考虑粘结滑移效应的RC框架柱建模方法

2020-03-17

(西安工业大学建筑工程学院陕西西安 710021)

引言

RC柱作为结构的主要承重和抗侧力构件，被广泛的应用于土建类结构中。极端荷载作用下RC柱的基底锚固段内两种材料由于变形不协调性会产生较大的粘结滑移。针对这一现象的数值建模，成为数值模拟极端荷载下结构响应的关键。

鉴于此，本文基于OpenSEES有限元分析平台，利用在柱底部添加零长度截面单元的方法，通过定义相关的纤维本构模型和材料特性最终建立了考虑粘结滑移效应的RC柱有限单元模型。结果可为相关研究提供一定的建模参考。

在介绍考虑粘结滑移效应的RC柱有限元模型建模方法之前，首先应对OpenSEES有限元分析平台中的纤维模型计算原理有所了解。

在纤维模型计算中，RC构件被离散成有限个单轴应力状态的钢材和混凝土纤维单元。在基于平截面假定的基础上，通常采用直接刚度法，将构件沿其计算长度方向划分成若干个积分区段，积分点处的位移通过3次Hermit插值函数得到。对该函数进行求导可以得到相应的截面变形，其过程如式(1)，(2)所示：

(1)

(2)

式中，d为截面位移向量，φi(x)为x截面处对应的Hermit差值函数。根据截面力与位移的关系，得到截面的抗力向量与刚度矩阵。尽管，纤维模型还有着诸如在某些构件中或者构件的某些部分中平截面假定不成立的缺点，但是纤维模型仍然是构件数值计算中，最准确最可靠的模型。

应用零长度截面单元就可以有效解决纤维模型不能模拟构件端部因滑移效应而产生的旋转，从而更加精准地对极端荷载下的构件进行数值建模。下图为所建模型如图1所示。

如图1所示，在单元底部节点处在同一节点处插入一个从节点，二者之间距离为零。所插入的零长度截面单元，与相邻截面具有相同的钢筋和混凝土陪着，截面网格划分和混凝土纤维模型也相同，所不同的是该截面单元的钢纤维模型，采用的是相应的钢筋应力与滑移的本构关系模型。所需的该模型需要从相应的钢材拉拔试验中获得。

图1 OpenSEES建模示意图

(1)在OpenSEES有限元分析平台中插入零长度单元能够在不明显增加数值计算量的基础上，通过简单的建模方法有效的模拟滑移效应对构件的影响。

(2)该方法建模过程较为简单，且相邻两个截面之间为纤维接触面，所以零长度单元模型能够独立于其他因素单独模拟纵筋滑移效应，而不受荷载工况和截面形式等因素影响。