钢筋混凝土梁柱边节点滞回性能数值模拟

2024-01-26赵卫平李雪菡纪强溪郭新锁

哈尔滨工业大学学报 2024年2期

赵卫平,李雪菡,龙彬,纪强溪,郭新锁,郭飞

(1.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院,北京 100083;2.中铁十六局集团路桥工程有限公司,北京 101500;3.北京市政建设集团有限责任公司,北京 100048)

梁柱节点是框架结构的关键部位,承担着分配弯矩、传递剪力和轴力的作用。强震来临时,梁柱节点位置易发生损伤破坏,塑性铰出现在框架柱中甚至可能导致框架结构建筑物倒塌[1-3]。保证节点具有足够的抗震能力是框架结构抗震设计的主要目标之一。

为评估节点的抗震性能,学者们完成了大量的试验。Hakuto等[4]研究了梁纵筋黏结滑移对节点抗弯能力和延性性能的影响,发现黏结性能的损伤退化是梁柱节点力学性能降低的重要原因。吕西林等[5-6]对往复荷载作用下节点核心区的纵筋黏结滑移进行了研究,指出梁纵筋滑移引起的梁外端附加挠度占梁柱组合体外端总挠度的30%以上。Braga等[7]通过试验发现受拉钢筋的黏结滑移会显著降低梁柱节点的刚度、延性和耗能能力。曹子建等[8]对有缺陷装配式梁柱节点的抗震性能进行了试验研究,结果表明,纵筋的黏结滑移降低了节点的抗震性能,加剧了滞回曲线的捏缩效应。建立梁柱节点有限元分析模型时,需要考虑钢筋与混凝土间的黏结退化效应。

考虑黏结滑移作用的精细化有限元模型可弥补宏观试验数据采集的短板,受到越来越多的关注。Elmorsi等[9]基于二维平面单元建立了梁柱节点有限元分析模型,采用黏结滑移单元模拟钢筋与混凝土间的黏结滑移作用,结果表明模拟结果与试验结果较为一致。Lowes等[10-12]开发了节点单元用于模拟节点核心区非弹性变形,利用57个节点试验对节点单元进行标定,由于其较高的计算效率和超短的计算周期,被纳入OpenSees有限元平台。赖少颖[13]为准确模拟梁柱节点的抗震性能,采用ABAQUS用户单元子程序开发了一种四节点平面黏结滑移单元用于模拟钢筋与混凝土的黏结劣化现象。赵雯桐等[14]基于OpenSees提出了修正梁柱节点单元,以边节点试验数据为依据,校核了模型计算的准确性和适用性。

上述梁柱节点有限元分析模型大多基于一维梁单元和二维平面单元建立,主要优势是求解稳定和模型计算周期短,其缺点是无法准确显示结构内部的应力状态和裂缝发展。节点捏缩效应的实现主要通过节点拟静力试验结果反推试算确定,往复荷载作用下的黏结退化机制并未真正体现,实际上已将分析和评价过程结合在一起,对所试算的模型及试验可以做到较高的吻合程度,但方法的通用性和可移植性仍然存疑。本文采用组合弹簧单元实现往复荷载作用下钢筋与混凝土间的黏结退化效应,基于损伤理论提出往复荷载作用下黏结滑移本构预测模型,运用APDL(ANSYS parametric design language)[15]进行简单的二次开发即可将黏结退化本构植入ANSYS环境,模拟得到的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线与试验结果的对比验证了有限元模型的适用性和准确性。

1 组合弹簧单元

1.1 往复荷载作用下钢筋与混凝土的黏结退化机制

图1为往复荷载作用下钢筋与混凝土的黏结退化机制。图中OABCDE为单调黏结滑移曲线,往复荷载作用下的黏结滑移曲线与单调加载差异明显,黏结性能的损伤退化取决于加载历程,随着循环周次及加载位移的逐步增加,钢筋与混凝土间的黏结强度和刚度会出现明显的损伤退化。进行结构抗震分析时,必须考虑钢筋与混凝土间的黏结退化行为。

图1 往复荷载作用下的黏结退化机制Fig.1 Bond degradation mechanism under eciprocating loading

1.2 组合弹簧单元的组成与连接方式

为实现往复荷载作用下黏结性能的损伤退化,基于非线性弹簧单元和间隙弹簧单元建立了组合弹簧单元模型。

图2(a)为组合弹簧单元的连接方式,组合弹簧单元由1个COMBIN39单元与n-1对COMBIN40单元并联组成[15],节点I和节点J分别为混凝土单元和钢筋单元的节点,钢筋单元的其他节点均采用相同的方式与混凝土节点相连。

图2 组合弹簧单元连接方式与力学行为Fig.2 Connection mode and mechanical behavior of composite spring elements

图2(b)为COMBIN39单元的力学行为,通过设置对应的关键选项(KEYOPT选项)可激活该单元的非保守力行为,进而实现往复加载过程中的能量耗散。图2(c)为COMBIN40单元的力学行为,输入的参数有弹簧刚度K1、极限滑动力Fs和间隙GAP(Δ),Fs设为负值可激活单元的失效行为,实现往复加载过程中黏结性能的损伤退化。COMBIN40单元是由节点连接顺序决定的单向弹簧(仅受压),为实现弹簧既能抗拉又能抗压的效果,将两个COMBIN40单元反向并联后成对使用,连接方式见图3。

图3 COMBIN40弹簧对Fig.3 COMBIN40 spring pair

1.3 组合弹簧单元参数标定

图4为典型的黏结滑移退化曲线,(si,τi)为各正向加载历程中最大滑移量对应的特征数据点,根据数据点(si,τi)标定组合弹簧单元的参数。标定方式见图5,首先将数据点(si,τi)采用式(1)转换为(si,Fi)。

图4 往复荷载作用下的黏结滑移曲线Fig.4 Bond-slip curve under reciprocating loading

图5 组合弹簧单元参数标定示意Fig.5 Indication ofcalibration of composite spring elements

Fi=τiπdl

(1)

式中:τi为黏结应力,d为钢筋的直径,l为钢筋单元的长度。

采用COMBINE39单元模拟残余黏结力,单元的F-s曲线可根据残余黏结力确定,特征数据点为(s1,Fn)和(sn,Fn)。CONBINE40单元用于模拟往复荷载作用下的黏结损伤,特征数据点按下述方法确定。

第1对COMBIN40弹簧的极限滑动力Fs1和刚度K1根据(sn-1,Fn-1)和(sn,Fn)确定:

Fs1=Fn-1-Fn

(2)

(3)

第2对COMBIN40弹簧的极限滑动力Fs2和刚度K2根据(sn-2,Fn-2)和(sn,Fn)确定:

Fs2=Fn-2-Fn-K1(sn-2-Δ)

(4)

(5)

依此类推,可标定各对COMBIN40弹簧的极限滑动力Fsi和刚度Ki,即

(6)

(7)

根据以上算法,可利用实测数据对组合弹簧进行标定,根据文献[16-17]的试验数据标定组合弹簧单元参数,标定结果与试验结果的对比见图6。

db为钢筋直径,hc为钢筋埋入长度,f′c为混凝土圆柱体抗压强度图6 标定结果与试验结果对比Fig.6 Comparison of calibration and experimental results

结果表明,根据实测数据和式(2)～(7)可完成组合弹簧单元的参数标定,组合弹簧单元成功地反演了往复荷载作用下黏结滑移曲线强度和刚度的退化。

2 往复荷载作用下的黏结滑移本构预测模型

2.1 基于损伤理论的黏结滑移本构预测模型

组合弹簧单元的参数标定依赖于实测试验数据,为提高模型的适用性和可移植性,当无实测试验数据时,提出了基于损伤理论的黏结滑移本构预测模型。根据CEB-FIP Model Code 2010[18]确定钢筋与混凝土的单调黏结滑移曲线:

(8)

钢筋与混凝土之间的黏结力由化学胶着力、摩擦力和机械咬合力3部分组成[19]。相对滑移发生后,化学胶结力随即丧失,黏结应力可分解为机械作用分量(τb=0.75τmax)和摩擦作用分量(τf=0.25τmax),见图7。

图7 单调黏结滑移曲线及组成Fig.7 Monotonic bond-slip curve and its composition

损伤参数采用Murcia-Delso损伤模型[20]确定:

(9)

(10)

(11)

损伤后的黏结应力根据损伤参数确定:

(12)

式中:τb,d为损伤后的机械作用分量,τf,d为损伤后的摩擦作用分量,τd为损伤后的总黏结应力。

2.2 黏结滑移本构预测模型有效性验证

为验证黏结滑移本构预测模型的有效性,使用黏结滑移本构预测模型对文献[16]中的黏结滑移试验曲线进行相应预测,主要变化参数为钢筋直径和黏结长度,将预测结果与试验结果进行对比,结果见图8。

图8 预测结果与试验结果对比Fig.8 Comparison between predicted and experimental results

图8中虚线为由CEB-FIP Model Code 2010预测得到的单调黏结滑移曲线,直线为试验黏结滑移曲线,点划线为采用组合弹簧单元模拟得到的黏结滑移曲线,其中星标为用损伤模型预测得到的标定组合弹簧单元参数的特征点。试验与模拟结果对比表明,预测模型可以较好地预测往复荷载作用下钢筋与混凝土的黏结滑移退化趋势。

3 边节点有限元模型

3.1 试验概况

根据文献[21]的试验设计建立梁柱边节点有限元模型,节点的几何尺寸如图9所示,柱横截面尺寸为200 mm×200 mm,梁横截面尺寸为150 mm×200 mm。

图9 试件几何尺寸Fig.9 Geometric dimension of experimental specimen

梁柱边节点试件的材料参数见表1和2,梁柱纵筋为HRB400E钢筋,箍筋为HPB300钢筋,箍筋直径均为8 mm。

表1 梁柱边节点试件的材料参数Tab.1 Material parameters of exterior beam-column joint specimens

表2 钢筋力学性能指标Tab.2 Mechanical property index of reinforcement

3.2 材料本构

3.2.1 混凝土本构关系

混凝土受压应力-应变曲线公式[22]如下:

(13)

(14)

ε0=0.002+0.5(fck-50)×10-5

(15)

εcu=0.003 3-0.5(fck-50)×10-5

(16)

式中:εc0为峰值应力对应的压应变,εcu为极限压应变。

混凝土单轴受拉应力-应变曲线公式[22]如下:

(17)

混凝土的应力-应变曲线见图10。

图10 混凝土应力-应变曲线Fig.10 Stress strain curve of concrete

3.2.2 钢筋本构关系

采用混合强化模型定义HRB400E钢筋的本构关系,混合强化模型由Voce非线性等向强化模型和Chaboche非线性随动强化模型组成[23]。Voce非线性等向强化模型的屈服应力演化可用下式表示:

(18)

Chaboche非线性随动强化模型的背应力演化可用下式表示:

(19)

(20)

式中:Xk为背应力,εpl为塑性应变值,Ck和γk为随动强化参数。

根据文献[24]的实测数据对往复荷载作用下钢筋的本构关系进行标定,等向强化模型材料参数和随动强化模型材料参数分别见表3和4。

表3 Voce非线性等向强化模型材料参数Tab.3 Material parameters of Voce nonlinear isotropic hardening model

表4 Chaboche非线性随动强化模型材料参数Tab.4 Material parameters of Chaboche nonlinear kinematic hardening model

图11为等向强化模型、随动强化模型和混合强化模型对比。循环荷载作用下,正向应变首次达2%时,3种本构关系的相对误差分别为23.7%、8.4%和4.7%。混合强化模型包含等向强化模型和随动强化模型的特征,能更好地描述钢筋在往复荷载作用下的滞回响应。

图11 正则化钢筋滞回曲线Fig.11 Regularized reinforcement hysteretic curves

3.2.3 往复荷载作用下钢筋与混凝土的黏结滑移本构

基于表1和2中试验参数,利用式(8)～(12)即实现对文献[21]中往复荷载作用下黏结滑移本构关系的预测,见图12。

图12 黏结滑移本构关系Fig.12 Bond-slip constitutive relation

3.3 有限元模型的建立

采用ANSYS建立梁柱边节点有限元分析模型,钢筋与混凝土单元不共用节点,在钢-混界面植入开发的组合弹簧单元,模拟加载过程中钢筋与混凝土间黏结性能的退化。

根据对称性,采用SOLID65实体单元建立混凝土1/2模型,如图13(a)。模型在梁长范围内的单元尺寸为25 mm×25 mm×25 mm,其他区域混凝土单元尺寸为25 mm×25 mm×35 mm。为方便施加荷载和约束,使用MASS21单元作为主节点,梁端及柱端处节点作为从节点,采用约束方程建立耦合关系,在MASS21单元上施加与试验一致的柱顶轴力和梁端往复位移荷载。梁柱边节点模型对称面上约束Z方向平移自由度,柱下方MASS21节点施加X、Y和Z方向的约束,柱体上方MASS21节点施加X、Z方向约束,并施加750 kN的竖向荷载,梁端施加Z方向的约束,在梁端的MASS21节点上施加往复位移荷载。

图13 有限元模型Fig.13 Finite element model

采用LINK180单元建立钢筋1/2模型,如图13(b)。梁纵筋的单元尺寸为25 mm,与混凝土单元对应,在钢筋单元与混凝土单元之间插入长度为0的组合弹簧单元。

3.4 数值模拟结果分析

数值模拟采用与试验相同的加载制度,将模拟结果与试验结果进行对比,进而验证梁柱边节点有限元模型的有效性。

3.4.1 骨架曲线、滞回曲线和刚度退化曲线

图14、15、16分别为骨架曲线、滞回曲线和刚度退化曲线有限元计算结果与试验对比。节点拟静力加载数值模拟结果基本对称,试验曲线后期骨架曲线在1、3象限有些差异,有限元未能考虑这些变化,所以,图14(b)、(c)数值模拟与实测结果有一定差异。根据图10混凝土本构关系,ANSYS中SOLID65混凝土单元开裂时拉应力降为抗拉强度的0.6倍,将过高估计刚度的退化,混凝土充分开裂后又逐渐趋近试验结果,因此,图16(a)～(c)数值模拟的5 mm左右刚度低于试验结果。模拟得到的骨架曲线、滞回曲线和刚度退化曲线基本反映了拟静力加载试验曲线的特征,模拟得到的滞回曲线展现了明显的捏缩效应,证实了模型的有效性与合理性,表明利用组合弹簧单元结合钢筋的Voce-Chaboche混合强化本构关系可以较好地模拟梁柱边节点在往复荷载作用下的抗震性能。

图14 骨架曲线Fig.14 Skeleton curve

图15 滞回曲线Fig.15 Hysteresis curves

图16 刚度退化曲线Fig.16 Stiffness degradation curves

3.4.2 应力云图及裂缝发展

ANSYS中SOLID65单元采用最大拉应力准则作为开裂判据,达到最大拉应力随即出现与拉应力正交的裂缝,后处理选项可以查看指定荷载步下梁柱边节点的应力状态及裂缝发展。图17为位移分别为5、31、41 mm时节点J6AM的混凝土应力图、钢筋应力图与裂缝。由混凝土应力云图可知,混凝土上的最大拉压应力均出现在梁柱节点核心区,且随着加载位移的增加,混凝土上的应力也逐步增大。由钢筋应力云图可知,加载位移由5 mm增加至31 mm时,钢筋的最大拉应力呈现增长趋势,而当位移由31 mm增加至41 mm时,钢筋的最大拉应力由536.6 MPa减小至491.094 MPa,钢筋与混凝土之间黏结性能的退化是导致钢筋应力在循环加载后期降低的原因。由裂缝发展图可知,随着加载位移的增加,裂缝从梁柱节点核心区逐步向梁端与柱端发展。

3.4.3 钢筋滞回响应分析

为直观地了解梁柱边节点内部钢筋的滞回响应,提取了J6AM试件2936号钢筋单元(图18)的应力-应变曲线,见图19。结果表明,随着梁端对称加载位移的逐步增加,钢筋的塑性伸长致使应变出现漂移,加载后期(第18～20圈)钢筋应力-应变滞回环甚至反方向漂移;组合弹簧单元成功地反演了往复加载过程中黏结性能的退化机制,在钢筋塑性漂移和黏结退化的双重作用下,往复加载后期钢筋的应力反而有所降低,与图17中的钢筋最大拉应力云图的分析一致。

图18 应变考察单元位置Fig.18 Location of strain observation element

图19 钢筋应力-应变曲线Fig.19 Stress-strain curve of reinforcement

3.4.4 梁端残余变形

图20为J6AM节点梁端竖向位移和水平位移的关系。随着梁端竖向往复位移的逐步增加,梁端水平残余变形也逐渐增大,表明往复荷载作用下节点梁中塑性铰的发育会导致梁的伸长。目前,对梁柱节点的研究主要集中于构件层面的抗震性能和抗剪性能,而梁的伸长对边节点的影响并未引起足够的重视。

图20 梁端竖向位移与水平位移的关系Fig.20 Relationship between vertical displacement and horizontal displacement of beam end

如图21所示,在水平地震荷载作用下,首层框架结构边柱的反弯点位于1/2柱高以上[25],柱根部弯矩明显大于柱顶。然而,汶川震灾调查结果表明[26],多层混凝土框架结构边柱的主要破坏位置集中于弯矩较小的柱顶(图22),梁端的塑性伸长迫使边柱发生侧移是导致首层边柱柱顶破坏的主要原因之一。近年来,中国一直致力于推广高品质钢材在建筑行业的应用,从2007年开发的细晶粒钢筋到2018年带“E”牌号的抗震钢筋[27],伸长率和耗能能力均有明显提升,然而无论是结构内力计算还是抗震设计,均未考虑梁塑性伸长对边柱的影响,研究工作亟待开展。