装配式梁柱节点抗震性能有限元分析与试验对比研究

2020-03-27马巍胡盼

安徽建筑大学学报 2020年6期

马巍，胡盼

(1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601；2.安徽省BIM 工程中心，安徽合肥 230601；3.安徽省装配式建筑研究院，安徽合肥 230601)

0 引言

随着经济及科学技术的大力发展，我国已成为世界最大的建筑市场，但施工所带来的粉尘污染、建筑垃圾污染等对环境产生巨大影响，因此为响应节能环保、提高施工效率的号召，预制装配式建筑在我国逐渐得到大力推广[1-2]。预制装配式建筑具有施工周期短、施工质量高、节能环保等诸多优点，但装配构件间的节点连接是影响结构整体性能的关键因素，其中干式连接技术对于提高装配效率有先天优势，因此引起了广泛关注[3-8]。本文对新型预制装配式普通螺栓干式连接梁柱节点进行相关性能分析，且随着计算机技术和有限元数值分析[9-10]的发展，有限元分析已成为钢筋混凝土结构性能分析的有效方法，在一定程度上相比较于传统试验提高了效率[11-12]。本文基于大型有限元软件ABAQUS[13-14]对新型螺栓连接装配式梁柱节点展开建模分析，并与实际试验结果对比研究，探讨两者之间存在的差异性。

混凝土材料使用至今已有一百多年历史，但混凝土材料本身的复杂因素，至今为止还未有一种能够完全描述混凝土本构关系的模型[15-18]，本文基于ABAQUS 有限元的混凝土塑性损伤模型对装配式梁柱节点进行有限元分析。王秋维等[19]利用ABAQUS 对新型型钢混凝土梁柱节点抗震性能展开研究，模拟所得滞回曲线、骨架曲线等性能与实际试验结果较接近；余浩瀚等[20]利用ABAQUS 对钢混组合梁进行建模分析，通过分析不同参数对试验结果的影响，相比较于传统试验研究提高了效率且结果可靠；LINGD[21]等设计了一个钢梁嵌入式节点，对其进行低周往复加载试验研究抗震性能，并且通过ABAQUS 分析钢梁插入长度、轴压比、钢梁短板宽度等因素对结果的影响，给出各参数的最优值，为节点设计提供了参考；高向玲等[22]利用ABAQUS 对钢筋混凝土框架结构进行了数值模拟，并且针对三种混凝土本构关系进行了研究，得出在缺乏相关试验的情况下可以采用我国规范建议的混凝土本构关系进行数值模拟。

1 试件设计基本概况

新型装配式梁柱节点试件[23-24]是基于重点研发计划“工业化建筑设计关键技术”项目中的子课题——高变形能力装配式节点连接形式、受力性能及设计方法进行设计，并且对预制试件进行低周往复加载[25]试验。实际试验试件梁柱均采用预制混凝土结构，两者通过直径为28 mm 的钢制长螺栓干式连接固定，梁柱节点为半刚性连接。柱截面尺寸750 mm×750 mm，梁截面尺寸400 mm×750 mm，T型预制梁扩大端截面尺寸为750 mm×750 mm。混凝土强度等级：柱C80、梁C40，预制混凝土梁柱纵筋、箍筋均采用HRB400 钢筋，螺栓、承压钢板均采用Q345 钢。材料强度如表1、表2 所示，试件相关尺寸、配筋图如图1、图2 所示。

表1 混凝土性能参数表

表2 钢筋、螺栓性能参数

图1 试件设计图

图2 试件配筋图

2 有限元ABAQUS模型建立

采用大型有限元软件ABAQUS[26]对梁柱试件进行精细建模，采用分离式建模方法能够准确模拟钢筋混凝土结构的力学性能，建模尺寸、实际边界条件、钢筋混凝土性能参数、加载制度等均按照实际试验参数设置，力求减小外围因素产生的模拟误差。

2.1 混凝土塑性损伤本构模型的建立

混凝土本构模型参数的选取对分析结果至关重要，混凝土材料的本构模型基于ABAQUS 材料库提供的混凝土塑性损伤模型，根据试件同批次混凝土立方体试块，通过压力试验测得其相关数值进行计算分析。混凝土的应力-应变曲线采用《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 附录2 推荐的曲线。混凝土单轴受压的应力-应变曲线按照式(1)、式(2)确定：

混凝土单轴受拉的应力-应变曲线按照式(3)、式(4)确定：

2.2 钢筋本构模型的建立

试验试件均采用HRB400 级钢筋，泊松比为0.3，弹性模量为200 MPa。由于需要考虑包辛格效应对试验结果的影响，有限元分析中钢筋本构模型采用双折线模型，即屈服前为完全弹性阶段，屈服后为平缓的斜直线，同时考虑节约模型分析时间，加快模型分析收敛性的速度，该段直线斜率设置为0.01。

2.3 损伤因子的确定

混凝土材料性能在非线性阶段，由于混凝土开裂受损，其力学性能与弹性阶段相比有所退化，现在主流损伤因子确定方法有：基于高斯积分求解的经典理论方法、Mander 法、张劲公式法、Sidoroff F能量法。本文有限元分析采用Sidoroff F 能量法确定损伤因子，损伤因子按照式(5)确定：

式中：dt表示混凝土受拉损伤因子；dc表示混凝土受压损伤因子；E0为混凝土原点切线模量。

混凝土在加载过程中逐渐损伤破坏，应力应变曲线斜率到后期迅速下降，若输入后面数据将导致结果不准确，基于塑性损伤分析，则弹性阶段数据可以舍弃，故截取中间一段形态较好数据即可。为了能够有效模拟混凝土损伤，损伤因子取值应达到0.95 以上，才能够模拟出理想的损伤缺陷。

2.4 模型建立分析步骤

本试验装配式梁柱节点混凝土结构建模主要过程如下：

(1)相关部件的创立。混凝土单元采用三维实体C3D8R 减缩积分单元，钢筋单元采用线性桁架T3D2 单元。

(2)截面属性的定义。依据试验试件同批次材料力学性能数据，计算得到钢筋、混凝土本构模型相关参数。

(3)定义装配件。在“装配”模块中，为了方便网格的划分，提高网格划分质量所有实体均采用“非独立”实体进行装配并且对螺栓部位(即梁“T”型截面处)进行均分切割处理。

(4)设置分析步。在“分析步”中螺栓预紧力的加载分三步进行(step1-3)，即第一步施加较小的螺栓预紧力，第二步施加最终螺栓预紧力，第三步将螺栓固定在当前长度。

(5)创建相互作用。利用embedded 技术实现钢筋混凝土结构的建立，对螺栓实体设置通用接触属性。

(6)设置边界条件及施加荷载。在“载荷”模块对柱底施加固定约束，柱顶施加1050 kN 的恒定轴压力，利用幅值函数对预制梁尾部参考点施加低周往复加载。

(7)网格划分。预制梁柱螺栓孔洞处网格划分，采用等分切割原则将螺栓圆孔周围切割为等面积的正方形。试验的有限元模型如图3 所示，试验实际加载装置如图4 所示。

图3 有限元模型

图4 试验加载装置

3 有限元与试验结果对比分析

3.1 滞回曲线

有限元与试验滞回曲线对比图如图5 所示。由图可知：两条曲线均比较饱满，都表现出了良好的耗能能力及抗震性能。由于有限元模拟过程均比实际试验更具理想化，在钢筋embedded 混凝土结构中未考虑钢筋滑移造成的影响，使得有限元模拟滞回曲线结果比试验更饱满，且无明显的捏缩效应。两个曲线在加载初期，均呈现出直线状态表明其处于弹性阶段，随着加载位移的不断加大，滞回环面积不断加大，表明进入非线性阶段。由于加载过程中边界条件设置不能够达到理想固定状态，在加载过程中由于力的加载对试件边界约束可能造成轻微松动，使得试验所得滞回曲线正负向曲线不完全对称。

3.2 骨架曲线

有限元与试验骨架曲线对比图如图6 所示。由图可知：在试件加载初期，两条骨架曲线均出现重合状态表明均处于弹性阶段；随着荷载的逐渐加大，开始进入强化阶段，试验所得骨架曲线开始逐渐降低，有较平缓的下降段其塑性变形能力强，承受较大变形时能够承受较大的承载力，且延性较好。但模拟所得骨架曲线无明显下降段，主要原因是有限元分析更接近于理想状态，未能考虑在试验过程初始节点的初始损伤以及加工过程中所存在的缺陷。

图5 滞回曲线对比图

图6 骨架曲线对比图

3.3 刚度退化曲线

有限元与试验刚度退化曲线对比图如图7 所示。由图可知：模拟所得刚度退化曲线均在试验所得刚度退化曲线上方，其主要原因可能是由于有限元分析中混凝土塑性损伤模型相关参数计算错误，导致混凝土强度性能高于实际试验中预制梁C40混凝土强度。但两条曲线整体退化趋势相同，均在加载初期呈现出较大刚度，随着荷载的逐渐加大、裂缝逐渐开展使得刚度开始出现退化，在加载后期即主要裂缝形成时退化较为缓慢逐渐趋于平缓，且两条刚度退化曲线逐渐缩小差距。

图7 刚度退化曲线对比图

3.4 延性性能和延性对比分析

延性及能量耗散系数对比分析如表3 所示。由表3 可知：有限元分析结果与试验结果在屈服、极限荷载位移以及延性系数等指标值均接近，说明有限元分析结果与试验结果吻合度较好，进一步说明了ABAQUS 有限元分析的合理性。试验所得延性系数小于有限元分析结果，主要原因在于试验过程中混凝土损伤程度比模拟情况更加严重，但两者差别不大。模拟及试验计算所得能量耗散系数均接近，能够吸收及耗散一定的能量。通过能量耗散系数E 及延性系数可以反映出普通螺栓连接的装配式梁柱节点具有良好的延性和抗震性能。

3.5 混凝土应力状态分析

有限元混凝土等效塑性应变云图如图8 所示，试验预制梁最终破坏图如图9 所示。由图可知：混凝土等效塑性应变主要集中于预制梁“T”型端扩大端中间部位，且距离扩大端距离越远损伤程度越小，预制梁加载端无损伤，试件预制梁最终破坏集中于“T”型端扩大端中间部位混凝土压碎破坏，故模拟结果与试验结果较一致。因此，通过有限元数值模拟分析可知，模拟结果与试验结果相吻合，说明试验不具偶然性，符合实际情况。