应力预制装配式框架结构试验模型，进行OpenSees的有限元模拟。试验框架层高1.6m，梁净跨3.0m，采用预应力钢绞线张拉，张拉控制应力为0.75fpt，屈服强度和极限强度分别为1811N/mm2和1974N/mm2，结构采用HRB335的非预应力筋和HPB235的箍筋。试验具体尺寸、配筋信息详见文献[1]。

試验选用EI Centro波，按地震波幅值分为110gal，220gal，320gal三种试验工况进行加载。在试验过程中，首先在柱顶和跨中施加竖向荷载至稳定状态，再利用作动器施加水平荷载模拟地震作用。

1.2  有限元模型的具体实现

预应力预制装配式框架节点的有限元模型如图1所示，其中节点1～2、节点3～4之间建立基于纤维截面的非线性梁柱单元来模拟预制柱。节点5～6、节点6～7、节点7～8、节点11～12、节点12～13、节点13～14之间建立基于纤维截面的非线性梁柱单元来模拟预制梁。预制梁和预制柱的混凝土均采用Concrete02本构模型。节点8～9、节点10～11之间建立采用Concrete01本构关系的非线性纤维梁柱单元来模拟梁柱结合面的砂浆层。预应力筋用只承受轴向作用的桁架单元模拟，桁架单元在梁两端与梁单元共享节点。为了模拟预应力筋的部分粘结特性，可以采用Equal DOF命令释放预应力筋节点沿着梁长方向上的平动自由度。节点15～19、节点16～20、节点18～22、节点17～21之间建立桁架单元模拟普通钢筋，采用Hysteretic本构关系。通过设置内外节点模拟梁柱节点域，节点3～23、节点2～25、节点10～26、节点9～29之间设置剪切弹簧模拟节点的剪切变形。节点27～31、节点28～32、节点20～29、节点21～30、节点19～27、节点29～33、节点22～28、节点30～34之间设置轴向伸缩弹簧模拟节点的轴向变形。通过设置连接节点24～27、节点24～29、节点26～30、节点26～28、节点23～27、节点23～28、节点25～29、节点25～30的刚性杆来保证内部节点处于同一个刚性平面。

运用本文介绍的预应力预制装配式框架节点的有限元模拟方法，建立两层两跨预应力预制装配式框架结构的有限元模型。将EI Centro波作为计算输入数据进行弹塑性时程分析，取计算步长为0.02s。对比弹塑性分析结果与试验结果，得到不同荷载工况下框架结构一层、二层的位移时程曲线对比如图2所示。

整体上，框架结构位移时程曲线的模拟结果与试验曲线具有相同的趋势和相近的幅值，吻合良好，说明所建的节点有限元模型可以应用到框架整体模型中，并且可以较为真实的反映框架结构的动力响应。从数值模拟结果可以进一步发现，框架结构位移反应峰值出现在2.30s、4.53s附近，这与EI Centro波前10s加速度峰值出现的时刻2.12s、4.48s稍有不同，这与结构动力特性及地震动频谱特性有关。

基于OpenSees的梁柱纤维模型可以较好的模拟预应力预制装配式框架节点的滞回性能。砂浆层可以采用只考虑抗压强度的Concrete01材料来模拟，从而可以考虑梁柱交界处开合的力学行为。设置内外节点且内外节点通过轴向伸缩弹簧和剪切弹簧连接可较为准确的模拟节点的变形。本文提出的节点OpenSees模拟方法可以对预应力预制装配式框架节点的刚度和变形能力进行较为准确的评估。在建立节点有限元模型时并未考虑预应力筋的预应力损伤，需要进一步对有限元模型进行修正。

参考文献：

[1] 黄慎江，柳炳康，凌琦.预压装配式预应力混凝土框架拟动力抗震性能试验研究 [J].工业建筑，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.

作者简介：王晨晨（1994.11-），男，汉族，山东德州人，研究生，研究方向：装配式结构设计方法及抗震性能的研究。