早龄期RC框架边节点高温—再养护后抗震性能有限元分析

张骞尹 史贵臣 滕世斌

利用ABAQUS有限元软件对高温—再养护后的早龄期钢筋混凝土（RC）框架边节点进行仿真模拟试验。采用实测的高温—再养护后早龄期混凝土本构关系模型以及混凝土塑性损伤模型，较好地模拟了高温—再养护后早龄期RC框架边节点的受力状态。将模拟计算结果与试验实测结果进行对比分析，表明模拟得到的破坏形态、骨架曲线和极限值与试验吻合较好，峰值荷载误差在5%以内。基于已验证的模型进行了不同轴压比的拓展分析，结果表明轴压比为0.6左右时为临界轴压比。

早龄期混凝土； 高温； 边节点； 抗震性能； 有限元分析

TU311.3 A

［定稿日期］2022-02-24

［作者简介］张骞尹（1995—），女，硕士，助理工程师，研究方向为建筑物防灾减灾及防护工程。

随着混凝土的广泛应用，对其在各种灾害下的力学性能研究就显得尤为重要。火灾是一种常见且发生概率较高的建筑灾害，备受科研工作者们重视，许多学者对此展开了诸多研究［1-3］。然而在施工过程中，很多混凝土构件的龄期小于28天（即早龄期），混凝土内部水泥水化反应尚未完成，混凝土的力学性能也未达到设计要求，此时遭受高温作用，继续养护后混凝土的性能变化对于结构安全有重要影响。张必亮等［4］和苗生龙等［5］和对不同养护龄期混凝土高温—再养护后的力学性能进行研究，结果表明：混凝土高温龄期小于14天且遭受温度较低（100 ℃）时，温度促进了混凝土的水化，其抗压强度有所提高。杨志年等［6］对早龄期混凝土柱进行了高温后的轴压试验，结果表明：随着养护龄期减小，柱含水率增大，火灾下混凝土爆裂更加严重，导致柱抗火性能显著下降。史贵臣［7］对高温—再养护后RC柱进行了轴压试验，结果表明：经高温作用后，其延性、耗能能力、刚度等均受到不同程度的削弱。

以上研究均处于材料或构件层面，对于结构层面（框架节点）的研究较少，张骞尹［8］对高温—再养护后的钢筋混凝土（RC）框架边节点进行了抗震试验，但试件数量较少，且针对7天龄期作用下仅考虑了温度的影响。因此，为了研究高温—再养护后的RC框架边节点的破坏特性和多参数的影响，本文基于已有研究的试验结果，使用ABAQUS有限元分析软件进行建模验证，依靠验证后的模型进行破坏过程分析和拓展参数研究，为早龄期高温后节点的修复工作提供帮助。

1 试验概况

文献［8］对7天养护后的RC框架边节点进行了100 ℃、300 ℃和500 ℃的高温处理，并在高温后养护至28天再进行低周反复试验。试件均采用同一尺寸，柱截面尺寸为250 mm×250 mm，高度为1 500 mm；梁截面尺寸为250 mm×150 mm，长度为1 250 mm。试验所用混凝土等级为C25，高温—再养护后立方体抗压强度为21.46 MPa，所用钢筋等级为HPB400，保护层厚度为30 mm。材性试验结果和抗震试验结果详见文献［8］。

2 有限元模型建立

2.1 材料属性及网格属性

2.1.1 高温后早龄期混凝土

本文采用2018版ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型（CDP），混凝土单元采用精度较高的三维八节点六面体C3D8R实体单元。现有文献中暂未找到关于高温后早龄期混凝土的本构模型研究，但根据实测的高温后早龄期混凝土的应力应变曲线，通过ABAQUS用户手册中的换算方法，即可换算出软件所需要的应力-非弹性应变和损伤因子。

2.1.2 钢筋

由文献试验结果和现有文献可知，500 ℃高温冷却后钢材的力学性能未发生明显变化，因此可以采用常温下钢材的本构方程。钢材本构关系采用双折线理想塑性模型［9-10］（图1），即屈服前为理想弹性，屈服后到极限强度前的硬化刚度为钢材弹性模量的0.01。其中fy和εy为屈服应力和屈服应变；fu和εu为极限应力和极限应变；E0为弹性模量；Es为硬化刚度，Es=0.01E0。

2.2 相互作用

钢筋通过“embed”约束方式嵌入混凝土中，忽略了钢筋与混凝土之间的粘结滑移。同时在梁端加载点处设置参考点，并将参考点与梁端使用“耦合”的約束方式约束起来，便于设置加载方式与边界条件。

2.3 边界条件及加载方式

根据试验情况，约束了柱端3个方向的位移，但不约束转动，并在一端施加与试验相同的轴压。在梁端参考点处施加了与试验一致的往复水平位移。

2.4 网格划分

经试算，混凝土与钢材网格尺寸采用50 mm时可以保证较高的计算精度及计算效率，模型建立完成图如图2所示。

2.5 模型验证

利用上述建模方法及材料属性对文献［8］中的3个试件进行计算，所有试件的骨架曲线对比如图3所示，由图3可见，有限元模拟的骨架曲线趋势与试验结果吻合较好。有限元模型损伤云图如图4所示，混凝土的受压/受拉损伤反应了混凝土在往复加载过程中对承载力有很大的涌现，破坏形态吻合较好。极限承载力对比见表1。由此可见，有限元结果和试验结果的极限承载力比值平均值为0.973，分析造成误差的主要原因：①忽略了钢筋与混凝土的粘结滑移和混凝土的开裂对刚度的损伤，导致模拟得到的骨架曲线初始刚度大于实测值；②混凝土为非线性材料，浇筑和温度场导致构件材料非均匀，因此承载力比模拟结果小。但最大误差在5%以内，本文建立的有限元模型得到验证，说明此模型能可靠地预测早龄期RC框架边节点高温后的抗震性能。

3 拓展参数分析

轴压比是影响框架边节点抗震性能的关键因素之一，考虑到实际火灾中混凝土往往遭受较高温度，因此在骨架曲线及破坏形态验证了所建立的模型的可靠性的基础上，选取7d-500-28d试件进行多个轴压比（0.4，0.6，0.8）的拓展参数分析。

3.1 破坏形态

图5为不同轴压比下高温—再养护后的早龄期RC框架边节点的受拉损伤云图对比。由图5可见，不同轴压比下试件的损伤云图基本相同，均在梁端和柱节点中部出现了较大了混凝土损伤，表明此处出现了开裂。不同的是，随着轴压比的增大，损伤程度先增大后减小（即颜色深浅程度），轴压比为0.6时梁端损伤面积较小，表面轴压比为0.6左右时为高温—再养护后的早龄期RC框架边节点的临界轴压比。

3.2 骨架曲线

图6为不同轴压比下骨架曲线的对比。由图6可见，不同轴压比的骨架曲线形状基本相似，均在达到峰值点后缓慢下降。初始刚度基本相同，这是因为初始刚度基本受钢筋材料性能控制，因此差别不大。随着轴压比的增大，试件的峰值荷载先减小后增大，轴压比为0.4、0.6和0.8试件的正负向峰值荷载均为分别为22.34 kN、18.25 kN和20.74 kN。进一步说明轴压比为0.6左右是高温—再养护后的早龄期RC框架边节点的临界轴压比。

4 结论

本文利用ABAQUS有限元分析软件对高温—再养护后的早龄期RC框架边节点进行了有限元分析，得到几点结论：

（1）利用实测的高温—再养护后的早龄期混凝土应力应变曲线结合ABAQUS塑性损伤模型建立的高温—再养护后的早龄期RC框架边节点模型具有较好的适用性，损伤云图与试验破坏形态均为梁端出现较大损伤，骨架曲线吻合较好，峰值承载力误差在5%以内。

（2）不同轴压比下的破坏形态和破坏过程基本相似，随着轴压比的增大，混凝土损伤先增大后减小，峰值荷载先减小后增大。轴压比为0.6左右时为高温—再养护后的早龄期RC框架边节点临界轴压比。

参考文献

［1］ 陆燕青，许瑞天，莫琳琳，等.高温喷水冷却后混凝土柱性能对比分析［J］.消防科学与技术，2021，40（8）：1150-1154.

［2］ 陈宗平，许瑞天，梁厚燃.高温喷水冷却后再生卵石混凝土应力-应变本构关系及有限元分析［J］.材料导报，2021，35（13）：13032-13040.

［3］ 陳宗平，许瑞天，陈建佳，等.高温喷水冷却后钢管高强混凝土轴压性能研究［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2021，49（5）：80-85.

［4］ 张必亮，张骞尹，袁广林.早龄期混凝土高温-再养护后的抗压性能［J］.混凝土，2021（5）：6-9.

［5］ 苗生龙，张骞尹，袁广林.不同龄期混凝土高温后力学性能研究［J］.消防科学与技术，2021，40（3）：330-333.

［6］ 杨志年，张欢，祝焕然，等.不同养护龄期下钢筋混凝土柱的耐火性能研究［J］.结构工程师，2020，36（5）：127-134.

［7］ 史贵臣. 早龄期RC柱高温-再养护后承载性能研究［D］.徐州：中国矿业大学，2020.

［8］ 张骞尹. 早龄期RC框架边节点高温—再养护后抗震性能研究［D］.徐州：中国矿业大学，2020.

［9］ Ji J ， Yu D ， Jiang L ， et al. Numerical Analysis of Axial Compression Performance of Concrete Filled Double Steel Tube Short Columns［J］. IOP Conference Series Materials ence and Engineering， 2018， 439（4）：042058.

［10］ Pagoulatou，M.， Sheehan， et al.  Finite element analysis on the capacity of circular concrete-filled double-skin steel tubular （CFDST） stub columns［J］. Engineering Structures， 2014， 72： 102-112.